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