Mobilne stanowisko wzorcowania gazomierzy
Transkrypt
Mobilne stanowisko wzorcowania gazomierzy
Mobilne stanowisko wzorcowania gazomierzy Paweł Szufleński Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A. Streszczenie: Przeanalizowano metody i systemy umożliwiające wykrywanie zaburzeń przepływu i anomalii pracy gazomierzy w układach pomiarowych gazu ziemnego. Przedstawiono koncepcję wzorcowania gazomierzy za pomocą mobilnego stanowiska wzorcowania opartego o przewoźne wzorce strumienia objętości. Przedstawione rozwiązanie stanowiłoby poszerzenie oferty obecnie budowanego Laboratoriom Wzorcowania Gazomierzy w Hołowczycach i byłoby kolejnym krokiem w poprawie dokładności w rozliczeniach. Abstract: The methods and systems for the detection of flow disturbances and anomalies of gas meters in the natural gas measuring systems have been analyzed. The concept of gas meters calibration using a mobile calibration facility with travelling standards have been presented. The solution presented would be the extension of the offer of the Gas Meters Calibration Laboratory in Hołowczyce, which is currently under construction. It would be another step in improving the billing accuracy. (Mobile gas meters calibration facility) Słowa kluczowe: gazomierz, kalibracja na obiekcie, diagnostyka Keywords: gas meter, on-site calibration, diagnostics Wstęp Zapewnienie wysokiej dokładności wskazań przyrządów pomiarowych, wymaga przeprowadzania okresowej weryfikacji ich wskazań i wzorcowania na specjalnie przygotowanych stanowiskach. Podczas wzorcowania porównywane są wskazania danego przyrządu pomiarowego z wzorcem wyższego rzędu mierzonej wielkości. W przypadku gazomierzy takie wzorcowanie może zostać wykonane na stanowisku laboratoryjnym, na którym możliwe jest zadanie określonych parametrów przepływu. W Polsce obecnie istnieje możliwość wzorcowania gazomierzy jedynie powietrzem przy ciśnieniu atmosferycznym. Powstające obecnie w Hołowczycach laboratorium umożliwi wzorcowanie gazomierzy również gazem ziemnym przy wysokim ciśnieniu [1]. Należy mieć jednak na uwadze, że warunki panujące na stanowisku wzorcującym, znajdującym się w specjalnie do tego celu przygotowanym laboratorium mogą nie odzwierciedlać warunków instalacyjnych gazomierzy na docelowych obiektach. Zagadnienie to było również prezentowane na konferencji TOp – Gaz [2,3]. Wskazano między innymi, że wzrost niepewności pomiaru w skutek przeniesienia urządzeń z warunków odniesienia (laboratoryjnych) do warunków pracy na obiekcie gazowym może kształtować się na poziomie 0,5 % wartości mierzonej [2,4]. W celu potwierdzenia, że wskazania i charakterystyki gazomierzy wywzorcowanych w laboratorium nie uległy zmianie po zainstalowaniu na docelowym obiekcie, jak również w celu okresowego sprawdzenia właściwości metrologicznych gazomierza pomiędzy kolejnymi wzorcowniami w laboratorium, można przeprowadzić weryfikację wskazań gazomierza na danym obiekcie w rzeczywistych warunkach pracy za pomocą systemów diagnostyki gazomierzy lub za pomocą przewoźnego wzorca strumienia objętości. Zastosowanie metody wzorcowania za pomocą przewoźnego wzorca może charakteryzować się większą niepewnością niż wzorcowanie w laboratorium. Przewagą tego typu wzorcowania jest jednak brak konieczności demontażu i transportu gazomierzy do laboratorium. Ponadto tego typu weryfikacja umożliwia sprawdzenie całego układu pomiarowego, a nie tylko gazomierza i tym samym może stanowić kolejny krok w zwiększeniu dokładności rozliczeń z klientami. Kontrola pracy gazomierzy na obiekcie Instalacje pomiarowe projektuje się tak, aby w odcinku dolotowym do gazomierza osiągnąć przepływ zbliżony do przepływu w pełni rozwiniętego (fully developed flow). W rzeczywistości mogą jednak występować pewne zniekształcenia profilu prędkości oraz zawirowania wynikające z konfiguracji układów dolotowych, zanieczyszczeń w odcinkach dolotowych, czy też błędów montażowych. W trakcie pracy układu pomiarowego, pomiędzy kolejnymi wzorcowaniami, może również następować zmiana charakterystyki wskazań gazomierza wynikająca np.: ze zużywania się poszczególnych elementów gazomierza, osadzania zanieczyszczeń znajdujących się w płynącym gazie lub wynikająca z trudno identyfikowalnego uszkodzenia gazomierza. Istnieje kilka metod umożliwiających weryfikację poprawności pracy gazomierza w miejscu jego instalacji. Ich zastosowanie zależy od konfiguracji układu pomiarowego i rodzaju samego gazomierza. Autodiagnostyka gazomierzy ultradźwiękowych i Coriolisa W przypadku wielościeżkowych gazomierzy ultradźwiękowych mamy możliwość wykorzystania rozbudowanego oprogramowania diagnostycznego gazomierza. Zaimplementowane algorytmy na podstawie wykonywanych pomiarów i obliczeń umożliwiają określenie m.in. zniekształceń profilu prędkości, wielkości zawirowań, nieprawidłową pracę samego gazomierza. Czynniki te mają istotny wpływ na dokładność wskazań gazomierzy. Jednym z ważniejszych pomiarów wykorzystywanych podczas diagnostyki gazomierza ultradźwiękowego jest wartość zmierzonej prędkości dźwięku, która porównywana jest z określoną teoretycznie prędkością dźwięku w danym ośrodku. Porównywane są również czasy przejścia impulsów ultradźwiękowych dla poszczególnych ścieżek ultradźwiękowych. Uwzględniana jest również wartość wzmocnienia sygnału na poszczególnych ścieżkach pomiarowych wynikająca ze stosunku mocy sygnału pomiarowego do mocy zakłóceń (szumów). Na podstawie powyższych danych zaimplementowane algorytmy mogą określić przybliżony kształt profilu prędkości lub zidentyfikować stany awaryjnej pracy gazomierza. Podobnie jak gazomierze ultradźwiękowe, również gazomierze Coriolisa posiadają funkcje diagnostyczne pozwalające m.in. na detekcję osadów, ocenę stopnia korozji lub mechanicznego wytarcia rur pomiarowych [5]. Diagnostyka gazomierzy turbinowych W przypadku gazomierzy turbinowych rozwiązaniem jest zastosowanie systemu diagnostycznego producenta przepływomierzy, które jest w stanie wykryć anomalie w pracy urządzeń. Oferowane są systemy weryfikujące prace gazomierza na podstawie analizowania sygnałów wytwarzanych w wyniku przejścia łopatki turbiny przez „detektor”, którym głównie jest przetwornik HF [6,7]. Na rys. 1 przedstawiono przykładowy wynik analizy gazomierza turbinowego przy wykorzystaniu analizy sygnału HF, wskazujący na wadliwe funkcjonowanie przepływomierza. Źródło: GAZ-SYSTEM S.A. Rys. 2 Badanie zaburzeń strumienia objętości na stacji gazowej wysokiego ciśnienia. Ograniczeniem stosowania gazomierzy clamp-on na części stacji gazowych jest brak odpowiednio długich prostych odcinków rurociągów umożliwiających zainstalowanie przepływomierza. Badanie przeprowadzone na zlecenie GAZ-SYSTEM wskazują, również, że w przypadku bardzo dużych zaburzeń przepływomierze przestają rejestrować dane. Źródło: Diagnostic for inline turbine gas meters, Elster-Instromet Profiles 2/2007 [5] Rys. 1. Przykładowy wynik analizy gazomierza turbinowego wykonany systemem diagnostycznym Analiza opiera się na wykonywaniu m.in. szybkiej transformaty Fouriera (fast Fourier transform, FFT) sygnału HF na początku użytkowania gazomierza i porównania wyników z analizą wykonaną w późniejszym okresie eksploatacji. W wyniku analizy można stwierdzić m.in. uszkodzenia mechaniczne gazomierzy, zaburzenia przepływu takie jak zniekształcenie profilu prędkości czy też pulsacje. Świadczy o tym pojawianie się dodatkowych harmonicznych w analizowanym sygnale. Przeszkodą w szerszym zastosowaniu systemów diagnostycznych opierających się analizie sygnałów HF jest konieczność posiadania i przechowywania charakterystyki pracy gazomierza w trakcie pierwszego wzorcowania urządzenia, tak aby stanowiła ona punkt odniesienia w przypadku kolejnych sprawdzeń. Analiza gazomierza konkretnego producenta wymaga zastosowania odpowiedniego urządzenia diagnostycznego oferowanego przez danego producenta. Nie wszyscy producenci gazomierzy turbinowych tego typu systemy oferują. Metody diagnostyczne pozwalają jedynie sprawdzić, czy praca gazomierza jest prawidłowa, nie pozwalają jednak na weryfikację jego wskazań i określenie błędu pomiaru. Weryfikację wskazań można wykonać tylko poprzez porównanie wyników pomiarów z innym gazomierzem przewoźnymi, wywzorcowanym w warunkach zbliżonych do warunków roboczych. Metody sprawdzenia gazomierzy/układów pomiarowych na obiekcie za pomocą wzorca przewoźnego (mobilne stanowisko wzorcowania gazomierzy) Innym podejściem, wymagającym jednak większych nakładów finansowych i organizacyjnych jest weryfikacja wskazań gazomierzy na obiekcie (on-site) za pomocą przewoźnego układu pomiarowego, który podłączany byłby w szereg z układem pracującym na stacji [10,11]. Tego typu wzorcowanie na obiekcie przewiduje między innymi norma PN-ISO 17089-1 [12]. Przykład zastosowania tego typu rozwiązania przedstawiono na rys. 3. Clamp-on Innym podejściem do diagnostyki układów pomiarowych w tym weryfikacji wskazań gazomierzy może być zastosowanie gazomierzy typu clamp-on. Na podstawie wykonywania bezinwazyjnych pomiarów przy różnych położeniach i konfiguracji względem gazociągu sond pomiarowych gazomierza clamp-on istnieje możliwość określenia m.in. stopnia zaburzeń strumienia objętości [8,9]. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy sposób montażu i wykonywania sprawdzenia warunków przepływu w odcinku dolotowym gazomierza na stacji gazowej przy użyciu tego typu przepływomierza. Źródło: E. B. Bowles, J.N. Witte, A. Hawley, In-situ (on-site) gas meter proving [10] Rys. 3 Sprawdzanie układu pomiarowego za pomocą przewoźnego stanowiska sprawdzającego. Wzorcowanie on-site polega na porównywaniu wskazań pomiędzy gazomierzem badanym, a wzorcowym dla ciśnienia roboczego występującego w układzie pomiarowych i dla jednego lub kilku wartości strumienia objętości w zależności od możliwości regulacyjnych stacji gazowej. W trakcie porównywania należy uwzględnić charakterystyki zarówno gazomierza badanego jak i wzorca przewoźnego z uwzględnieniem ich niepewności. Zasady wykonywania wzorcowania gazomierzy na obiekcie szczegółowo opisuje norma AGA Report no. 6 [13]. Sprawdzenie on-site pozwala na określenie całkowitych błędów układu pomiarowego, w tym błędów wynikających z czynników instalacyjnych. Jeżeli charakterystyki gazomierza badanego i wzorca przewoźnego są wyznaczone, z określoną niepewnością, w stosunku do wzorca wyższego rzędu, to można na postawie wzorcowania wykonanego na obiekcie określić również błąd związany z efektem instalacji. Sprawdzeniom powinny podlegać głównie układy charakteryzujące się dużymi przepływami typu U2 i U3, dla których błędne wskazania gazomierzy przekładałyby się na znaczące błędy rozliczenia z klientami. W przypadku tych układów kilka gazomierzy roboczych może być wzorcowanych przy użyciu tego samego przyłącza do mobilnego stanowiska wzorcującego. Na rys. 4 przedstawiono liczbę układów pomiarowych należących do GAZ-SYSTEM. Z przedstawionego zestawienia wynika, że sam GAZ-SYSTEM posiada ponad 300 układów pomiarowych U2 i U3, które potencjalnie mogłyby być sprawdzane powyższą metodą. Rys. 4 Zestawienie GAZ-SYSTEM S.A. układów pomiarowych należących do W przypadku budowy mobilnego stanowiska wzorcującego w pierwszej kolejności należy przeanalizować i wybrać typ gazomierza, który stanowiłby przewoźny wzorzec strumienia objętości. Błąd wzorca może ulegać zmianie w wyniku samego przeniesienia gazomierza z warunków laboratoryjnych do polowych, dlatego jako wzorce należy stosować gazomierze odporne na tego typu czynnik. Wzorzec może również ulec uszkodzeniu podczas transportu, dlatego należy kontrolować jego wskazania na stanowisku laboratoryjnym. Ze względu na niepewności wyników pomiarów najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie wzorca pierwotnego, np. tłokowego. Niemniej jednak jego wykonanie, utrzymanie oraz metody zabezpieczenia w transporcie byłyby bardzo kosztowne. Minusem takiego wzorca jest również mała zakresowość. Prostszym i tańszym sposobem jest wybór odpowiedniego typu gazomierza, wzorca wtórnego. Najlepsze rezultaty można osiągnąć, gdy jest on wywzorcowany w tym samym laboratorium, w którym wzorcowane są gazomierze pracujące na badanym obiekcie. W takim przypadku unika się dodatkowych niepewności związanych z specyfiką laboratorium (wyniki wzorcowań gazomierzy mogą być różne w określonym przedziale na różnych stanowiskach). W Tabeli 1 przedstawiono gazomierze, które potencjalnie mogłyby zostać użyte jako przewoźne wzorce strumienia objętości. Tabela 1. Zestawienie typów gazomierzy mogących służyć jako wzorce Wielkość Podatność Rodzaj Strata Zakres porówny na efekty gazomierza ciśnienia regulacji -wana instalacyjne Turbinowy mała Re/qv Średnie Średni Rotorowy mała Re/qv Minimalne Szeroki Ultradźwiękowy mała Re/qv Tak Szeroki Zwężkowy średnia Re Tak Wąski Dysza krytyczna znacząca Re Minimalne Stały Coriolis zmienne qm Mała Szeroki Na etapie wyboru wzorca jednym z podstawowych czynników, który należy uwzględnić jest podatność danego typu gazomierza na efekty instalacyjne. W związku powyższym należały odrzucić z dalszych analiz gazomierze zwężkowe i ultradźwiękowe. Następnie należy uwzględnić możliwości pracy w szerokim zakresie strumieni objętości. W przypadku zastosowania dysz krytycznych konieczne byłoby zbudowanie układu opierającego się na zestawie tego typu przepływomierzy tak, aby zapewnić jak najszerszy zakres pomiarowy o odpowiedniej rozdzielczości. Natomiast w przypadku gazomierzy rotorowych, które nie mają dużych wymagań co do odcinków dolotowych i wylotowych i nie są podatne na efekty instalacyjne, krytycznym czynnikiem jest 3 maksymalny strumień objętości (650 – 1000 m /h), który ogranicza możliwość stosowania wzorca dla dużych układów pomiarowych. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie gazomierzy Coriolisa lub turbinowego z prostownicami strumienia i odpowiednio długimi odcinkami dolotowymi. Gazomierze Coriolisa tak jak gazomierze rotorowe nie wymagają długich, prostych odcinków dolotowych i wylotowych, ich podatność na efekty instalacyjne jest bardzo mała oraz charakteryzują się dużą zakresowością. W przypadku ich zastosowania niezbędny jest jednak pomiar składu gazu w punkcie dokonywania sprawdzenia niezbędnego do określania gęstości mierzonego gazu a tym samym wyznaczenia strumienia objętości z zmierzonej przez gazomierz Coriolisa wartości strumienia masy. Gazomierze turbinowe mają nieco węższe zakresy pomiarowe oraz są bardziej podatne na uszkodzenia mechaniczne. Aby umożliwić wzorcowania w szerszym zakresie strumieni objętości prawdopodobnie należałoby zastosować więcej niż jeden gazomierz turbinowy. Konieczność zastosowania odcinków dolotowych może powodować zwiększenie gabarytów całego mobilnego stanowiska. Zastosowanie mobilnego układu sprawdzającego niezależnie od zastosowanego typu wzorca wymaga odpowiedniego przystosowania układów pomiarowych do podłączenia tego typu instalacji. Na rys. 5 przedstawiono przykładowy sposób „wpięcia” wzorca w układ pomiarowy U3 znajdujący się na stacji gazowej. jako kolejny etap w poprawie dokładności w rozliczeniach transportowanego gazu. Byłaby to najprawdopodobniej pierwsza tego typu usługa świadczona w Europie. Stosowanie mobilnego stanowiska sprawdzającego wymaga, aby podczas projektowania nowych dużych układów pomiarowych gazu ziemnego lub modernizacji obecnie pracujących zastosować rozwiązania umożliwiające w przyszłości podłączenia tego typu układu sprawdzającego. LITERATURA Rys.5. Podłączenie wzorca w układ pomiarowy U3 znajdujący się na stacji gazowej. Konieczne jest wyposażenie układów pomiarowych w dodatkowe zawory oraz trójniki zlokalizowane za badanymi gazomierzami oraz na układzie wylotowym stacji, które za pomocą elastycznych węży umożliwiałyby podłączenie wzorca przewoźnego. Do regulacji strumienia można wykorzystać istniejące na stacji układy regulacji strumienia. W przypadku układów U2 podłączenie może być realizowane w miejscu jednego z dwóch pracujących w szeregu gazomierzy, bez konieczności zabudowy dodatkowych trójników przyłączeniowych. [1] E. Dyakowska, T. Jakubiak Laboratorium wzorcowania gazomierzy przy ciśneniu roboczym, Materiały Konferencyjne TOp-Gaz 2013 „Technika opomiarowania gazu dziś i jutro” [2] B. Szutowski, Diagnostyczne i korekcyjne możliwości gazomierzy ultradźwiękowych, Materiały Konferencyjne TOpGaz 2013 „Technika opomiarowania gazu dziś i jutro” [3] P. Łuczak, Gazomierze ultradźwiękowe – optymalizacja doboru wymagań technicznych, Materiały Konferencyjne TOp-Gaz 2013 „Technika opomiarowania gazu dziś i jutro” [4] T. Grimley, Ultrasonic Meter Installation Configuration testing, Southwest Research Institute, AGA conference, Denver 2000 [5] Przepływomierze Coriolisa w rozliczeniowych pomiarach przepływu cieczy i gazów - najwyższa dokładność i stabilność długoterminowa, Automatyka B2B, maj 2010, http://automatykab2b.pl/prezentacja-artykul/3031przepywomierze-coriolisa-w-rozliczeniowych-pomiarachprzepywu-cieczy-i-gazow-najwysza-dokadno-i-stabilnodugoterminowa [6] Diagnostic for inline turbine gas meters, Elster-Instromet Profiles 2/2007,http://docuthek.kromschroeder.com/documents/downl oad.php?lang=fr&doc=19396 [7] Smith MeterTM AccuLERT II ID-2000 Installation/Operation, FMC Technologies Bulletin MN02008 [8] L. van Luijk, H. Riezebos In-situ flow verification by means of US clamp-on technology, Results of several tests and field applications of US clamp-on meters, US & Coriolis metering workshop, Lisbon, Portugal 2014 [9] P. Szufleński, D. Wysokiński Zastosowanie przepływomierzy typu clamp-on nie tylko do pomiarów strumienia objętości gazu, Konferencja Naukowo – techniczna, Muszyna, Forgaz 2014. Podsumowanie Zastosowanie weryfikacji wskazań gazomierzy na obiekcie za pomocą mobilnego układu sprawdzającego/ wzorcującego byłoby uzupełnieniem do obecnie proponowanych metod diagnostycznych układów pomiarowych oraz wzorcowania gazomierzy w laboratorium. Wpłynęłoby na poprawę nadzoru metrologicznego nad układami pomiarowymi oraz przyczyniłoby się do poprawy dokładności rozliczeń w systemie gazowym. Wykonywanie okresowych wzorcowań układów pomiarowych on-site umożliwiłoby rzetelną i pełną weryfikację poprawności wskazań układów pomiarowych oraz śledzenie zmian charakterystyki gazomierzy. W konsekwencji mogłoby to pozwolić na wydłużenie czasookresu pomiędzy wzorcowaniem w zewnętrznym laboratorium. Okresowa weryfikacja gazomierzy na obiekcie mogłaby w dłużej perspektywie czasowej być podstawą do wprowadzenia spójnego systemu weryfikacji/oceny gazomierzy. System taki w zależności od wyników statystycznych dla danego typu gazomierzy, mógłby racjonalne, a nie arbitralnie określać precyzyjny czas pomiędzy wzorcowaniami gazomierzy w zewnętrznym laboratorium. Umożliwiłoby to zmniejszenie i optymalizację kosztów związanych z eksploatacją układów pomiarowych. Oczywiście takie działania musiałyby być usankcjonowane przez polskie prawo, w szczególności wymagania dotyczące legalizacji gazomierzy. Mobilne stanowisko może służyć jako narzędzie do realizacji prac badawczych w zakresie konstrukcji układów pomiarowych, zwłaszcza konfiguracji układów dolotowych. Przedstawione rozwiązanie mogłoby również stanowić rozszerzenie usług, jakie w najbliższym czasie będzie świadczyło Laboratorium Wzorcowania Gazomierzy w Hołowczycach. Klient laboratorium oprócz wyników wzorcowania gazomierzy na stanowisku miałby możliwość sprawdzenia poprawności pracy gazomierza na obiekcie [10] E. B. Bowles, J.N. Witte, A. Hawley, In-situ (on-site) gas meter proving, 74th International School of Hydrocarbon Measurement, Tulsa, Oklahoma, May 25-27, 1999 [11] D. J. Rudroff, Onsite proving of gas http://asgmt.com/wp-content/uploads/pdfdocs/2011/1/M30.pdf flow meters, [12] PN-ISO 17089-1 Pomiar przepływu płynu w przewodach zamkniętych, Gazomierze ultradźwiękowe Część 1: Gazomierze do pomiarów rozliczeniowych i bilansowy [13] AGA Report No. 6 Field Proving of Gas Meters Using Transfer methods, Transmission Measurement Committee, American Gas Association, March 2013