Ocena przydatności przepływomierzy clamp

Ocena przydatności przepływomierzy clamp-on do detekcji
zaburzeń profilu prędkości
Daniel Wysokiński
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
Stanisław Dagil
Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo SA oddział Centralne Laboratorium Pomiarowo Badawcze
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości metrologicznych przepływomierza typu clamp-on oraz
opracowaną na ich podstawie metodykę detekcji zaburzeń profilu prędkości w istniejących układach pomiarowo-rozliczeniowych.
przedstawiono
Abstract. "Evaluation of the usefulness of clamp-on flow meters for detecting flow profile disorders"
The article presents study on metrological performance of the clamp-on ultrasonic flowmeter and describes developed methodology for disturbances
detection in existing custody transfer metering systems for natural gas.
Słowa kluczowe: przepływomierze ultradźwiękowe, zaburzenia profilu prędkości, układy pomiarowe do gazu ziemnego, ultrasonic flowmeter,
clamp-on, flow profile disturbances detection, metering systems for natural gas
Wstęp
Przepływomierze ultradźwiękowe są obecnie dość
powszechnie stosowane do pomiarów strumienia objętości
gazu. Wraz z postępującym udoskonaleniem tej technologii
stale poszerza się zakres warunków pomiarowych, przy
których możliwe jest osiągnięcie wysokich właściwości
metrologicznych. Obecnie możliwe jest stosowanie tego
typu przepływomierzy do pomiarów gazu nawet przy
średnim ciśnieniu, na rurach o średnicach DN80.
Od kilku lat do pomiarów gazów dostępne są także
przepływomierze ultradźwiękowe typu clamp-on, które w
początkowej fazie rozwoju technologii stosowane były
jedynie do pomiarów mediów o większej gęstości, głównie
cieczy. Urządzenia pozwalają na bezinwazyjny pomiar
strumienia objętości na istniejących rurach stalowych, ich
zamontowanie nie wymaga wstrzymywania przepływu. Od
kilku lat tego typu przepływomierz firmy Flexim, model
FLUXUS G608 był z powodzeniem wykorzystywany do
różnego rodzaju pomiarów technologicznych w Oddziale
GAZ-SYSTEM S.A. w Rembelszczyźnie. Nawet w trudnych
warunkach pomiarowych przyrząd
wykazywał dobre
właściwości metrologiczne i charakteryzował się bardzo
dobrą powtarzalnością pomiarów. Przepływomierz ten
umożliwia pomiar przepływu gazów oraz mieszanin
gazowych o ciśnieniu powyżej 5 barg na rurociągach
stalowych oraz bez ograniczeń ciśnieniowych na
rurociągach z tworzywa, np.PE. Możliwość pracy bateryjnej
ułatwia jego stosowanie jako urządzenia przewoźnego.
Poszukując dodatkowych zastosowań przepływomierza
postanowiono sprawdzić, czy można go również
wykorzystać do detekcji zaburzeń profilu prędkości w
odcinkach dopływowych gazomierzy w istniejących
układach pomiarowo-rozliczeniowych.
Gazomierz wzorcowy z odcinkami
G65 lub G650
1234.56
WENTYLATOR
~400V
t wz
dp wz
SM2
Prosty odcinek dopływowy
lub
t bad
element zakłócający
FLU XU S G 608
impulsy HF
z gazomierza
SM1
dp bad
badany
przepływomierz
RS232
RS485
SM3
t atm
p atm
IPC
Rysunek 1. Schemat stanowiska badawczego w laboratorium
Powietrze zasysane przez wentylator przepływało przez
prosty odcinek dopływowy lub standardowy element
zakłócający, następnie przez odcinek rury wykonany z
plastiku, na którym były zamocowane sondy (głowice)
badanego przepływomierza. Następnie zasysane powietrze
było kierowane przez układ rur i zaworów do odcinka
pomiarowego z gazomierzem wzorcowym. Za gazomierzem
wzorcowym powietrze poprzez zasuwę regulacyjną trafiało
do wentylatora. Zasuwa służyła do precyzyjnego ustawiania
wielkości strumienia przepływającego powietrza. Całość
procesu zbierania danych przebiegała pod nadzorem
specjalistycznego oprogramowania opracowanego na
potrzeby wykonanych badań. W odstępach jedno
sekundowych zbierane były następujące dane: strumień z
badanego przepływomierza, ciśnienie i temperatura
powietrza w pobliżu zamocowania głowic ultradźwiękowych,
temperatura, ciśnienie i impulsy HF gazomierza
wzorcowego,
temperatura
otoczenia
i
ciśnienie
atmosferyczne. Czas rejestracji każdej serii wynosił ponad
512s. Przykładowe wykresy rejestracji strumienia powietrza
z przepływomierza i gazomierza wzorcowego pokazano na
rysunku 2 (bez elementu zakłócającego) oraz 3 i 4, gdzie
elementem zakłócającym było pojedyncze i podwójne
kolanko bez przesłony.
Badania
Przy współpracy z
Centralnym Laboratorium
Pomiarowo-Badawczym O/PGNiG prowadzono badania, w
których wykorzystano posiadany przepływomierz FLUXUS
G608. Głównym celem badań była ocena przydatności
przyrządu do wykrywania zaburzeń profilu prędkości oraz
opracowanie metodyki umożliwiającej wykrywanie takich
zaburzeń. Badania wykonano w laboratorium na
stanowiskach do wzorcowania gazomierzy na rurach
plastikowych przy ciśnieniu atmosferycznym oraz na kilku
stacjach gazowych przy wysokim ciśnieniu gazu.
Stanowisko laboratoryjne przygotowano wg schematu
przedstawionego na rysunku 1.
1
Rysunek 2. Schemat stanowiska i zarejestrowany przebieg zmian
strumienia dla układu „bez zakłóceń”
Badania wskazały, że wielkość fluktuacji strumienia w
przypadku prostego odcinka rury bez elementu
zakłócającego jest niewielka. W przypadku pojedynczego
lub podwójnego kolana wielkość fluktuacji strumienia jest
znacznie większa
.
Rysunek 4. Schemat stanowiska i zarejestrowany przebieg zmian
strumienia dla układu „podwójne kolano”
Do opracowania metodyki wykrywania zaburzeń
przepływu użyto parametru odnoszącego się do odchylenia
standardowego rejestrowanego strumienia objętości
przepływającego gazu, nazywanego na potrzeby pracy
„ssigma”, który jest obliczany wg poniższej zależności:
n
qi
ssigma
(1)
q śr
2
i 1
n 1
gdzie: qi - chwilowa wartość strumienia, qśr - wartość
średnia strumienia, n - liczba pomiarów.
Drugim wyznaczanym parametrem był błąd liczony wg
wzoru:
(2)
e
Qzmierzone Q poprawne
Q poprawne
100 , %;
gdzie: Qzmierzone – średnia wartość odczytu strumienia z
przepływomierza clamp-on, Qpoprawne – średnia wartość
strumienia wskazywanego przez gazomierz wzorcowy lub
gazomierz na stacji.
Parametry dostępne w przepływomierzu FLUXUS G608,
opisujące jakość mierzonego sygnału VARIAMP i
VARITIME oceniono na podstawie doświadczeń jako mniej
przydatne do wykrywania zakłóceń strumienia gazu.
Wzorcowanie przepływomierza w laboratorium
Wstępne
badania
polegały
na
wyznaczeniu
charakterystyki przepływomierza w stabilnych warunkach
laboratoryjnych z długim prostym odcinkiem dopływowym.
Zmierzono średnicę zewnętrzną rury (180,4 mm) oraz
grubość ścianki (10,8 mm) i zgodnie z zaleceniami
producenta
uruchomiono
pomiar.
Otrzymaną
Rysunek 3. Schemat stanowiska i zarejestrowany przebieg zmian
strumienia dla układu „pojedyncze kolano”
2
3
charakterystykę w zakresie strumienia od 30 m /h do 950
3
m /h pokazano na rysunku 4.
strumienia objętości. Nie jest to jedyny sposób, w jaki
grubość ścianki wpływa na wyniki pomiaru. Zależy od niej
także długość ścieżki, dla której obliczana jest prędkość
dźwięku w materiale rury i mierzonym gazie oraz
rozstawienie głowic (odległość pomiędzy głowicami
przepływomierza).
W związku z powyższym, postanowiono w ramach
badań zmierzyć wpływ dokładności pomiaru grubości
ścianki na wskazania przyrządu. Przeprowadzone próby
polegały na celowym wprowadzeniu do konfiguracji
przepływomierza innej, niż zmierzona grubości ścianki rury.
W czasie prób mocowanie głowic oraz pozostałe parametry
konfiguracyjne
nie
ulegały
zmianom.
Próby
przeprowadzono na długim prostym odcinku rury, bez
3
wprowadzania zakłóceń, przy strumieniu 200 m /h.
Porównano wyniki pomiarów grubości ścianki rury stalowej
wykonane metodami tradycyjnymi i głowica ultradźwiękową.
Próby wykonano na kilkunastu rurach o grubości ścianek
od 3 do 50 mm i różnym stanie powierzchni. Maksymalny
błąd wynosił 0,5 mm (dla grubości 47 mm). Stwierdzono, że
błąd grubości ścianki 0,5 mm powoduje błąd pomiaru
strumienia gazu około 1,5%. Błąd średni strumienia
objętości podczas badań wynosił 1,4% wartości.
a)
czujnik
MR (1mm xod1mm)
Rysunek 4. Charakterystyka
przepływomierza
30 do 950 m3/h
Wyniki obarczone są systematycznym błędem dodatnim,
wynoszącym 1,87%, przy dosyć dużym zakresie strumienia.
Po skorygowaniu błędu systematycznego przepływomierz
spełniałby wymagania legalizacyjne dla gazomierzy w
całym przedstawionym zakresie strumieni. Podczas badań
w warunkach
roboczych na stacjach gazowych
wysokiego
c)
b)
ciśnienia różnice pomiarów strumienia otrzymanych z
przepływomierza
clamp-on i gazomierza ze stacji też nie
5
przekraczały 3 % pod warunkiem, że przepływomierz był
zamontowany na długim prostym odcinku rury.
Producent przepływomierza deklaruje, że dokładność
pomiaru wynosi ±(1-3)% odczytu, co potwierdzają
otrzymane wyniki. Powtarzalność i odtwarzalność
charakterystyki była dobra. Przepływomierz wykonuje też
pomiary strumieni kilkukrotnie mniejszych niż podane na
wykresie, ale jego błąd może wtedy przekraczać 5%, a
wskazania nie są powtarzalne. Przyczyna braku
powtarzalności pomiaru jest związana prawdopodobnie z
przechodzeniem
przepływu
z
turbulentnego
do
laminarnego. W prowadzonych badaniach dla strumienia 30
3
m /h liczba Reynoldsa miała wartość około 5000, co
stanowi w przybliżeniu granicę pomiędzy przepływem
turbulentnym i laminarnym. Poniżej tej granicy komputer
przepływomierza powinien stosować inne algorytmy
obliczeń czego prawdopodobnie nie czyni, dlatego
zaobserwowano wzrost błędu do około 5%.
3
Pomiar był też możliwy powyżej strumienia 950 m /h,
3
nawet do 2000m /h, ale zaobserwowano wtedy wzrost
3
błędu do wartości poniżej -5%. Powyżej 950 m /h
przepływomierz nie wykonuje poprawnie wszystkich
pomiarów (rejestrowanych co 1 sekundę), co jest
sygnalizowane
przez
urządzenie,
a
w
miejsce
niewykonanego pomiaru jest wpisywane zero. Należy
podkreślić, że pomiary poprawnie wykonane miały wartość
bliską wartości referencyjnej. W tym przypadku przyczyną
jest prawdopodobnie zbyt wolne, w stosunku do
zachodzącego procesu, działanie elektroniki urządzenia.
Określenie możliwości zastosowania przepływomierza
clamp-on do wykrywania zakłóceń profilu prędkości
gazu
Dotychczas nie istniały metody zmierzenia lub nawet
przybliżonego oszacowania wielkości zakłóceń profilu
prędkości
płynącego
gazu.
Jedynie
gazomierze
ultradźwiękowe wielościeżkowe mają pewne funkcje oceny
wielkości zakłóceń ograniczone do miejsca zamontowania.
Przepływomierz clamp-on, ze względu na możliwość
łatwego przenoszenia oraz zewnętrznego mocowania daje
większe możliwości w tym kierunku. Jego ograniczenie
polega jednak na tym, że ścieżka ultradźwiękowa zawsze
przechodzi przez środek przekroju rury, co teoretycznie
uniemożliwia wykrywanie zakłóceń osiowosymetrycznych.
W dalszych badaniach do oszacowania zakłócenia profilu
prędkości gazu postanowiono wykonywać pomiary przy
różnych położeniach pary głowic. Na rysunku 5 pokazano
zastosowane położenia kątowe głowic podczas pomiarów
oraz sposób ich opisywania.
Rysunek 5. Położenia kątowe głowic.
Próby wykonano dla następujących elementów
zakłócających umieszczonych w różnych odległościach
przed przepływomierzem clamp-on:
długiego prostego odcinka rury,
pojedynczego kolanka,
podwójnego kolanka.
Wyniki wybranych prób pokazano na rysunkach 6 i 7, przy
użyciu współrzędnych biegunowych. Na pierwszym
wykresie w serii umieszczono wartość błędu wskazań e.
Pierścień w kolorze zielonym na wykresie wskazuje wartość
błędu e przy braku zakłóceń w rurze. Jest to przedział
ustalony na podstawie badań z prostym odcinkiem rury, w
jakim powinna zmieścić się wartość błędu pomiaru
przepływomierza clamp-on dla strumienia niezaburzonego z
Doświadczalne oszacowanie wpływu błędu grubości
ścianki na dokładność pomiarów
W przepływomierzach typu clamp-on do sterownika
wprowadzana jest średnica zewnętrzna rury oraz grubość
jej ścianki. Na tej podstawie urządzenie wylicza średnicę
wewnętrzną rury i pole przekroju rury.
Testowany przepływomierz jest wyposażony w
dodatkową głowicę ultradźwiękową służącą tylko do
pomiaru grubości ścianki rury. Urządzenie mierzy średnią
prędkość gazu w rurze, a strumień oblicza poprzez
pomnożenie średniej prędkości przez przekrój. Wynika stąd
bezpośredni wpływ grubości ścianki rury na pomiar
3
uwzględnieniem powtarzalności i odtwarzalności. Na
drugim
wykresie
pokazano
wartości
odchylenia
standardowego strumienia ssigma. Pierścień w kolorze
zielonym na wykresie zaznaczono obszar, w którym
powinien znaleźć się wykres ssigma. przypadku braku
zakłóceń.
Rysunek 7a. Rozkład błędu pomiaru e, w zależności od kąta
mocowania głowic względem elementu zakłócającego. Zakłócenie
od podwójnego kolanka, odległość 10DN, strumień 200 m3/h (16
położeń kątowych).
Rysunek 6a. Rozkład błędu pomiaru e, w zależności od kąta
położenia głowic względem elementu zakłócającego. Zakłócenie od
jednego kolanka, odległość 10DN, strumień 200 m3/h
Rysunek 6. Rozkład parametru ssigma, w zależności od kąta
położenia głowic względem elementu zakłócającego. Zakłócenie od
pojedyńczego kolanka, odległość 10DN, strumień 200 m3/h (8
położeń kątowych).
Rysunek 7. Rozkład parametru „ssigma”, w zależności od kąta
mocowania głowic względem elementu zakłócającego. Zakłócenie
od podwójnego kolanka, odległość 10DN, strumień 200 m3/h (16
położeń kątowych).
4
Zauważono że wykresy otrzymane dla przypadków z
zakłóconym profilem różnią się od „bez zakłóceń” tym, że:
a)
Linia błędu e ma kształt odbiegający od
„okrągłego”
i/lub jest przesunięta względem
środka wykresu.
b)
Wartości ssigma i ssigma/Q dla przebiegu
zakłóconego są większe niż dla przebiegu
niezakłóconego, ich oceny można dokonać na
podstawie wykresu z rysunku 8.
c)
W przypadku bardzo silnych zakłóceń przestaje
być kołowo symetryczny (na wykresie nie mieści
się w niebieskim pierścieniu).
Na podstawie wielu pomiarów laboratoryjnych dla głowic
umieszczonych
w odległości
10D
od
elementu
zakłócającego wykonano zestawienie wartości parametru
ssigma podzielonego przez średni strumień, Rysunek 8.
Dzielenie wykonano w celu uzyskania wartości
niemianowanej.
Rysunek 9. Wyniki obliczeń
ssigma/Q(Q) z pomiarów
laboratoryjnych i wykonanych na wytypowanej SG nałożone na
przewidywane obszary zakłóceń.
W celu weryfikacji możliwości przepływomierza w
oparciu o metodologię opracowaną podczas badań
laboratoryjnych, wykonano również pomiary na rzeczywistej
stacji pomiarowej. Schemat konfiguracji pomiarowej
przedstawiono na Rysunku 10. Pomiary wykonano w
dwóch przekrojach odcinka dopływowego gazomierza
ultradźwiękowego, oznaczonych p1 i p2.
Rysunek 8 Zależności ssigma/Q(Q) użyte do sporządzenia
wykresu wzorcowego 9.
W wyniku analiz dokonanych na zgromadzonej znacznej
ilości danych pomiarowych opracowano wykres obrazujący
występowanie przewidywanych obszarów zakłóceń,
Rysunek 9. Zauważono przy tym, że zaburzenia przepływu
gazu generowane przez elementy instalacji układów
pomiarowych można podzielić zasadniczo na dwie grupy:
zaburzenia związane ze zmienną intensywnością
turbulencji - powodują niestabilność wskazań
przepływomierza clamp-on; miarą wielkości tego
rodzaju zaburzeń jest stosunek opisanego
parametru ssigma do średniej wartości strumienia
ssigma/Qśr,
zaburzenia rozkładu średnich wartości prędkości,
(inaczej zaburzenia profilu) - są to zaburzenia
wynikające z zakłóconego, niesymetrycznego
względem osi rury rozkładu średnich prędkości
cząsteczek gazu;, czego efektem jest różna
wartość błędu e [%] dla pomiarów wykonanych
przy
różnych położeniach kątowych głowic
przepływomierza clamp-on.
Rysunek 10. Miejsca pomiaru na stacji gazowej za kolankiem,
przed tulejami termometrycznymi (p1) oraz bezpośrednio za
tulejami (p2).
Rysunek 11a. Błąd w zależności od położenia kątowego (p1)
5
Rysunek
ssigma w zależności od położenia
a) 11b. Parametr czujnik
MR (1mm x 1mm)
kątowego (p1)
Rysunek 13.
laboratorium
Graficzna
ilustracja
miejsc
pomiarowych
w
Rysunek 14. Wyniki pomiarów wzdłuż osi w laboratorium
wartości e i ssigma/Q na wspólnym wykresie
–
Dla przekroju p1 wykres błędu ma kształt foremnego
wielokąta, którego środek jest wyraźnie odsunięty od
środka współrzędnych. Podobne kształty otrzymywano
podczas pomiarów wykonanych w laboratorium, gdy
elementem zakłócającym było pojedyncze kolanko. Dla
przekroju
znajdującego
się
tulejami
c) za
b) p2
termometrycznymi wykres błędu jest zdeformowany. Kształt
wykresu parametru ssigma dla przekroju p1 i p2 jest
5
3
podobny, Rysunek 11b. Wartość ssigma wynosi 36,66 m /h
3
dla p1 i 25 m /h dla p2.
Charakter zależności odchyłki e jest różny dla pomiarów
na wytypowanej stacji pomiarowej i w laboratorium. Dla
parametru ssigma/Q charakter zależności jest jednak
podobny.
Wartość ta konsekwentnie maleje wraz z
oddalaniem się miejsca wykonania pomiaru od elementu
zakłócającego. Widać chwilowe zaburzenie malejącego
przebiegu ssigma/Q w miejscu pierwszego pomiaru za
tulejami termometrycznymi, Rysunek 15. Ze względu na
niemożność
osiągnięcia
na
wytypowanej
stacji
odpowiedniej jakość odbitego sygnału ultradźwiękowego
dla poz.5, brak jest wartości z tego miejsca. Intuicyjna
interpolacja przebiegu sugeruje jednak wynik oznaczony na
wykresie punktem zielonym.
Rysunek 12. Błąd w zależności od położenia kątowego, (p2)
Spadek wartości ssigma i ssigma/Q wraz ze
zwiększaniem się odległości od elementu zakłócającego
jakim jest kolanko zaobserwowane zostało zarówno
podczas testów w laboratorium, jak i na stacji gazowej.
Konfigurację punktów pomiarowych w laboratorium
przedstawia Rysunek 13. Wyniki wykazały, że istnieje
wyraźnie widoczna zależność odchyłki e oraz parametru
ssigma/Q od odległości miejsca pomiaru od elementu
zakłócającego, patrz Rysunek 14.
Rysunek 15 Wyniki pomiarów wzdłuż osi dla wytypowanej stacji
pomiarowej – wartość i ssigma/Q po interpolacji w poz. 5
6
Taki przebieg wykresu pozwala wnioskować, że jeśli
szum (ssigma) generowany przez zakłócenie duże (np.
kolanko) jest znacznie większy od szumu generowanego
przez niepożądany element w odcinku dolotowym
gazomierza, to robiąc pomiary przy jednym położeniu
kątowym głowic i przesuwając je wzdłuż osi, można wykryć
taki obiekt.
Wartość ssigma/Q generalnie maleje ze wzrostem
odległości od „dużego zakłócenia”, ale jej wahania są
wykrywalne. Mały element może powodować niewielkie,
ale widoczne zaburzenie w trendzie malejącym, sugerujące
istnienie nawet niewielkiego nieznanego obiektu.
Podsumowanie
Przeprowadzone
badania
wykazały,
że
przepływomierze typu clamp-on mogą służyć do oceny
wielkości zaburzeń profilu prędkości w istniejących
układach
pomiarowo-rozliczeniowych.
Opracowana
metodyka
pozwala na wykrycie występujących przed
gazomierzami niepożądanych obiektów, np. nieprawidłowo
zamontowanych uszczelek, zabrudzeń o większych
wymiarach, czy innych stałych elementów zakłócających.
Pozwala ona również oszacować wielkość występujących
zaburzeń.
Tego typu analizy mogą być wykonywane na przykład w
przypadkach rozbieżnych wyników pomiarowych lub
bilansowych, gdy zatrzymanie lub odgazowanie budzącego
wątpliwości układu pomiarowego jest niemożliwe lub
wymaga dużych nakładów, np. związanych ze zmianami
kierunków zasilania w sieci gazowej.
Literatura i autorzy
[1] Technical Specification FLUXUS® G608**-A2;
[2] User Manual - Ultrasonic Flowmeter for Gas FLUXUS® G601,
G608;
[3] Terrence A. Grimley “Clamp-on Ultrasonic Meters As Diagnostic
Tools - Measuring Distorted Flow Profiles”, Southwest
Research Institute San Antonio, Pipeline & Gas Journal, July
2010 Vol. 237 No. 7
7