Ультразвуковые расходомеры газа

Что такое многолучевой ультразвуковой расходомер газа?

Каждый кубический метр газа, переходящий от оператора газопровода к покупателю, в итоге попадает в счет. Поэтому от расходомеров на магистральных газопроводах, газораспределительных станциях и хранилищах ожидают не только низкой неопределенности, но и стабильности измерений на протяжении многих лет, а также способности сообщать о собственном состоянии. Многолучевой ультразвуковой расходомер газа — измерительная система, созданная для этой задачи: полнопроходный корпус, пары ультразвуковых датчиков, установленные в корпусе, и электронный блок обработки сигналов.

Расходомер определяет скорость газа в сечении трубы по нескольким акустическим лучам и пересчитывает ее в объемный расход при рабочих условиях. Если в электронный блок поступают давление, температура и состав газа, непосредственно в расходомере можно рассчитывать также расход, приведенный к стандартным условиям, массовый и энергетический расход — так прибор служит параллельным резервным уровнем вычислений наряду с вычислителем расхода.

Приборы на этой странице предназначены только для измерения газа: природного газа, углеводородных и промышленных газов. Чем больше лучей у расходомера, тем детальнее он опрашивает профиль скоростей; 8-лучевая схема рассчитана на то, чтобы непосредственно в процессе измерения распознавать и компенсировать асимметричные профили и закрутку потока, которые создают реальные элементы трубопровода — отводы, арматура и короткие прямые участки.

Времяимпульсный принцип и 8-лучевое хордовое измерение

Во времяимпульсном методе измеряется время, за которое звуковой импульс проходит через газ от одного датчика к противоположному. При движении газа звук по потоку распространяется быстрее, а против потока — медленнее. Расходомер оценивает эту разницу одновременно на восьми отдельных лучах:

1.      Генерация акустических импульсов: Каждый измерительный луч образован парой датчиков, установленных на противоположных сторонах корпуса. Всего 16 датчиков с частотой 125 кГц поочередно излучают и принимают акустические импульсы по потоку и против потока; генерацией импульсов и отсчетом времени управляет единый электронный блок.

2.      Измерение разности времени прохождения: Импульс, идущий по потоку, приходит раньше, а идущий против потока — позже. Разность этих времен пропорциональна средней скорости газа вдоль луча, а совместная обработка обоих времен дает скорость звука в газе.

3.      Объединение восьми лучей в одно измерение: Электронный блок объединяет скорости восьми хордовых лучей и рассчитывает среднюю скорость газа в сечении трубы. Произведение средней скорости на площадь внутреннего сечения дает объемный расход при рабочих условиях.

4.      Приведение к стандартным условиям: Датчик давления, подключенный к отбору давления на корпусе расходомера, и измерение температуры в трубопроводе подаются в электронный блок через изолированные входы 4–20 мА. Вместе с составом газа эти данные используются для расчета приведенного объема, массового и энергетического расхода.

5.      Непрерывный самоконтроль: Качество сигнала, скорость звука и профиль скоростей непрерывно контролируются на каждом луче. Согласованность лучей между собой дает диагностическую информацию как о состоянии датчиков, так и об условиях потока.

Перекрестные лучи в четырех плоскостях и компенсация закрутки

Восемь лучей расположены в четырех позициях и направлены встречно. Такая перекрестная схема позволяет влиянию асимметричных профилей скоростей взаимно компенсироваться между лучами и точнее рассчитывать закрутку потока в трубе. В результате возмущения от отводов, коротких прямых участков или компактной компоновки узла учета меньше сказываются на измерении: снижаются как погрешность, связанная с монтажом, так и потребность в длинных входных участках или формирователях потока.

Контроль достоверности по скорости звука

Расходомер может в реальном времени сравнивать измеренную скорость звука с теоретическим значением. Теоретическое значение рассчитывается по методу AGA 10 (2003) или GERG-2008 (AGA 8, часть 2, 2017) с использованием давления, температуры и состава газа. Данные о составе можно считывать с газового хроматографа по Modbus. Расхождение двух значений — ранний признак возможной неисправности датчика, ошибки в данных о составе или в измерениях давления и температуры.

Реверсивное измерение и потеря давления

Времяимпульсный метод работает независимо от направления потока: расходомер измеряет в обоих направлениях и ведет раздельные суммарные значения для прямого и обратного потока. Это позволяет обходиться одним расходомером на таких объектах, как подземные хранилища газа, где газ в зависимости от сезона закачивается или отбирается. Поскольку полнопроходный корпус не сужает поток для измерения, расходомер не создает дополнительной потери давления — это важно для затрат на компримирование и эксплуатацию.

Измерение скорости дает фактический объем при рабочих условиях; значения стандартного объема и энергии, используемые в коммерческом учете, напрямую зависят от качества данных о давлении, температуре и составе. Поэтому расходомер следует рассматривать как систему вместе со вспомогательными измерениями узла учета.

Ключевые технические возможности

·         8-лучевая хордовая схема с 16 датчиками: Восемь лучей, расположенных встречно в четырех плоскостях, опрашивают профиль скоростей с высоким разрешением; единый электронный блок объединяет данные всех лучей.

·         Высокая точность после калибровки: Для расходомеров с калибровкой на потоке погрешность составляет ±0,1 % от показания, повторяемость — ±0,05 % от показания в диапазоне 1,5–30,5 м/с. Характеристики отвечают требованиям AGA 9 (3-е издание, 2017) и ISO 17089.

·         Датчики в металлической капсуле без контакта с газом: Датчики в титановой капсуле не контактируют напрямую с технологическим газом, что рассчитано на длительный срок службы в газе с примесью масла, во влажном газе и при наличии коррозионных компонентов. Для типоразмеров до DN900 они входят в стандартное исполнение, для DN1050 — опция.

·         Замена датчиков под давлением: Цельную капсулу датчика можно извлечь без сброса давления в линии и без специального инструмента для работы под высоким давлением; поскольку датчик не контактирует с газом, при этом не происходит выброса газа.

·         Механическое усиление сигнала: Механическая усилительная решетка в датчике усиливает акустический сигнал и ограничивает влияние затухания и реверберации.

·         Встроенный расчет приведенного объема, массы и энергии: Расход при стандартных условиях рассчитывается по данным давления, температуры и состава; так как эти значения сохраняются и в архивах, расходомер может выполнять функцию резервного вычислителя расхода.

·         Верификация на месте и прогностическая диагностика: Функция верификации, сводящая состояние расходомера и процесса к единому результату, формирует отчеты PDF/XML ежемесячно по расписанию или по запросу; прогностическая диагностика помогает быстро реагировать на нештатные условия.

·         Полный набор сигнализаций: Отдельные сигнализации об отложениях на стенке трубы, засорении, аномальном профиле скоростей, наличии жидкости и обратном потоке; поддерживаются сигнализации с фиксацией и назначение приоритетов.

·         Регистрация данных для аудита: Часовые архивы хранятся 180 суток, суточные — пять лет. Журнал аудита фиксирует имя пользователя, внесшего каждое изменение, а аппаратный переключатель защиты от записи блокирует конфигурацию.

·         Развитые входы/выходы и связь: Шесть частотных/дискретных выходов, один аналоговый выход, два изолированных аналоговых входа для давления и температуры, Modbus RTU/ASCII по RS-232/RS-485 и Modbus TCP по Ethernet; опциональный модуль расширения добавляет еще один последовательный порт и трехпортовый коммутатор Ethernet.

·         Опциональный местный дисплей: Трехстрочный местный дисплей может поочередно показывать до 10 значений из 26 параметров с интервалом, настраиваемым от 1 до 100 секунд.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые данные 8-лучевого ультразвукового расходомера газа. Значения, зависящие от типа датчиков, типоразмера, класса давления и материала корпуса, следует подтверждать на этапе проекта для выбранной конфигурации.

Классы давления корпуса и фланцев указаны для −29 … +38 °C (например, 51,1 бар для класса PN 50 с корпусом из углеродистой стали); при более высокой температуре допускаемое давление может быть ниже. Таблицы производительности основаны на внутреннем диаметре Schedule 40, температуре 15 °C и типовом составе природного газа и предназначены только для предварительного подбора.

Основные преимущества

·         Более компактный узел учета: Поскольку метрологические характеристики достижимы при прямом участке 5D без формирователя потока, сокращаются длина, масса и капитальные затраты узла учета, а компоновка упрощается на шельфовых и городских станциях с ограниченным пространством.

·         Отсутствие дополнительной потери давления: Полнопроходный корпус и схема, не требующая формирователя потока, снижают затраты на компримирование и исключают обслуживание, связанное с засорением формирователей потока.

·         Низкая чувствительность к условиям монтажа: Перекрестная 8-лучевая схема компенсирует асимметричные профили и закрутку от отводов и арматуры и помогает приблизить результаты на объекте к результатам лабораторной калибровки.

·         Обслуживание без остановки: Возможность заменять датчики под давлением без специального инструмента уменьшает необходимость сброса давления в линии, стравливания газа и внеплановых остановок.

·         Реверсивный учет одним расходомером: Для двунаправленных потоков, например при закачке газа в хранилище и отборе из него, прямые и обратные суммарные значения можно вести без отдельной измерительной линии.

·         Измерение, сообщающее о своем состоянии: Диагностика скорости звука, профиля и сигнала по каждому лучу, а также сигнализации об отложениях, засорении и наличии жидкости помогают заметить изменение качества измерений до того, как оно отразится в счете.

·         Резервирование расчетов: Значения приведенного объема и энергии, рассчитанные в самом расходомере, могут служить независимой базой для перекрестной проверки результатов вычислителя расхода.

·         Широкий диапазон производительности: Типоразмеры от DN250 до DN1050 и диапазон скоростей 0,5–30 м/с позволяют строить узлы учета большой производительности с меньшим числом параллельных измерительных линий.

Применение в цепочке поставок природного газа

8-лучевой ультразвуковой расходомер газа применяется там, где природный газ на пути от добычи к потребителю переходит из рук в руки, или там, где контролируются большие объемы. Типичные места установки:

Коммерческий учет на магистральных газопроводах

Основное средство измерения на пунктах сдачи и приема больших объемов газа на магистральных газопроводах. Высокая точность, долговременная стабильность и метрологические сертификаты — базовые требования к измерениям, на которых основываются расчеты за газ.

Газораспределительные станции

Применяется на пунктах сдачи и приема газа при переходе из магистральной сети в распределительную. Компактная компоновка трубопровода упрощает размещение расходомера на ограниченной площади городских станций.

Подземные хранилища газа

На входах и выходах хранилищ потоки, меняющие направление между периодами закачки и отбора, можно контролировать одним расходомером благодаря реверсивному измерению.

Газоперерабатывающие заводы

Применяется для контроля количества сырого и подготовленного газа на входе и выходе завода. Конструкция датчиков без контакта с газом рассчитана на сохранение ресурса датчиков в газе, который может содержать масло или жидкость.

Газ на входе электростанций

Применяется на входных газопроводах газовых электростанций для контроля расхода топлива и его энергосодержания; энергетический расход рассчитывается с использованием данных о составе газа.

Добыча газа на суше и на шельфе

Используется для учета товарного газа и газа, передаваемого между объектами, на наземных и морских месторождениях; компактная компоновка узла учета отвечает ограничениям платформ по площади и массе.

Выбор и требования к монтажу ультразвукового расходомера газа

Выбор ультразвукового расходомера газа затрагивает компоновку трубопровода и вспомогательные измерения узла учета не меньше, чем сам расходомер. Ниже перечислены ключевые исходные данные для технической оценки:

Газ и условия процесса

·         Состав газа и источник данных о составе (фиксированное значение или потоковый газовый хроматограф)

·         Минимальный, номинальный и максимальный расход; объем при стандартных и рабочих условиях

·         Диапазон рабочего давления; есть ли режимы с давлением ниже 6,89 бар

·         Температура газа и минимальная расчетная температура

·         Вероятность присутствия масла, влажного газа, уноса жидкости или коррозионных компонентов (например, H₂S)

Производительность и ограничения по скорости

·         Переходные скорости qmin, qt и qmax для выбранного типоразмера

·         Ограничения скорости при низком давлении: для DN400–DN500 — 15,2 м/с при 345 кПа (изб.) и 30,5 м/с при 689 кПа (изб.) и выше; начиная с DN600 предельные значения ниже

·         Для типоразмеров DN300 и меньше при работе в диапазоне 0–689 кПа (изб.) требуются изолированные гнезда и подходящий тип датчиков

·         Сортамент трубы (schedule) и соответствующий внутренний диаметр

·         Требование к измерению в одном или двух направлениях

Компоновка трубопровода и формирование потока

·         Не менее 5D прямого участка на входе расходомера при монтаже без формирователя потока

·         Опциональная компоновка с формирователем потока; другие длины трубопровода адаптируются под проект

·         Для реверсивных расходомеров обе стороны рассматриваются как входные, для оптимального результата применяется формирование потока

·         Дополнительные 3D длины трубы для таких присоединений, как пробоотборный зонд или контрольная гильза

·         Рекомендуемое место точки измерения температуры и отбор давления на корпусе расходомера (½ дюйма NPT или штуцер пипеточного типа)

Материалы и класс давления

·         Класс давления ANSI/PN и тип уплотнительной поверхности фланцев (RF, RTJ, компактный фланец, хабовое соединение)

·         Материал корпуса и необходимость углеродистой стали с испытанием на ударную вязкость

·         Требования к исполнению по NACE, NORSOK или PED

·         Материал уплотнительных колец датчиков (NBR или FKM) и требования к покрытию/окраске

Электроника, интеграция и сертификаты

·         Подключение к вычислителю расхода и SCADA по частотному выходу, Modbus RTU/ASCII или Modbus TCP

·         Необходимость считывать состав газа с газового хроматографа по последовательному Modbus или Modbus TCP

·         Сертификат для взрывоопасных зон: ATEX/IECEx, UL/cUL, INMETRO или EAC

·         Метрологический сертификат: OIML, MID или национальные метрологические одобрения

·         Тип кабельного ввода (¾ дюйма NPT или M20) и необходимость местного дисплея

Для меньших диаметров или иных подходов к коммерческому учету можно рассмотреть и решения на основе перепада давления, такие как узлы учета с сужающими устройствами; технологию следует выбирать, совместно оценивая диапазон расхода, давление, площадь узла учета и требования законодательной метрологии.

Метрологические стандарты, стандарты безопасности и проектирования

Ниже кратко перечислены метрологические стандарты, стандарты взрывозащиты и механического проектирования, определенные для расходомера. Часть сертификатов выбирается в составе конфигурации заказа.

Перечень сертификатов относится к самому расходомеру и носит информационный характер; требования законодательной метрологии к узлу учета газа в целом и национальные нормы учета природного газа в стране эксплуатации следует оценивать для каждого проекта совместно с инженерами TLY Enerji.

Подход TLY Enerji к инжинирингу узлов учета газа

Неопределенность на пункте коммерческого учета определяется не только расходомером: на результат влияют компоновка трубопровода, формирование потока, измерения давления и температуры, состав газа и цепочка вычислений. Поэтому TLY Enerji рассматривает ультразвуковой расходомер газа как часть узла учета в целом: мы проверяем типоразмер и ограничения по скорости с учетом вашего профиля расхода и давления, а потребность в прямых участках и формирователе потока оцениваем вместе с компоновкой станции.

В ходе проекта мы оказываем инженерную поддержку в планировании вспомогательных измерений и подключения газового хроматографа, интеграции с вычислителем расхода и SCADA, подготовке проектной документации и пусконаладке. В период эксплуатации совместно с персоналом объекта интерпретируем диагностические тренды и отчеты верификации, помогая своевременно выявлять изменения качества измерений.

·         Анализ профиля расхода и подбор типоразмера

·         Оценка компоновки трубопровода и формирования потока

·         Интеграция измерений давления, температуры и состава газа

·         Проектирование связи с вычислителем расхода и SCADA

·         Пусконаладка и поддержка в интерпретации диагностических данных

Часто задаваемые вопросы

Как работает ультразвуковой расходомер газа?

Пары датчиков, установленные друг напротив друга на корпусе расходомера, поочередно излучают акустические импульсы по потоку и против потока. Импульс, идущий по потоку, приходит раньше. Разность двух времен прохождения пропорциональна средней скорости газа вдоль луча. Скорости восьми лучей объединяются в среднюю скорость в сечении трубы, а ее произведение на площадь сечения дает объемный расход при рабочих условиях.

Что дает 8-лучевая схема измерения?

Поскольку восемь лучей расположены в четырех позициях и направлены встречно, профиль скоростей опрашивается с более высоким разрешением. Такая схема уравновешивает влияние асимметричного профиля между лучами и позволяет точнее рассчитывать закрутку потока. В результате влияние возмущений от отводов, арматуры или коротких прямых участков снижается, и класс точности 0,5 по OIML достижим при прямом участке 5D без формирователя потока.

Какие прямые участки нужны ультразвуковому расходомеру газа?

В рекомендуемой компоновке без формирователя потока достаточно не менее 5D прямого участка на входе расходомера. При желании можно применить и компоновку с формирователем потока. Для реверсивных расходомеров обе стороны рассматриваются как входные, и для оптимального результата рекомендуется формирование потока. Для дополнительных присоединений, таких как пробоотборный зонд или контрольная гильза, может потребоваться еще 3D. Окончательная компоновка определяется планировкой узла учета.

Какие стандарты и сертификаты применимы для коммерческого учета газа?

Расходомер отвечает требованиям к характеристикам AGA 9 (3-е издание, 2017) и ISO 17089. В метрологической части он имеет одобрения класса 0,5 по OIML R 137 и класса 1,0 по MID 2014/32/EU (MI-002), а также опции национальных метрологических одобрений для Китая, Бразилии и региона EAC. Для коммерческого учета в конкретной стране нормативные требования и требования к сертификации узла учета в целом необходимо оценивать отдельно.

Можно ли измерять жидкости ультразвуковым расходомером газа?

Нет. Описанный на этой странице расходомер предназначен для измерения природного газа, углеводородных и промышленных газов; характеристики для измерения жидкостей для него не нормированы. Сигнализация о наличии жидкости служит для предупреждения оператора о нежелательной жидкости в газопроводе. Для измерения расхода на жидкостных линиях следует рассматривать другие технологии, соответствующие среде и процессу.

Можно ли заменить датчики, не сбрасывая давление в линии?

Да. У датчиков в титановой капсуле, не контактирующих с газом, цельную капсулу можно извлечь без сброса давления в линии и без специального инструмента для работы под высоким давлением. Поскольку датчик не контактирует с технологическим газом, при этом не происходит выброса газа. Расходомеры с датчиками прежних типов можно модернизировать под этот тип датчиков. Порядок обслуживания следует планировать в соответствии с правилами охраны труда на объекте.

Как рассчитывается производительность расходомера?

Для предварительного подбора стандартную производительность при максимальной скорости для соответствующего типоразмера и рабочего давления умножают на отношение требуемой скорости к максимальной. Например, если расходомер DN250 при 4 500 кПа (изб.) имеет производительность около 280 тыс. ст. м³/ч при 30,5 м/с, то при 21 м/с его производительность составит около 192,7 тыс. ст. м³/ч. Эти значения основаны на типовом составе газа и температуре 15 °C; точный подбор необходимо выполнить до заказа.

Может ли ультразвуковой расходомер газа рассчитывать энергетический расход?

Да. Используя входы давления и температуры и данные о составе газа, электронный блок расходомера может рассчитывать приведенный объем, массовый и энергетический расход. Данные о составе можно считывать с промышленного газового хроматографа по последовательному Modbus или Modbus TCP. В расчетах коммерческого учета эти значения обычно используются как резерв и для перекрестной проверки результатов вычислителя расхода.

Какие диагностические функции доступны?

По каждому лучу можно контролировать состояние датчиков, форму сигналов, профиль скоростей и сравнение скорости звука. Сигнализации охватывают отложения на стенке трубы, засорение, аномальный профиль, наличие жидкости и обратный поток. Функция верификации на месте сводит состояние расходомера и процесса к единому результату и формирует отчеты PDF/XML ежемесячно или по запросу. Часовые архивы хранятся 180 суток, суточные — пять лет.