ru en

Сравнение расходомеров. Применение ультразвуковых расходомеров

Программа импортозамещения, активно проводимая Правительством РФ в отечественной промышленности,
особенно актуальна для нефтегазового комплекса, в котором значительная доля оборудования поставляется из-за рубежа.
На примере некоторых изделий фирмы «Вымпел» показано, как эта Программа реализуется в той части газовой
промышленности, которая связана с автоматизацией и метрологией, а более конкретно — с расходометрией.
Описаны ультразвуковые расходомеры, не только не уступающие по характеристикам самым передовым зарубежным аналогам,
но и в некоторых случаях их превосходящие. В настоящее время применение ультразвуковых расходомеров реализуется
на объектах ООО «Газпром трансгаз Москва» в формате опытно-промышленной эксплуатации.
Авторы
  • С.Г. Марченко, А.М. Ляшенко, ООО «Газпром трансгаз Москва» (Москва, РФ)
  • А.М. Деревягин, В.В. Козлов, Г.А. Деревягин, ЗАО НПО «Вымпел» (Москва, РФ)
Высокая сложность разработки ультразвукового расходомера для коммерческого учета газа подтверждается небольшим количеством производителей данного типа устройства — в мире их не более десяти. Техническая сложность разработки, в отличие, например, от ультразвуковых расходомеров на жидкость, заключается в особенности излучения ультразвука в газ за счет разности акустических импедансов газовой среды и материала преобразователя, специальном алгоритме формирования и обработки акустического сигнала, вызванной сжимаемостью рабочей среды, технологической сложностью изготовления преобразователей, высоким давлением рабочей среды и др.
НПО «Вымпел» ведет разработки в области расходометрии с середины 1990-х гг. Первым успешным результатом этих работ стал расходомер «Гиперфлоу» (рис. 1а), работающий по методу переменного перепада давления, обладающий исключительными характеристиками надежности при работе в условиях Крайнего Севера и на неподготовленных, «грязных» газах. «Гиперфлоу» получил широкое распространение на северных газовых месторождениях, объектах ПХГ, ТЭЦ и многих других. За все время установлено и успешно эксплуатируется более 10 тыс. ед. данного расходомера.
Разработки в области ультразвуковой расходометрии начались в 2004 г. и ознаменовались выпуском серии расходомеров «Гипер- флоу-УС» исполнений «С» (стандартное), «Т» (технологическое) и «Р» (с расширенным диапазоном измерения 500:1, рис. 1б), реализующих времяимпульсный метод измерения [1]. В частности, «Гиперфлоу-УС» исполнения «Р» нашел широкое применение на объектах, где требуется измерять как малый, так и относительно большой расход в зависимости от сезонного потребления газа (газораспределительные станции, общедомовые узлы учета), технологических особенностей процесса (АГНКС, при измерении в режиме реверса обратного тока газа после закачки). Широкий диапазон измерения обеспечен наличием пластины, отражающей и фокусирующей ультразвуковой сигнал, многократно увеличивающей длину акустического пути сигнала [2].
Например, применяемый на АГНКС ультразвуковой расходомер «Гиперфлоу- УС» исп. «Р» Ду 50 позволяет измерять расход в диапазоне 6–3160 м3/ч, приведенный к стандартным условиям при давлении 1,6 МПа с пределом относительной погрешности не более 1% и частотой опроса один раз в секунду в прямом и обратном направлении потока.
Продолжением развития «Гиперфлоу-УС» исп. «Р» стал компактный ультразвуковой расходомер «Вымпел-100», выпущенный в 2014 г. (рис. 1в). Помимо расширенного диапазона измерения расходомер не требует прямых участков на входе и выходе благодаря запатентованной конструкции первичного преобразователя [3]. Это изделие создано специально на замену турбинных и ротационных счетчиков без перепроектирования места установки, поскольку имеет малое межфланцевое расстояние — 3D, где D — условный диаметр трубопровода. Широко применение ультразвуковых расходомеров на объектах с условиями ограниченного пространства: в узлах учета компрессорных и газораспределительных станций, в установках по производству технологических газов и др.
Ультразвуковые расходомеры
Рис. 1 Ультразвуковые расходомеры: а) «Гиперфлоу»; б) «Гиперфлоу-УС» исполнение Р; в) «Вымпел-100»
По сочетанию технических характеристик «Вымпел-100» превосходит существующие мировые аналоги, а независимость от импортных комплектующих делает его весьма конкурентоспособным на мировом рынке.
«Вымпел-500»
Для задач коммерческого учета, в том числе на приграничных газоизмерительных станциях, разработан многоканальный ультразвуковой расходомер повышенной точности «Вымпел-500» (рис. 2).
Ультразвуковой расходомер повышенной точности Вымпел-500
Рис. 2. Ультразвуковой расходомер повышенной точности «Вымпел-500»
Применяют ультразвуковой расходомер «Вымпел-500» для определения эпюры потока и обеспечения максимальной точности измерения. [1].
С целью получения детальной информации о функции распределения скорости число каналов зондирования доведено до 8. Измерительная схема расходомера характеризуется наличием двух плоскостей, расположенных под углом 90 или 60° друг к другу, образуя в проекции на сечение трубопровода четыре хорды.
Прибор оснащен 8-канальным блоком электроники, выполненным на современной элементной базе с малым энергопотреблением. Программное обеспечение прибора позволяет выводить все текущие данные о состоянии измерительной системы и результатов измерений в реальном времени. Корректор, производящий приведение измеренного расхода к стандартным условиям, встроен в блок электроники в штатном исполнении.
По требованию заказчика поставляется два расходомера с одним измерительным участком: в этом случае изделие состоит из двух комплектов блоков электроники, датчиков давления и температуры, причем каждый из блоков обрабатывает одну измерительную плоскость по четыре измерительных канала в каждой (схема 4+4).
В качестве дополнительной опции расходомер может снабжаться дополнительным измерительными каналом, расположенным по диаметру в сечении трубопровода и позволяющим контролировать изменение эпюры потока с течением времени, вызванное отложениями на внутренней стенке трубопровода.
Конструктивными и эксплуатационными особенностями расходомера «Вымпел-500» являются:
  • 8-канальная измерительная схема (опция: два расходомера в одном, 4+4);
  • предел относительной погрешности до 0,3
  • высокая стабильность измерений на малых расходах;
  • нечувствительность к завихрению;
  • корректор, встроенный в блок электроники;
  • встроенная система автодиагностики технологических параметров и нештатных ситуаций; • низкое энергопотребление (менее 4 Вт);
  • возможность работы как на высоком (до 27 МПа), так и на низком (0,1 МПа) давлении;
  • поверка на воздухе для работы на высоком давлении;
  • внутренний архив данных: суточный — более 2 лет, часовой — более 6 месяцев;
  • замена преобразователей под давлением без остановки процесса;
  • широкий диапазон типоразмеров: Ду 150 — Ду 1400.
Ультразвуковые преобразователи
Наиболее технически и технологически сложным элементом ультразвукового расходомера являются его электроакустические (ультразвуковые) преобразователи.
В результате 10-летнего опыта работы специалистами НПО «Вымпел» разработан преобразователь, по своим характеристикам не уступающий лучшим мировым образцам, а также отлажена технология его производства без привлечения опыта сторонних компаний.
Данный преобразователь относится к резонаторному типу преобразователей. Излучатель преобразователя является акустически развязанным от его корпуса для предотвращения распространения паразитных шумов по корпусу расходомера к преобразователю от других преобразователей и сторонних источников акустических помех.
Высокая резонансная частота преобразователей (180–220 кГц) исключает негативное воздействие акустических помех от запорно-регулирующей арматуры, которые распространяются как по корпусу, так и по рабочей среде и имеют более низкие частоты.
Преобразователи изготавливаются из высокопрочного износостойкого сплава титана, являются полностью герметичными и выдерживают давление не менее 50 МПа. Для изготовления преобразователя используются материалы и комплектующие отечественного производства, включая пьезокерамическую пластину.
Эти характеристики преобразователей обеспечивают стабильную работу расходомера в рабочем диапазоне давлений и температур рабочей среды, позволяют применять «Вымпел-500» на неподготовленном, в том числе попутном нефтяном газе, на сверхвысоких давлениях рабочей среды. В случае попутного нефтяного газа применяется удлиненный вариант преобразователей для их выноса в просвет измерительного участка с целью предотвращения загрязнения тяжелыми фракциями углеводородов.
Метрологические характеристики
Одним из важнейших метрологических параметров для сравнения расходомеров является стабильность измерения нулевого расхода в зависимости от времени при разных условиях среды (давлении, температуры, загрязнении преобразователей). Этот параметр говорит о корректности формирования и алгоритма обработки сигнала, измерения времени его распространения в электроакустическом тракте.
Алгоритм формирования и обработки ультразвукового сигнала в расходомерах «Вымпел» использует численные методы решения задач колебания систем с несколькими степенями свободы и корреляционный анализ, что обеспечивает максимально точное определение времени задержки сигнала и стабильность измерения.
На рис. 4 приведена запись показаний нулевого расхода в течение 17 часов с частотой 1 раз в секунду. Измерения проводились расходомером «Вымпел-500» Ду 300 при стандартных условиях с заглушенными с торцов фланцами. График показывает, что значение скорости потока находится в пределах ±1 мм/с, что на диаметре ДУ 300 соответствует расходу ±0,25 м3/ч. Данное значение говорит о высокой стабильности измерения на низких расходах.
Измерение нулевого расхода при стандартных условиях в течение 17 ч
Рис. 4 Измерение нулевого расхода при стандартных условиях в течение 17 ч
Произведены испытания влияния давления рабочей среды на значение скорости потока при нулевом расходе (таблица). В качестве рабочей среды использован воздух.
Данные таблицы говорят об отсутствии влияния давления на измерение нулевого расхода «Вымпел-500». Этот факт подтверждает корректность калибровки «Вымпел-500» на атмосферном давлении для дальнейшей эксплуатации на более высоком давлении.
Имитация загрязнения датчиков (нанесение слоя солидола в 4 мм) также не приводило к сколько-нибудь заметному увеличению дрейфа нулевого расхода.
Ультразвуковой расходомер газа «Вымпел-500» успешно прошел ряд испытаний в Уральском региональном метрологическом центре (УРМЦ), метрологических центрах Pigsar (Германия) и Euroloop NMi (Голландия) на типоразмерах Ду 300 и Ду 500. В ходе испытаний исследовались метрологические характеристики расходомера на невозмущенном и возмущенном потоках, оценивалась долговременная стабильность, общая неопределенность и повторяемость измерений.
В соответствии с ГОСТ 8.6112013[4] общая расширенная неопределенность Uобщ измерения равна среднеквадратичному расширенной неопределенности эталонного средства измерения Uэт и доверительной границе случайной погрешности поверяемого средства измерения относительно эталонного UCИ, % :
Относительная погрешность «Вымпел-500» Ду 300
Рис. 5 Относительная погрешность «Вымпел-500» Ду 300 на невозмущенном (сверху) и возмущенном турбинным счетчиком (снизу) потоках
Испытания на долговременную стабильность измерения «Вымпел-500» проводились в УРМЦ на измерительном трубопроводе Ду 500, длительность испытаний составляла три месяца, контрольные замеры проводились с интервалом в несколько суток во всем диапазоне рабочих расходов. В результате максимальный разброс показаний не превысил 0,5%.
Испытания «Вымпел-500» Ду 300 и Ду 500 проводились в метрологических центрах Pigsarи Euroloop для подтверждения класса точности 0,3%. Перед испытаниями в Pigsar испытуемый образец Ду 300 был откалиброван в УРМЦ в диапазоне рабочих расходов 200–3000 м3/ч.
На рис. 6 представлен протокол испытаний 8-канального «Вымпел-500» Ду 300 в центре Pigsar. Рамка 1 рис. 6 показывает систематическую погрешность измерений «Вымпел-500», откалиброванного в УРМЦ, от эталона Pigsar в диапазоне расходов 195,23–2611,02 м3/ч. Это отклонение составляет не более 0,34% и характеризует различие в калибровке в двух метрологических центрах.
Рамка 2 (рис. 6 ) показывает доверительную границу случайной погрешности UСИ испытуемого образца. Эта величина сравнима с величиной неопределенности самого эталона Pigsar, которая составляет 0,14–0,17% в зависимости от расхода.
Рамка 3 (рис. 6 ) представляет общую расширенную неопределенность Uобщ «Вымпел-500». Максимальное значение расширенной неопределенности равно 0,24%, что подтверждает класс точности 0,3% испытуемого образца.
Повторная проливка после внесения калибровочных коэффициентов показала исключительно высокую повторяемость измерений: —0,02% на расходе 2600 м3/ч и 0,03% на расходе 975 м3/ч (рамка 4 рис. 6).
Протокол испытаний 8-канального Вымпел-500 Ду 300 в Pigsar
Рис. 6 Протокол испытаний 8-канального «Вымпел-500» Ду 300 в Pigsar: 1) отклонение УРМЦ от Pigsar; 2) доверительная граница случайности погрешности; 3) общая расширенная неопределенность; 4) повторяемось
Технологичность производства
Для сравнения расходомеров на надежность и качество работы проверяют технологичность их производства. Процесс производства «Вымпел-500», организованный на площадке НПО «Вымпел», представляет собой законченный производственный цикл.
При изготовлении фланцевых измерительных участков «Вымпел-500» для типоразмеров не более Ду 300 используются литые заготовки или поковки, для типоразмеров более Ду 300 — заготовка из толстостенной трубы с приваренными к ней бобышками под датчики и фланцами. Финишная обработка заготовки производится на прецизионном 5-координатном горизонтально-расточном станке с ЧПУ ГРС105 CNC.
Для обеспечения стабильности измерений входной прямой участок расходомера подвергается расточке для устранения эллипсности и обеспечения заданной шероховатости. Расточка производится на оборудовании собственной разработки, позволяющем обрабатывать тубы диаметром до 600 мм и длиной до 6 м.
Приварка фланцев и бобышек производится как ручной электродуговой сваркой, так и на роботозированном сварочном комплексе KUKA AR5 ARC для обеспечения большей производительности.
Детали титанового корпуса ультразвуковых датчиков с малыми допусками изготавливаются на прецизионном малогабаритном токарном станке с ЧПУ Schaublin 125 ТМ.
Монтажно-сборочное производство включает технологию поверхностного монтажа электронных плат: автоматическую линию с автоматом установки SMD компонентов фирмы Yamaha Motor Co., печь конвекционного оплавления Essemtec и др.
Технический контроль за соблюдением геометрических размеров фланцевых измерительных участков и прямых участков трубопроводов осуществляется с помощью мобильной координатно-измерительной машины серии Faro Prime Arm.
Технологическая оснащенность НПО «Вымпел» обеспечивает максимальную независимость от сторонних производственных компаний, высокую производительность и повторяемость изготавливаемой продукции. В частности, сравнение двух расходомеров с единичными калибровочными коэффициентами, установленных последовательно на измерительной линии, дает расхождение в измерениях не более 0,15% в рабочем диапазоне расходов (испытания проводились на технологическом стенде на воздухе при стандартных условиях).
Однониточная ГИС
«Вымпел-500» лег в основу создания концепции однониточной газоизмерительной станции (ГИС), не имеющей мировых аналогов. Суть концепции заключается в уходе от стандартной многониточной схемы и создании ультразвукового измерительного комплекса, встраиваемого в магистральный трубопровод Ду 1000 — Ду 1400. Поверка расходомера производится непосредственно на магистральном трубопроводе с помощью эталона сличения «Вымпел-500» меньшего диаметра, установленного на байпасе.
Основным преимуществом данной концепции является сокращение затрат на капитальное строительство ГИС в 3 раза без ухудшения ее технических характеристик. Начиная с августа 2015 г. однониточная ГИС Ду 1400 успешно проходит опытно-промышленную эксплуатацию на ЛПУ МГ «Донское» филиала «Газпром трансгаз Москва».
В ходе эксплуатации расхождение основного и дублирующего расходомера Ду 1400 не превосходит 0,1%, а расхождение со штатной многониточной ГИС не превышает 0,5%.
Таким образом, отечественная продукция в области ультразвуковой расходометрии газа не только соответствует уровню лучших мировых образцов, но и превосходит их в плане более гибкой адаптации под конкретные технические требования и нужды заказчика. Это оправдывает широкое использование ультразвуковых расходомеров производства НПО «Вымпел» на объектах добычи и транспорта газа по всему миру.

Products
VYMPEL-500
Vympel-500 flow meter The Vympel-500 is a high-precision, ultrasonic multi-meter designed to measure the flow rate and volume of natural gas and other gaseous media. ...
Vympel-100
Vympel 100 The Vympel-100 is a compact ultrasonic metering system designed to measure the gas flow rate and volume. It does not require straight runs up...
HyperFlow-US R ultrasonic metering system
HyperFlow-US R ultrasonic measuring system The «R» version of the HyperFlow-US is an ultrasonic flowmeter that is intended to mea...
HyperFlow downhole flowmeter
HyperFlow downhole flowmeter This HyperFlow gas flowmeter is designed for measuring the flow of natural gas adjusted to standard conditio...
Связаться с нами