Techniky a technológie
Martin KURTH, Petr KOMP*
Vliv instalačních a provozních
podmínek na měření průtoku
vysokotlakého zemního plynu
ultrazvukovými průtokoměry
U
ltrazvukové průtokoměry se v posledních letech staly běžnou alternativou při volbě měřidla protečeného množství plynu v plynárenství, teplárenství nebo při výrobě elektrické energie v kogeneračních nebo paroplynových elektrárnách. Většina významných
výrobců měřicí techniky je v rámci portfolia svých produktů schopna nabídnout
sofistikované řešení měření průtoku plynného média založené na použití ultrazvukové technologie. V oblasti plynárenství,
na které v tomto článku bude zaměřena
pozornost, se ultrazvukové průtokoměry
společně s hmotnostními průtokoměry
pracujícími na principu Coriolisových sil
stávají jednou z alternativ k tradičním clonovým nebo turbínovým průtokoměrům.
Při hodnocení jejich přínosu však nelze
automaticky a paušálně definovat výhody jejich použití, porovnání je třeba vždy
činit ke konkrétnímu druhu průtokoměru
respektive měřicímu principu.
Přesto však nelze nevidět u ultrazvukových průtokoměrů dvě významné vlastnosti, a to nízkou (v podstatě zanedbatelnou) tlakovou ztrátu a absenci jakýchkoliv vnitřních pohybujících se dílů nebo
částí, které by mohly podléhat opotřebení v závislosti na době provozu. Tuto zřej-
mou výhodu doplňují i důležitý kvalitativní parametr v podobě deklarované vysoké přesnosti měření a také relativně vstřícné instalační podmínky v podobě délek
přímých úseků potrubí před a za tělesem
ultrazvukového průtokoměru potřebných
pro vytvoření odpovídajícího rychlostního profilu proudění. Vzhledem k tomu, že
se současně jedná i o technologii využívající moderních diagnostických prostředků
pro sledování reálných parametrů průtoku plynu včetně možností monitorování
stavu povrchu potrubí a senzorů (znečištění), je zřejmé, že tato měřidla se stanou nedílnou součástí současných a budoucích aplikací měření průtoku respektive protečeného množství plynů.
Technické a metrologické parametry
ultrazvukových průtokoměrů
Technické požadavky na ultrazvukové
průtokoměry nebyly dlouhou dobu jednoznačně normativně definovány. Dlouhá
léta byl k dispozici jediný relevantní dokument, kterým byl americký A.G.A. Report
No. 9: 1997, revidovaný v roce 2007. Teprve v roce 2010 navázala na tento počin
mezinárodní organizace pro legální metrologii vydáním dokumentu ISO 17089-1,
kterým byl vytvořen základ pro jednotný
Obr. 1 Ideální podmínky při vysokotlaké kalibraci ve zkušebně
(zdroj: TCC)
20
přístup k definování technických, metrologických a instalačních podmínek aplikovatelných na tento druh měřidel.
Přesto, že by se mohlo na první pohled
zdát, že konstrukce ultrazvukových průtokoměrů je jednoduchá, neboť základní
konstrukční prvky jsou identické, existuje
stále řada atributů, které znemožňu­jí vytvořit např. v oblasti délek přímých uklid­
ňovacích úseků pevné zásady a normativně je deklarovat, jako je to například
v případě normy EN ISO 5167-1 až 4: 2003
pro průtokoměry založené na vložení primárních prvků do potrubí (clony, dýzy a
Venturiho trubice). Výsledkem pak mohou být u jednotlivých výrobců respektive typů ultrazvukových měřidel rozdílné požadavky na délky přímých úseků
potřebných pro vytvoření symetrického
rychlostního profilu proudění (obr. 1). Minimální délka těchto úseků se zjišťuje definovanou metodou v rámci technických
zkoušek v akreditovaných zkušebnách,
buď za účelem výrobních zkoušek, nebo pro potřebu procesů schvalování typu
měřidla pro použití v oblasti regulované
na úrovní národní nebo evropské metrologické legislativy. V současné době pat­
ří ultrazvukové průtokoměry do skupiny
měřidel („plynoměry“) regulovaných na
Obr. 2 Podmínky při montáži průtokoměru
v reálném provozu
Slovgas
Techniky a technlógie
evropské úrovni prostřednictvím směrnice o měřicích přístrojích č. 2004/22/EC
(tzv. směrnice MID), přijaté v SR jako nařízení vlády č. 294/2005 Z. z. Směrnice specifikuje základní technické požadavky na
tyto tzv. plynoměry, včetně pracovních
podmínek, největších dovolených chyb,
přípustných vlivů rušení, stálosti, použitelnosti či možných jednotek měření. Přípustné jsou třídy přesnosti 1,0 a 1,5; zjednodušeně řečeno se jedná o procentuální vyjádření přesnosti z měřené hodnoty
průtoku v rozsahu od tzv. přechodového
průtoku do průtoku maximálního.
Pro výrobce ultrazvukových průtokoměrů jsou však z pochopitelných důvodů
zajímavé a významné skutečné metrologické parametry a vlastnosti měřidel
zjištěné v rámci jejich technických zkou­
šek. Tyto parametry pak jsou uváděny
v projekčních podkladech, technických
listech, specifikacích nebo dokumentacích k měřidlu a jsou rovněž využívány při
projektování měřicích stanic. Přestože výrobci uvedených měřidel používají často
odlišný přístup při volbě uspořádání tzv.
akustických drah a při volbě jejich počtu, lze po prostudování technických specifikací měřidel významných výrobců dojít překvapivě ke zjištění, že základní metrologické parametry v podobě deklarované přesnosti měření (0,5 % z měřené
hodnoty), opakovatelnosti měření (0,1 %
z měřené hodnoty) a požadované délky
přímých úseků před (10D; D - jmenovitá
světlost potrubí) a za průtokoměrem (3D)
jsou de facto identické.
Uvedené parametry jsou standardně
zjišťovány při kalibračních podmínkách
proudění plynu, tj. po vytvoření rychlostního profilu proudícího zemního plynu,
který se blíží ideálnímu. Tyto parametry
lze tedy považovat v současné době za
maximální dosažitelné a především objektivně zjistitelné, neboť jsou limitovány především nejistotou měření (vyso-
kotlakých) zkušeben. Většina vysokotlakých zkušeben pro zkoušení průtokoměrů zemním plynem má deklarovány
rozšířené nejistoty měření na úrovni 0,2 %
z měřené hodnoty.
Přestože do struktury technických
zkoušek ultrazvukových průtokoměrů
patří standardně i zkoušky vlivů okolního prostředí a vlivů rušivých technologických prvků (tzv. tvarovky - kolena, T-kus,
zúžení či rozšíření potrubí, a pod.), tyto
vlivy se již v technických specifikacích výrobců neobjevují (obr. 2). Potenciální uživatel tak nemá možnost v případě těchto vlivů objektivního porovnání jednotlivých průtokoměrů. Podle [1] a [2] činí typická hodnota ovlivnění přesnosti měření vlivem instalace do reálných podmínek měření kolem 0,5 % z měřené hodnoty průtoku. To je hodnota podstatně vyšší,
než jsou dosahované typické odchylky
měření při vysokotlaké kalibraci ultrazvukových průtokoměrů.
Dalším vlivem, který není u ultrazvukových průtokoměrů standardně deklarován,
je vliv znečištění vnitřního povrchu průtokoměru během provozu na dlouhodobou
stabilitu metrologických parametrů průtokoměru. Při prvotní kalibraci a uvedení průtokoměru do provozu je jeho vnitřní povrch obvykle čistý (obr. 3). Po několika měsících nebo letech provozu však může být
vnitřní v závislosti na úrovni technologie
kontaminován nečistotami nebo korozními vlivy (obr. 4). Tyto vlivy jsou velmi
obtížně predikovatelné, nicméně je možné negativnímu ovlivnění měření včas zabránit pomocí integrovaných inteligentních diagnostických systémů, které jsou
velmi často součástí možného programového vybavení ultrazvukových průtokoměrů. Schopnost diagnostických systémů rozeznat znečištění senzorů a vnitřního povrchu průtokoměru závisí mimo jiné na počtu a uspořádání měřicích akustických drah.
Obr. 3 Vnitřní povrch ultrazvukového průtokoměru
po vysokotlaké kalibraci
2 / 2013
Ze zkušeností z oblasti měření vysokotlakého zemního plynu a opakované metrologické návaznosti ultrazvukových průtokoměrů lze dovodit, že vliv znečištění
může ovlivňovat parametr dlouhodobé
stability měření těmito průtokoměry až
ve výši 0,3 % až 0,5 %. Je však třeba poznamenat, že výše těchto vlivů je výsledkem
skutečných provozních podmínek dané
aplikace, především kvalitativních parametrů měřeného plynného média a případně použité filtrační technologie.
Vezmeme-li v úvahu všechny uvedené a popsané provozní vlivy, je zřejmé,
že celková nejistota měření pomocí ultrazvukových průtokoměrů je významně
vyšší, než hodnoty deklarované výrobci
v technických dokumentacích.
Porovnání ultrazvukových průtokoměrů
na vysokotlaké zkušebně v roce 2011
Zjištění vlivů provozních podmínek na
přesnost měření ultrazvukovými průtokoměry bylo mimo jiné cílem vzájemného porovnání ultrazvukových průtokoměrů DN 500/PN 100 určených pro měření vysokotlakého zemního plynu. Porovnání, kterého se zúčastnili se svými produkty významní evropští výrobci ultrazvukových průtokoměrů, se uskutečnilo v červenci 2011 na vysokotlaké zkušebně GL
Flow Centre Bishop Auckland [3] ve Velké
Británii a bylo organizováno a hrazeno významnou světovou společností zabývající
se těžbou a přepravou zemního plynu za
účasti zástupců výrobců. Z důvodu objektivnosti a nezávislosti byla všechna měření
prováděna za účasti a pod odborným dohledem společnosti OGS [4].
Popis porovnávaných
ultrazvukových průtokoměrů
Porovnávacích zkoušek se zúčastnilo 5 významných evropských výrobců ultrazvukových průtokoměrů. Každý poskytl pro účel porovnání měřidlo, které
Obr. 4 Ultrazvukový průtokoměr
po demontáži
21
Techniky a technológie
Tab. 1 Popis uspořádání a počtu akustických drah u porovnávaných průtokoměrů
Kód průtokoměru
Počet a uspořádání akustických drah
A
3 vodorovné akustické dráhy, uspořádání ve tvaru X
B
4 vodorovné akustické dráhy, uspořádány nad sebou
C
4 vodorovné akustické dráhy, uspořádány nad sebou (ale překříženě)
D
4 akustické dráhy s dvojitým odrazem, 2 akustické dráhy s jednoduchým odrazem
E
5 vodorovných akustických drah s uspořádáním V a jednoduchým odrazem, 1 svislá měřicí dráha s uspořádáním V a jednoduchým odrazem pro diagnostiku
standardně nabízí pro měření množství
vysokotlakého zemního plynu. Všechny
průtokoměry prošly v nedávné minulosti
certifikačním procesem, a výsledkem byl
buď certifikát ES přezkoušení typu v rámci platné evropské legislativy, nebo národní certifikát o schválení typu v rámci platné národní legislativy některého
z členských států EU (nebo často obojí).
Průtokoměry se navzájem lišily počtem a uspořádáním akustických drah.
Jejich popis uvádí tab. 1 a grafické znázornění je na obr. 5.
Metodika a podmínky měření
Obr. 5 Grafické znázornění počtu a uspořádání akustických drah u porovnávaných
průtokoměrů
Obr. 6
Konfigurace
ultrazvukových
průtokoměrů
při zkouškách
na zkušební
stanici
Obr. 7
Usměrňovač
proudění typu
„Zanker“ (vlevo),
generátor vírů
vyvinutý PTB
(vpravo) a jim
odpovídající
tvary
rychlostních
profilů proudění
22
Podmínky měření při porovnávacích
zkouškách:
• jmenovitá světlost:
DN 500/20“ ANSI 600,
• zkušební médium: zemní plyn,
• teplota zemního plynu:
(2,14 až 12,35) ° C,
• tlak zemního plynu:
(38,6 až 40,24) bar, přetlak.
Ultrazvukové průtokoměry byly instalovány v konfiguracích dle schématu uvedeného na obr. 6.
Za účelem zajištění plně vyvinutého
a symetrického tvaru rychlostního profilu proudění byl před průtokoměry instalován přímý úsek potrubí o velikosti 28D.
Zde je vhodné upozornit, že typická přímá délka potrubí požadovaná instalačními požadavky stanovenými při technických zkouškách při schvalování typu je
10D před a 3D za tělesem ultrazvukového průtokoměru, při použití uklidňovačů
proudění jsou dokonce povoleny i kratší
délky (až 5D před průtokoměrem).
Pro další zlepšení rychlostního profilu
proudění, s cílem vytvoření ideálních podmínek při vlastním měření, byl před přímý
úsek 28D instalován usměrňovač proudění typu Zanker (obr. 7 vlevo). Naopak simulaci nejobtížnějších provozních podmínek v plynárenských zařízeních (obr. 8)
zajišťovala instalace speciálního rušivého
prvku vyvinutého PTB (obr. 7 vpravo), tzv.
generátoru vírů, instalovaného v téže pozici místo uklidňovače proudění.
Výsledky měření za ideálních
podmínek
(ultrazvukové průtokoměry A a B)
Před přímý potrubní úsek o délce 28D
byl instalován usměrňovač průtoku typu Zanker tak, aby byly zajištěny co nejlepší provozní podmínky porovnávaných
průtokoměrů. V rámci těchto měření byl
zkou­šen i vliv vzájemného uspořádání
průtokoměrů A a B na přesnost a stabilitu jejich výstupních hodnot.
Měření č. 1 a měření č. 2 (obr. 9 a 10)
byla prováděna ráno (při hodnotách průtoku 10 300 m3/h; 7 200 m3/h; 5 050 m3/h;
Slovgas
Techniky a technlógie
1 550 m3/h; 970 m3/h) a odpoledne (při
hodnotách průtoku 5 050 m3/h; 970 m3/h).
Rozdíl mezi měřeními č. 1 a č. 2 je v tom, že
při měření č. 2 byly průtokoměry instalovány bezprostředně za sebou.
Při hodnocení naměřených odchylek u
průtokoměru B bylo zjištěno, že všechny
výsledky měření se vzájemně neliší o více než ±0,2 % z měřené hodnoty průtoku,
jsou tedy v přípustných mezích daných
nejistotou kalibrační tratě a opakovatelností průtokoměrů. Maximální odchylka
kalibračních křivek zjištěných u průtokoměru B při různých vzájemných konfiguracích obou průtokoměrů (měření č. 1 a
měření č. 2) byla identifikována při průtoku cca 5 000 m3/h, a to ve výši 0,2 %.
V případě hodnocení naměřených
hodnot průtokoměru A bylo zjištěno, že
výsledky měření průtokoměru A vůči referenční hodnotě průtoku, v závislosti na
denní době, se vzájemně liší až o 0,7 %.
Maximální odchylka kalibračních křivek
zjištěných u průtokoměru A při různých
vzájemných konfiguracích obou průtokoměrů (měření č. 1 a měření č. 2) byla identifikována při průtoku cca 7 200 m3/h, a to
ve výši 0,36 %.
ted Error) definované pro třídu přesnosti
1 % směrnicí MID.
Jediným průtokoměrem, který i při simulaci náročných provozních podmínek
vyhověl ve smyslu naměřených odchylek vůči MPE (1 %), je ultrazvukový průtokoměr E. Akceptovatelné výsledky pro
využití v náročnějších provozních pod-
mínkách byly zaznamenány ještě v případě průtokoměrů A a D. Průtokoměry B
a C by v návaznosti na dosažené výsledky neměly být používány v náročnějších
provozních podmínkách bez odpovídajících prostředků zajišťujících vytvoření uklidněného a symetrického rychlostního profilu průtoku plynu (zvýšené pří-
Obr. 8
Příklad výsledku
počítačové simulace
tvaru rychlostního
profilu v předávací
stanici zemního
plynu
Výsledky měření při ideálních
podmínkách umožňujících vznik
symetrického tvaru rychlostního
profilu proudění
(všechny ultrazvukové průtokoměry)
Obr. 11 zobrazuje výsledky měření
všech průtokoměrů za ideálních podmínek (přímý potrubní úsek před průtokoměry o délce 28D s předřazeným usměrňovačem toku typu Zanker). Z výsledků je
patrné, že u průtokoměru A byla naměřena zcela atypická kalibrační křivka s významnými odchylkami měření (až -0,7 %)
a s velkou nelinearitou.
Výsledky měření při simulaci
kritických provozních podmínek
proudění generátorem vírů
Průtokoměry byly instalovány ve
dvou skupinách, vždy za sebou a ve stejném uspořádání jako při měření za ideálních podmínek. Usměrňovač průtoku typu Zan­ker byl nahrazen generátorem vírů PTB.
Obr. 12 zobrazuje výsledky měření
všech zkoušených ultrazvukových průtokoměrů. Je patrné, že průtokoměr C vykazuje extrémně zvýšenou citlivost na existenci vírů při měření průtoku zemního
plynu. Byla zaznamenána změna indikace
až cca -17 % z měřené hodnoty průtoku!
Obr. 13 zobrazuje v lepším rozlišení
stejné výsledky jako na obr. 12 s tím, že
jsou v něm vyznačeny meze MPE (maximální dovolená chyba - Maximal Permit-
2 / 2013
Obr. 9
Měření č. 1 a 2
s průtokoměry A a B
Obr. 10
Měření č. 1 a 2,
zobrazeny jsou
pouze výsledky pro
průtokoměr A
Obr. 11 Měření
za ideálních
podmínek - všechny
průtokoměry
(měření č. 2 a
měření č. 5)
23
Techniky a technológie
mé délky potrubí před průtokoměrem a/
nebo použití vhodného uklidňovače respektive usměrňovače průtoku).
Příčina rozdílných změn v indikaci
průtokoměrů
při použití generátoru vírů
Příčinu rozdílných výsledků je nutno
hledat zejména ve 2 aspektech, jednak ve
způsobu kompenzace příčných vírů vzni-
Obr. 12
Výsledky měření
s generátorem
vírů - zobrazení
všech průtokoměrů
(měření 3 a 4)
Obr. 13
Výsledky měření
s generátorem vírů
- vyznačení MPE pro
třídu přesnosti 1 %
dle MID
Obr. 14 Kompenzace
symetrického (vlevo)
a nesymetrického
(vpravo) víru
průtokoměrem
s uspořádáním
akustických drah
nad sebou
Obr. 15 Kompenzace
symetrického (vlevo)
a nesymetrického
(vpravo) víru
průtokoměrem
s uspořádáním
akust. drah nad
sebou překřížených
Obr. 16 Kompenzace
symetrického (vlevo)
a nesymetrického
(vpravo) víru
průtokoměrem
dvojím odrazem
signálu od stěny
průtokoměru
24
kajících za generátorem vírů PTB, a jednak ve způsobu měření tvaru rychlostního profilu v tělese průtokoměru.
Příčný vír je nutné chápat jako prostorovou záležitost. Vznik proudění se složkou
rychlosti kolmou k ose potrubí vyvolá vždy
narušení tvaru a osové symetrie rychlostního profilu ve směru osy potrubí (obr. 8).
Vysvětlení způsobu kompenzace příčných
vírů je v dalším textu do jisté míry zjed-
nodušeno za účelem snazšího pochopení
podstaty způsobu jejich kompenzace při
rozdílném konstrukčním uspořádání akustických drah průtokoměrů.
Kompenzace příčných vírů
ultrazvukovým průtokoměrem
Příčné víry mohou být kompenzovány
v zásadě 2 způsoby. První způsob využívá
výsledky měření doby průchodu signálu ze všech akustických drah, přičemž výsledek kompenzace je výrazně ovlivněn
vlastním uspořádáním akustických drah.
Druhý způsob kompenzuje příčné víry
v každé akustické dráze a to přímo jejím
uspořádáním.
Kompenzace příčných vírů z výsledků
měření ve všech akustických drahách
Při podrobnější úvaze můžeme tyto
průtokoměry rozdělit na 2 skupiny - skupinu s uspořádáním akustických drah rovnoběžně nad sebou a skupinu s uspořádáním akustických drah rovnoběžně nad
sebou, kdy dráhy jsou překříženy.
Obr. 14 zobrazuje 2 modelové situace existence příčného víru v tělese průtokoměru s uspořádáním akustických drah
rovnoběžně nad sebou (typ průtokoměru
B). Pokud je příčný vír osově symetrický
v celém průřezu, je možný způsob jeho
kompenzace relativně snadný - „urychlení“ doby průchodu signálu v horní dráze je kompenzováno „zpomalením“ doby
průchodu signálu ve spodní dráze (obr.
14 vlevo). Situace se však komplikuje
v případě, že vír je nesymetrický (obr. 14
vpravo), v takovém případě je požadovaný efekt kompenzace pouze částečný.
Ultrazvukové průtokoměry s paralelními dráhami „překříženými“ nad sebou
(typ průtokoměru C) jsou schopny i symetrický vír kompenzovat pouze v omezeném rozsahu. Z obr. 15 vlevo je zřejmé,
že osově symetrický příčný vír jsou schopny kompenzovat pouze 2 akustické dráhy
uprostřed tělesa průtokoměru. Osově nesymetrický příčný vír je toto uspořádání
akustických drah schopno kompenzovat
jen ve velmi omezeném rozsahu (obr. 15
vpravo).
Kompenzace příčných vírů přímo
v akustické dráze průtokoměru
Příčné víry mohou být kompenzovány přímo v akustické dráze jejím uspořádáním v odrazném módu nebo zdvojením akustické dráhy.
Průtokoměr s dvojím odrazem ultrazvukového signálu od stěny průtokoměru (typ D) je schopen velmi dobře
kompenzovat symetrický i nesymetrický
vír, jak je patrné z obr. 16 (akustický signál je vysílán senzorem a směr pohybu ultrazvukového signálu je ve směru šipek
Slovgas
Techniky a technlógie
k přijímajícímu senzoru, který je v zákrytu
se senzorem vysílajícím). V každé jednotlivé akustické dráze se vlastně děje to, co
je u průtokoměrů s přímým průchodem
signálu v paralelních akustických drahách
nad sebou výsledkem „práce“ celého systému - srovnej s obr. 14.
Průtokoměr s 5 akustickými dráhami,
které jsou uspořádány paralelně vodorovně nad sebou a využívají odrazného
módu (typ průtokoměru E), kompenzuje
příčný vír automaticky v každé akustické
dráze. Urychlení ultrazvukového signálu
příčným vírem v prvním průchodu je automaticky kompenzováno „zpomalením“
signálu ve druhém průchodu. Kompenzace je prováděna automaticky v každé
dráze bez ohledu na to, zda je příčný vír
symetrický nebo nesymetrický (obr. 17).
Průtokoměr se třemi zdvojenými akustickými dráhami, které jsou vzájemně
překřížené (typ průtokoměru A), využívá pro kompenzaci vírů výsledky měření z každého páru vzájemně překřížených
akustických drah. Tyto výsledky jsou porovnávány a dále matematicky zpracovány ve vyhodnocovací elektronice průtokoměru a výsledkem je velmi dobrá kompenzace vlivu příčných vírů na proces
měření (obr. 18).
Měření tvaru rychlostního profilu
v průtokoměru
Tvar rychlostního profilu v průtokoměru je ovlivněn uspořádáním přímého
úseku před průtokoměrem. Je ovlivněn
zejména technologickými tvarovkami
způsobujícími změnu směru proudění
média (např. kolena, T-kusy, a pod.), redukcemi potrubí, armaturami, filtry nebo
tlumiči šumu redukčních ventilů. Počet,
druh a vzájemné uspořádání tvarovek a
armatur před přímými potrubními úseky
průtokoměrů může mít zcela zásadní vliv
na kvalitu respektive tvar rychlostního
profilu, pro jeho přesné měření v tělese
ultrazvukového průtokoměru je rozhodující počet a uspořádání akustických drah.
Ultrazvukový průtokoměr, který má 4
akustické dráhy uspořádány nad sebou
(typ B a typ C), je schopen pomocí integrované diagnostiky velmi dobře vyhodnotit odchylku tvaru rychlostního profilu
od tvaru ideálního a na základě signálů ze
4 akustických drah určit střední rychlost
proudění měřeného plynu (obr. 19).
Průtokoměry se 3 akustickými dráhami (typ A) využívají obecného předpokladu, že proudnice v rovině vzdálené ¼
průměru od stěny potrubí jsou velmi málo ovlivněny mírnou nesymetrií nebo dalšími poruchami tvaru rychlostního profilu, jak je uvedeno v [5]. Proto je pravidlem umístit do těchto rovin akustické dráhy dvoukanálových ultrazvukových prů-
2 / 2013
Obr. 17
Kompenzace víru
průtokoměrem
s paralelním
uspořádáním
akustických
drah a jedním
odrazem signálu
od reflektoru/stěny
průtokoměru
vir
vir
Obr. 18
Kompenzace víru
průtokoměrem
s paralelním
uspořádáním
akustických drah,
které jsou zdvojené
a překřížené
Obr. 19
Měření tvaru
rychlostního profilu
v průtokoměru
se 4 paralelně
uspořádanými
akustickými
dráhami
Obr. 20
Měření tvaru
rychlostního profilu
v průtokoměru
se 3 paralelně
uspořádanými
akustickými dráhami
Obr. 21
Měření tvaru
rychlostního profilu
v průtokoměru
s 5 paralelně
uspořádanými
akustickými dráhami
25
Techniky a technológie
tokoměrů. Tříkanálové ultrazvukové průtokoměry pak mají třetí akustickou dráhu
procházející osou potrubí tak, jak je uvedeno na obr. 20.
Průtokoměr tohoto typu je schopen změřit odchylku od ideálního tvaru
rychlostního profilu, ale pouze ve 3 bodech, přičemž zejména odchylky v blízkosti stěny potrubí není možno přesně
určit a tím i využít pro výpočet střední
rychlosti proudění měřeného plynu.
Obdobné vlastnosti mají ultrazvukové průtokoměry s dvojitým odrazem od
stěny tělesa ultrazvukového průtokoměru
kombinovaným s jednoduchým odrazem
od stěny v ose průtokoměru (typ D).
Průtokoměr s pěti paralelními vodorovnými akustickými drahami (typ E)
kombinuje výhody obou předchozích
způsobů měření střední rychlosti proudění. Dvě akustické dráhy jsou umístěny
v rovinách vzdálených ¼ průměru od
stěny potrubí, jedna akustická dráha prochází osou potrubí a dvě akustické dráhy jsou umístěny v blízkosti stěny potrubí (obr. 21). Výpočet tvaru rychlostního
profilu a určení střední rychlosti proudění měřeného plynu je pak možno provádět velmi přesně i při značně narušeném
tvaru rychlostního profilu.
Závěr
Výběr ultrazvukových průtokoměrů pro
účely výše prováděných a popisovaných
zkoušek byl volen tak, aby zahrnoval typická konstrukční uspořádání akustických drah používaných v současné době
významnými výrobci ultrazvukových průtokoměrů. Současně byl kladen důraz na
skutečnost, aby předmětné průtokoměry
již byly v minulosti v rámci národní legislativy a/nebo evropské legislativy typově schváleny pro použití v závazkových
vztazích, respektive aby všechny průtokoměry toho času byly legálně použitelné pro konkrétní aplikaci - měření průtoku a protečeného množství zemního plynu na předávacích stanicích určených pro
mezinárodní přepravu zemního plynu.
V tomto smyslu měly všechny porovnávané průtokoměry deklarovanou třídu přes-
nosti 1 podle směrnice MID.
Z naměřených výsledků v tomto článku prezentovaných zkoušek je zřejmé, že
při výběru vhodného typu ultrazvukového průtokoměru je třeba vedle metrologických vlastností (např. přesnost, dlouhodobá stabilita, vliv podmínek prostředí) zohledňovat paralelně i další významná hlediska vzhledem k budoucímu účelu použití. Typickým příkladem může být
právě odolnost průtokoměru vůči poruchám rychlostního profilu měřeného plynu, tj. schopnost průtokoměru kompenzovat tyto vlivy při měření a potlačovat
případný vznik systematických chyb ovlivňujících bilanci přepravní soustavy.
Již ve fázi přípravy a projektování
měřicích tratí s ultrazvukovými průtokoměry pro měření průtoku vysokotlakého zemního plynu je nutno pečlivě zvážit a zohlednit nejen délky přímých úseků
před průtokoměry, ale také případné vlivy armatur nebo dalších plynárenských
technologických zařízení, která jsou
umístěna před těmito přímými úseky.
V některých případech může být nezbytné použití usměrňovačů průtoku, a to i za
podmínek, kdy jsou přímé úseky delší než
ty, které jsou doporučeny výrobcem nebo uvedené v příslušném schválení typu měřidla. Výsledky provedených zkoušek jednoznačně potvrzují, že při zvláště
obtížných provozních podmínkách může
být i přímý úsek o délce 28D nedostatečný, pokud je cílem provozovatele měřidla v maximální míře přenést metrologické vlastnosti měřidla zjištěné při vysokotlaké kalibraci do místa skutečné aplikace. Vzhledem k nezanedbatelným finančním nákladům vynakládaným na zajištění
metrologické návaznosti ultrazvukových
průtokoměrů v zahraničních vysokotlakých zkušebnách by takový cíl měl být ze
strany provozovatelů a uživatelů vysokotlakých ultrazvukových průtokoměrů logickým požadavkem.
Zvláštní pozornost je pak nutné věnovat návrhu a projektování měřicích tratí
pro obousměrné měření (rostou nároky
na délky přímých úseků a z každé strany
průtokoměru může být před přímým úse-
Dipl. Ing. Martin Kurth
Absolvoval studium elektrotechniky na univerzitě v Siegenu.
V roce 1993 nastoupil do společnosti
Stork-Servex a v roce 2006 začal pracovat pro společnost KROHNE, kde
je od roku 2010 vedoucím prodeje průtokoměrů pro meření průtoku
ropných produktů a zemního plynu.
26
kem instalováno jiné plynárenské technologické zařízení) a měřicích tratí s požadavky na nízkou tlakovou ztrátu (kdy není vhodné použití usměrňovače průtoku).
To platí zejména pro průtokoměry,
které z důvodu uspořádání akustických
drah neprovádějí kompenzaci příčného
víru v každé akustické dráze, nebo které
díky uspořádání akustických drah nejsou
schopny měřit rychlost proudění v blízkosti stěny potrubí (3 měřicí kanály).
Pokud je z důvodu požadavků národních nebo mezinárodních normativních
dokumentů pro měření průtoku plynu
požadována instalace dvou v sérii zapojených průtokoměrů, jak je tomu například
v případě dokumentu [6] pro přepravované množství plynu nad 10 000 m3/h (při
základních podmínkách) a upřednostňuje-li budoucí uživatel použití dvou v sérii zapojených ultrazvukových průtokoměrů, je v takovém případě vhodné zvážit požadavek na kombinaci ultrazvukových průtokoměrů s přímou a odraznou
akustickou dráhou.
Lektor: Roman Wágner,
SPP - distribúcia, a.s.
* Dipl. Ing. Martin Kurth,
Krohne Messtechnik GmbH, Německo
Ing. Petr Komp, MBA,
Krohne CZ, spol. s r.o., Česká republika
[email protected]
(Prevzaté z českého časopisu Plyn 1/2013)
Literatura
[1] Reducing installation effects on ultrasonic flow meters.
Jan G. Drenthen, Martin Kurth, Hilko den Hollander,
Jeroen van Klooster & Marcel Vermeulen; Krohne.
7th International Fluid Flow Symposium, Anchorage 2009
[2] WILSACK, R., “Integrity of custody transfer measurement and ultrasonic technology.” CGA Measurement
School 1996
[3] http://www.hydrocarbons-technology.com/contractors/
instrumentation/avantica/
[4] OGS, Gemini House, The Business Park, Ely, Cambridge
CB7 4EA, UK, www.ogsl.com
[5] SCHLICHTING, H., GERSTEN, K.: Boundary-Layer
Theory 8th Edition, Springer-Verlag Berlin 2003,
ISBN 3-540-66270-7
[6] ČSN EN 1776: Zásobování plynem - Měřicí stanice zemního plynu - Funkční požadavky (2000)
Ing. Petr Komp, MBA (1965)
Je absolventem Fakulty strojní a
elektrotechnické Vysoké školy báň­
ské v Ostravě.
Od roku 1993 pracuje ve firmě
KROHNE CZ, do roku 2006 jako obchodně technický zástupce, od roku 2007 až doposud jako jednatel
společnosti.
Slovgas
Download

Vliv instalačních a provozních podmínek na měření průtoku