CC BY
30ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕТРИИ
С.Г. Марченко1, e-mail: shabanova@gtm.gazprom.ru; А.М. Ляшенко1, e-mail: a.lyashenko@gtm.gazprom.ru;
A.М. Деревягин2, e-mail: info@npovympel.ru;
B.В. Козлов2, e-mail: vv.kozlov@npovympel.ru; Г.А. Деревягин2, e-mail: gleb.derevyagin@ npovympel.ru
1 ООО «Газпром трансгаз Москва» (Москва, РФ).
2 ЗАО НПО «Вымпел» (Москва, РФ).
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 ультразвуковые расходомеры проходят опытно-промышленную эксплуатацию на объектах ООО «Газпром трансгаз Москва».
Высокая сложность разработки ультразвукового расходомера для коммерческого учета газа подтверждается небольшим коли -чеством производителей данного типа устройства - в мире их не более десяти. Техническая сложность разработки, в отличие, напри -мер, от ультразвуковых расходомеров на жидкость, заключается в особенности излучения ультразвука в газ за счет разности акусти -ческих 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 се -редины 1990-х гг. Первым успешным результатом этих работ стал расходомер «Гиперфлоу» (рис. 1а), работающий по методу перемен -ного 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 время-импульсный 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 на -личием пластины, отражающей и фокусирующей ультразвуковой сигнал, многократно увеличивающей длину акустического пути сигнала [2].
ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР ГАЗА, ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ,
ОДНОНИТОЧНАЯ ГИС, КОММЕРЧЕСКИЙ УЧЕТ ГАЗА,
а)
б)
в)
Рис. 1. Ультразвуковые расходомеры:
а) «Гиперфлоу»; б) «Гиперфлоу-УС» исполнения «Р»; в) «Вымпел-100»
Например, применяемый на АГНКС 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. Расходомер находит широкое применение на объектах с условиями ограниченного пространства: в узлах учета компрессорных и га -зораспределительных станций, в установках по производству технологических газов и др.
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).
«Вымпел-500» реализует ставшую классической многоканальную схему измерения, позволяю -щую определять эпюру потока и обеспечивающую максимальную точность измерения [1].
Рис. 2. Ультразвуковой расходомер «Вымпел-500», измерительная схема
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 (рис. 2).
Прибор оснащен 8-канальным блоком электроники, выполненным на современной элементной базе с малым энергопотреблени -ем. 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 снаб -жаться 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 (рис. 3) относится к резонаторно-му типу преобразователей. Излу -чатель преобразователя является акустически развязанным от его корпуса для предотвращения распространения паразитных
Рис. 3. Ультразвуковой преобразователь
Рис. 4. Измерение нулевого расхода при стандартных условиях в течение 17 ч
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 ча -стоты.
Преобразователи изготавливаются из высокопрочного износостойкого сплава титана, являются полностью герметичными и выдерживают давление не ме -нее 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 «Вым-пел-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 УЗ-расхо-домера является стабильность измерения нулевого расхода в зависимости от времени при раз -ных условиях среды (давлении, температуры, загрязнении преобразователей). Этот параметр говорит о корректности формирования и алгоритма обработки сигнала, измерения времени его распространения вэлектроаку-стическом 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 по-казаний нулевого расхода в тече -ние 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.
Произведены испытания влияния давления рабочей среды на значение скорости потока при нулевом расходе (таблица). В ка -честве 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.
Расходомер «Вымпел-500» успешно прошел ряд испытаний в Уральском региональном метрологическом центре (УРМЦ), метрологических центрах Pigsaг (Германия) и ЕигоЬор NMi (Голландия) на типоразмерах Ду 300 и Ду 500. В ходе испытаний исследовались метрологические характеристики расходомера на невозмущенном и возмущенном потоках, оценивалась дол говре-менная стабильность, общая неопределенность и повторяемость измерений.
В соответствии с ГОСТ 8.611 -2013[4] общая расширенная неопределенность иобщ измерения равна среднеквадратичному расширенной неопределенности эталонного средства измерения иэт и доверительной границе случайной погрешности поверяемого средства измерения относительно эталонного игИ, % :
иобщ=^0э7+°с7
(1)
и вычисляется по формуле:
1т (Е-Е)2
(2)
где Е - систематическая погрешность,
т '
(3)
Результаты испытания влияния давления рабочей среды на значение скорости потока при нулевом расходе
P, МПа 0,1 1 2 3 4 5
V0, м/с 0,0005 0,0012 0,0008 -0,0003 0,0019 0,0011
Кривая погрешности
0,085 0i052 0,011 J.012 .0.002 . 0,021 .0,005
-V— ♦ —
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Расход, м:/ч
Кривая погрешности
Ё "2
-0Л44 0 305 #0,2! 6 0,280 0,261 J.296 -0, 347
- w —-
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Расход, м3/ч
Рис. 5. Относительная погрешность «Вымпел-500» Ду 300 на невозмущенном (сверху) и возмущенном турбинным счетчиком (снизу) потоках
к°-95 - коэффициент Стьюдента для доверительной вероятности 95% и числа степеней свободы u=m-1;
m - число измерений;
E. - относительное отклонение
j
показаний поверяемого средства измерений от эталонного при j-м измерении, %.
Значение иси представляет собой границу интервала, внутри которого с вероятностью 95% по -падут значения относительных отклонений E.
j
Значение иобщ является критерием подтверждения класса точности расходомера.
На рис. 5 изображены кривые относительной погрешности «Вымпел-500» Ду 300 на невозмущенном потоке после внесения калибровочных коэффициентов и на возмущенном потоке соответственно. В первом случае максимальная для всех точек расхода систематическая погрешность Ё состав-
~ max
ляет 0,085% при доверительной границе случайной погрешности иси не более 0,27%. Во втором случае наличие возмущения в потоке добавляет отклонение не более 0,34%, что находится в рамках заявленного предела погрешности 0,5%. Возмущение потока производилось установкой перед испытуемым преобразователем турбинного счетчика, создающего существенное угло -вое завихрение, на расстоянии 5D, где D - условный диаметр трубопровода.
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 Pigsar
и ЕигоЬор для подтверждения класса точности 0,3%.
Перед испытаниями в Pigsaг 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 Р1дБаг. Рамка 1 рис. 6 показывает систематическую погрешность Ё измерений «Вымпел-500», отка-либрованного в УРМЦ, от этало -на Р1дБаг в диапазоне расходов 195,23-2611,02 м 3/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 иСИ испытуемого образца. Эта величина сравнима с величиной неопределенности самого эталона Pigsaг, которая составляет 0,14-0,17% в зависимости от расхода.
Рамка 3 рис. 6 представляет общую расширенную неопределенность иобщ «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).
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
Одной из важнейших составляю -щих надежности и стабильности работы расходомера являются качество и технологичность его производства. Процесс производства «Вымпел-500», организованный на площадке НПО «Вымпел», представляет собой законченный производственный цикл.
При изготовлении фланцевых измерительных участков «Вым-пел-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 пре -цизионном 5-координатном го-
adjust factor 1,0000 f lineer, no change adjust factor 1,0000
as found as left
multipoint linearization I. Í» 1
HP as found data for miiltip. HP as left (cert.)
nod г с ЙШПК wme (OIML) 0.346 linearization wme (OIML) -0,001
reference meter deviation meter deviation
sort Qpigsar Qi Re_D Fi n U _repeat LMot flow deviation load Q_adj Pe. D. ad; F_a<tj
по. m'/h m"/ti % % % m'/h % m'lh %
81.3 6504,96 6531.06 2.354E+07 0,40 5 0.19 0,24 6531,1 0,9960 0,61 6504,93 2,345E+07 0,00
56,9 4563,05 4579.90 1.7056*07 0,37 3 0,15 0,20 4579.9 0.9963 0,57 4562,95 1 6Э8Е+07 0,00
32,5 2611,02 2619.87 1.010E+07 0,34 3 0,03 3,14 2619,9 0.9966 0,33 2610.96 1 007E+07 0,00
20.3 1638,39 1643,26 6.421Е-Ю6 0,30 3 0.10 0,17 1643.3 0,9970 0.20 1638,33 6402E+06 0,00
12,2 986 90 989.02 3.87aE+06 0,21 3 0,15 0,20 989.0 0,9979 0,12 986,94 3.870E+06 0.00
4 325,02 325,00 1.282E+06 -0,01 4 0,13 0,13 325.0 1,0001 0.04 325,03 1.282E+06 0.00
2.4 195,23 195,73 7,751 E+05 0,25 3 0,03 0.13 195.7 0,9975 0,02 195,24 7,731 E+05 0.00
1 2 3
HP verification
meter deviation
2600 0.02 0,03
Рис. 6. Протокол испытаний 8-канального «Вымпел-500» Ду 300 в р^бзг: 1) отклонение УРМЦ от Р1дБзг; 2) доверительная граница случайной погрешности; 3) общая расширенная неопределенность; 4) повторяемость
Рис. 7. Опытно-промышленная эксплуатация однониточной ГИС Ду 1400 на ЛПУ МГ «Донское»
ризонтально-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 коорди-натно-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, сличение 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 созда -ния концепции однониточной газоизмерительной станции (ГИС), не имеющей мировых аналогов. Суть концепции заключается в уходе от стандартной многониточной схемы и создании расхо -домера, 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 Л ПУ МГ «Донское» филиала «Газпром трансгаз Москва» (рис. 7).
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 ультразву -ковой 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. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1989. 701 с.: ил.
2. Деревягин А.М., Свистун В.И., Фомин А.С. Ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред
и устройство для его осуществления: Патент РФ № 2422777 С1 G01F 1/66 (2006.1). Опубл. 27.06.2011, бюлл. № 18.
3. Деревягин А.М. Устройство для измерения скорости потока текучей среды: Патент на полезную модель № 135811 (RU), начало действия патента 15.05.2013.
4. ГОСТ 8.611-2013 Расход и количество газа. Методика (метод) измерения с помощью ультразвуковых преобразователей расхода.
ВЫМПЕП
I у I научно-производственное ^^объединение
л /LA.-i.-i //4*1 -I 1" . .
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДУ50-ДУ1400 ДЛЯ КОММЕРЧЕСКОГО §Ёр| УЧЕТА ГАЗА—Е-й СЕРИИ «ВЫМПЕЛ»
ВЫМПЕЛ-100
компактный ультразвуковой расходомер для замены турбинных и ротационных счетчиков
ВЫМПЕЛ-500
многохордовый ультразвуковой расходомер повышенной точности
гис
однониточная газоизмерительная станция - новая концепция построения ГИС
npovympel.ru
+7 495 933-29-39 info@npovympel.ru
