ru en

Новый способ измерения расхода газа, реализованный в ультразвуковом расходомере «Гиперфлоу-УС»

Авторы
  • А.М. Деревягин, А.С. Фомин, В.И. Свистун, 000 НПФ «Вымпел»
  • Г.А. Деревягин, МГУ им М.В. Ломоносова
Современная тенденция внедрения ресурсосберегающих технологий в газовой промышленности предъявляет все более жесткие требования к системам коммерческого учета газа, что в первую очередь касается измерения расхода. Главными требованиями, которые предъявляются потребителями и службами эксплуатации к расходомерам, являются высокие метрологические характеристики, надежность измерения, цена.
В последние годы все более широкое распространение как за рубежом, так и в России находят ультразвуковые расходомеры и счетчики газа. Преимуществами ультразвукового метода являются:
  • высокая точность измерений;
  • широкий динамический диапазон измерений;
  • отсутствие необходимости создания перепада давления.
Наиболее часто используются ультразвуковые расходомеры на трубопроводах среднего и большого диаметра. Конкуренцию этим расходомерам может составить лишь метод переменного перепада давления на сужающем устройстве, однако этот метод обладает рядом недостатков:
  • узкий динамический диапазон;
  • наличие сопротивления потоку рабочей среды;
  • необходимость трудоемкого демонтажа для проведения периодической поверки.
Ультразвуковой принцип измерений основан на том, что ультразвуковой импульс, направленный вдоль потока газа, распространяется быстрее импульса, направленного против потока. Разность времен прохождения ультразвукового импульса зависит от средней скорости газа вдоль акустического пути. На сегодняшний день наиболее распространенным ультразвуковым методом является метод, изображенный на рис. 1. Этот метод характеризуется тем, что пьезоэлектрические преобразователи расположены под углом к оси трубопровода.
Схема однолучевого преобразователя расхода
Рис.1. Схема однолучевого преобразователя расхода: а) с прямым лучом; б) с отраженным лучом
Средняя скорость потока вдоль акустического пути определяется путем прямого измерения времен прохождения ультразвукового импульса по направлению и против направления движения потока газа. При необходимости более точного определения эпюры скоростей потока используется несколько акустических каналов, причем для каждого канала требуется два преобразователя. Ультразвуковые импульсы в каждом канале распространяются либо напрямую от излучателя к приемнику, либо после отражения от противоположной стенки трубопровода. Примерами расходомеров, реализующих данный метод, являются приборы FLOWSIC (Sick), Q.Sonic(Elster Instromet), Caldon.
Несмотря на свою популярность, описанный выше ультразвуковой метод измерения расхода обладает недостатками, наиболее существенный из которых — неудачное расположение ультразвуковых датчиков. Во всех известных расходомерах, реализующих этот метод, датчики расположены под углом к поверхности трубопровода (рис. 1). Вследствие этого либо предусматриваются карманы в местах установки преобразователей, либо последние выступают во внутреннюю полость трубопровода, являясь препятствием для движения рабочей среды. В обоих случаях происходит загрязнение излучающей поверхности датчика твердыми примесями. В результате через некоторое время расходомер выходит из строя. Чтобы избежать этого приходится проводить периодическую замену датчиков.
Научно-производственной фирмой «Вымпел» разработан новый ультразвуковой метод измерения расхода газа, существенно отличающийся от известных ранее методов. Принципиальными особенностями нового метода являются:
  • расположение ультразвуковых датчиков перпендикулярно поверхности измерительного трубопровода;
  • внешняя излучающая поверхность датчика совмещена с внутренней поверхностью измерительного участка (т.е. отсутствуют карманы в местах установки преобразователей);
  • обработка сразу нескольких каналов измерения при работе двух преобразователей;
  • система детектирования ультразвукового импульса, обеспечивающая математически точное определение времени задержки сигнала.
В основе разработанного метода лежит время — импульсный принцип измерения расхода. Возбуждение и прием импульсов производится пьезоэлектрическими датчиками, устанавливаемыми на измерительный участок трубопровода перпендикулярно его поверхности. Датчики работают попеременно в режиме «прием-передача». При движении газа происходит «снос» ультразвуковой волны, который приводит к изменению времени распространения ультразвукового сигнала между датчиками. Время распространения сигнала по потоку уменьшается, а против него — возрастает.
Средняя скорость газа в трубопроводе вычисляется через значения средних скоростей по нескольким различным акустическим лучам. Обработка сигналов производится как от лучей, прошедших через ось измерительного участка, так и лучей, прошедших по хордам путем многократного переотражения. Отличительной особенностью метода является то, что из одного пучка ультразвукового импульса выделяется несколько лучей, которые проходят разными путями с разными задержками во времени относительно посланного сигнала. В расходомере с двумя преобразователями, установленными на образующей трубопровода, первым придет по кратчайшему пути луч, отраженный от противоположной стенки трубопровода; вторыми придут два луча, прошедшие по трем хордам с двойным отражением от стенки трубопровода. Далее придут лучи, прошедшие четырехкратное отражение от стенок трубопровода, и т.п. Скорость распространения ультразвукового сигнала в газе, заполняющем трубопровод, представляет собой векторную сумму скорости ультразвука в неподвижной газовой среде и скорости потока газа. Для сигнала, однократно отразившегося от стенки трубопровода (рис. 2), время распространения от ПП1 к ПП2 и от ПП2 к ПП1 соответственно равны:
t12 = L/(C0 + υ · cosφ);
t21 = L/(C0 + u · cosφ).
Тогда 1/ t12 — 1/ t12 = 2υ · cosφ/L.
Так как cosφ = d/L, то 1/ t12 — 1/ t21 = 2υ · d/L2.
Отсюда υ = L2 · Δt /2d · t12 · t21, где Δt = t12 — t12, L2 = d2 + 4 · D2;
D — диаметр измерительного участка; L — длина акустического пути; d — расстояние между активными центрами ультразвуковых датчиков; φ- угол наклона акустического пути к линии параллельной оси трубопровода; υ- средняя скорость потока вдоль акустического пути; α- угол раствора диаграммы направленности пьезоэлектрических датчиков; C0 — скорость звука в неподвижной среде; t12 — время распространения акустического сигнала по потоку; t21 — время распространения акустического сигнала против потока; Δt — разность времен распространения акустического сигнала по и против потока.
Измеряемая прибором скорость (υ) является средней скоростью потока газа вдоль пути акустического сигнала. Для вычисления значения средней скорости потока через поперечное сечение измерительного участка необходимо знать значение поправочного коэффициента на распределение скоростей. При этом средняя скорость потока газа через поперечное сечение измерительного участка (υa) может быть вычислена по формуле
υa = k · υ
Значение к является функцией числа Рейнольдса (Re), шероховатости стенок трубопровода, расположения акустического луча и его вида. В случае обработки одного сигнала, когда луч проходит через ось измерительного участка, для полностью развитых равномерных турбулентных потоков, значения к могут быть аппроксимированы формулой
k=1/(1,12 — 0,011 · log10(Re))
Для ламинарного режима при равномерном течении газа к = 0,75.
Объемный расход в рабочих условиях связан со средней скоростью через поперечное сечение следующим образом
Qp S · υa
где S — площадь поперечного сечения измерительного участка.
Для измерительного участка с сечением круглой формы объемный расход равен
Qp = π · D2 · k · υa/4
Приведенный объемный расход газа (Qн) рассчитывается по измеренным значениям объемного расхода и корректируется по давлению и температуре с учетом коэффициента сжимаемости газа Z
Qн = (Qp · Pp · Tн) / (Pн · Tp · Z)
где Pp и Tp — измеренные давление и температура при рабочих условиях; Pн и Tн — давление и температура при нормальных условиях; Z — коэффициент сжимаемости газа.
Приведенный объем газа (Vн) прошедшего по трубопроводу за определенный период времени (τ) вычисляется по формуле
формула
где Δ=( tн — tк)/n;
n — количество интервалов дискретизации в течение времени ( tн — tк)
Условиями, к которым приводится измеренный при рабочих условиях объем газа, являются: температура 20 °С, давление 760 мм рт. ст. Коэффициент сжимаемости газа определяется расчетным путем (по давлению и температуре газа).
Перейдем к обсуждению проблемы детектирования ультразвукового импульса.
При подаче кратковременного импульса на излучатель отклик на приемнике представляет собой сумму сигналов, пришедших по разным акустическим путям и, следовательно, имеющих разные времена задержек. Время задержки каждого из этих сигналов определяется путем сравнения с известным излученным импульсом. Одной из проблем, возникшей при разработке метода, было незнание формы принятых сигналов. В ходе лабораторных экспериментов было выяснено, что сигналы, отраженные различное число раз от стенок трубопровода, отличаются по форме друг от друга и от излученного импульса. Это обстоятельство приводило к увеличению погрешности при вычислении времен задержек сигналов и расхода газа в целом. В связи с этим была разработана математическая модель процесса передачи сигнала в трубопроводе, которая позволяет получить численными методами отклик на приемнике в зависимости от излученного импульса.
Построение математической модели состоит из двух этапов:
  • аналитическое решение трехмерной нестационарной задачи об излучении кратковременного звукового сигнала внутрь трубопровода;
  • численный расчет отклика на приемнике в зависимости от излученного импульса на основе теоретических результатов, реализованный программой Ultrasonic Signal Project (USP).
Приведем постановку задачи. Предполагается, что на поверхности цилиндра радиуса а находится небольшая прямоугольная мембрана размером 2dx2h (d<<a, h<<a), которая колеблется по заданному закону S(t). Требуется найти потенциал Ψ поля скоростей частиц сплошной среды, подчиняющийся волновому уравнению, в области, ограниченной стенками цилиндра. Граничные условия находятся в условиях абсолютной твердости стенок трубы и известного закона колебания мембраны.
Волновое уравнение в цилиндрических координатах представляется в виде
Волновое уравнение в цилиндрических координатах
где с — скорость звука в среде;
Δ — оператор Лапласа;
φ, r, z — переменные в цилиндрической системе координат;
Граничное условие:
Граничное условие
где Vr (φ, z, t) — радиальная составляющая скорости частиц среды на поверхности цилиндра; α=d/a, S(t) — сигнал на мембране.
Отметим, что первые две строки в записи граничного условия — это условие абсолютной твердости стенок цилиндра вне области мембраны, а третья строка — это закон колебания мембраны на поверхности цилиндра.
Для решения поставленной задачи к волновому уравнению и граничному условию применяется преобразование Лапласа. Изображение функции Ψ(t) обозначим через Ψ(s) (s — комплексная переменная). Решение для преобразованной задачи находится аналитически.
Вторая часть исследования заключается в численном нахождении потенциала Ψ путем осуществления обратного преобразования Лапласа по аналитически найденной функции Ψ(s).
ходе численного эксперимента был определен закон изменения формы акустического импульса при его отражении от стенок трубопровода: при каждом отражении спектр сигнала поворачивается на π/2 по часовой стрелке в комплексной плоскости. Последующие лабораторные эксперименты на реальном приборе полностью подтвердили справедливость найденного численного закона.
Поясним рассматриваемый эффект на примере. На рис. 3 изображены два сигнала: импульс на излучателе P0)(t) и отклик на приемнике P(t). Подписанные V-сигнал и W-сигнал — принятые импульсы, акустические лучи которых отражаются соответственно 1 и 3 раза от стенок трубопровода и прошедшие через ось измерительного участка (названия сигналам даны по форме траектории движения соответствующих акустических лучей).
Пример численного расчета
Рис.3. Пример численного расчета(P0(t) — входной сигнал; P(t) — отклик на приемнике)
Опираясь на найденный закон формы сигнала, можно получить, что спектр V-сигнала повернут на π/2 относительно спектра излученного импульса, а спектр W-сигнала — на 3π/2. В результате спектр W-сигнала опережает спектр V-сигнала на я в комплексной плоскости. Это означает, что V-сигнал является перевернутым W-сигналом (с точностью до амплитуды).
Расчетное моделирование позволило усовершенствовать систему обработки ультразвукового сигнала. В результате проведенных расчетно-методических исследований существенно повышена точность определения времени задержки ультразвукового импульса и практически реализована возможность увеличения числа измерительных каналов.
Описанный выше ультразвуковой метод определения расхода газа реализован в коммерческой разработке научно-производственной фирмы «Вымпел» — ультразвуковом расходомере Гиперфлоу-УС.
Основными преимуществами расходомера «Гиперфлоу-УС» являются:
  • возможность работы на «грязном» природном газе благодаря отсутствию карманов в местах установки датчиков;
  • высокая точность определения эпюры скорости потока рабочей среды;
  • снижение требования к наличию прямого участка перед измерительным трубопроводом.
Расходомер состоит из первичного ультразвукового преобразователя расхода и вычислителя расхода (электронного блока). Первичный преобразователь расхода представляет специально изготовленный участок трубопровода с установленными на нем датчиками — пьезоэлектрическими преобразователями. Общее количество устанавливаемых пьезоэлектрических преобразователей составляет 2 или 4. Установка четырех датчиков позволяет корректировать погрешности, вызванные асимметрией эпюры скоростей и, тем самым, уменьшить требования к допустимым длинам прямых участков.
Пьезоэлектрические преобразователи и блок обработки сигналов могут быть также установлены непосредственно на рабочем трубопроводе. Пьезоэлектрические преобразователи устанавливаются по два на одной образующей измерительного участка перпендикулярно его оси со смещением по направлению потока, вторая пара пьезоэлектрических преобразователей устанавливается аналогично первой на другой образующей измерительного участка. Излучающие поверхности ультразвуковых преобразователей совмещены с внутренней поверхностью трубы.
В состав электронного блока входят:
  • платы канальных приемопередатчиков — ПКПП1 ...ПКПП4;
  • плата питания и интерфейсного приемопередатчика — ПП и ИПП;
  • плата контроллера — ПК БОС;
  • плата барьеров искрозащиты.
Структурная схема расходомера представлена на рис. 4. Пьезоэлектрический датчик преобразует электрический импульс, поступающий с формирователя импульсов платы канальных приемопередатчиков, в ультразвуковые колебания. Прошедший через газовую среду ультразвуковой сигнал преобразуется другим датчиком в электрический сигнал и поступает на вход приемника сигналов платы канальных приемопередатчиков. Усиленный приемником сигнал преобразуется АЦП платы контроллера БЭ в цифровой код и записывается в память устройства управления. Электронный блок поочередно переключает датчики (ДПЭ) каждого канала то на прием, то на передачу, в результате этого ультразвук попеременно проходит путь в газе по потоку и против потока газа. Записываемые при этом в память сигналы передаются вычислителю для последующей обработки и вычисления скорости потока и расхода в рабочих условиях эксплуатации на основании введенных в его память данных о диаметре трубопровода, расстоянии между ДПЭ и измеренном времени прохождения ультразвука в газе и средней скорости потока.
Информация от электронного блока передается в вычислитель, который выполняет конфигурирование электронного блока, вычисляет скорости потока газа, объемный расход в рабочих условиях и передачу их во встроенную электронику комплексного датчика с вычислителем расхода «Гиперфлоу-ЗПм». Кроме того, обеспечивается измерение температуры, давления газа и приведение расхода и количества к нормальным условиям, а также архивирование измеренных значений. Результаты измерений отображаются на индикаторе расходомера и передаются по токовому, частотному и цифровому каналам в другие системы.
Структурная схема ультразвукового расходомера
Рис.4. Структурная схема ультразвукового расходомера: ИП 24V — источник питания 24В; ПИ — преобразование интерфейсов; БИЗ — барьер искрозащитный; ПК — промышленный компьютер; ДПЭ — датчик пьезоэлектрический; ПКПП — плата канального приемопередатчика; ФОРМ. ИМП. — формирователь импульсов возбуждения ДПЭ; ПРМ — приемник сигналов ДПЭ
Программное обеспечение расходомера осуществляет оперативный контроль показаний, конфигурирование, регистрацию архива данных и архива вмешательств от 16 приборов «Гиперфлоу-УС». Терминальная программа пользователя устанавливается на технологическом компьютере и позволяет:
  • считывать текущие показания давления и температуры измеряемой среды;
  • читывать мгновенное значение расхода измеряемой среды (в рабочих и приведенных к нормальным условиях), а также величину накопленного расхода;
  • модифицировать параметры расчета приборов «Гиперфлоу-УС» (параметры измеряемой среды и параметры расходомерного узла);
  • заносить в базу данных почасовые и посуточные записи о среднем за час и сутки избыточном (абсолютном) давлении, температуре, а также расходе измеряемой среды в рабочих и приведенных к нормальным условиях за указанный период;
  • определять состояние контактного датчика каждого из приборов;
  • включать/выключать выходной телеметрический сигнал каждого из приборов.
Ультразвуковой расходомер прошел испытания на подтверждение точностных и эксплуатационных характеристик. Цель данных испытаний состояла в определении работоспособности преобразователей в реальных условиях эксплуатации, отработки программного обеспечения и предварительной оценки метрологических характеристик по показаниям референц-прибора «Суперфлоу».
В Алтайском ЛПУ МГ проведены натурные испытания в период с июня 2005 г. по май 2006 г. в реальных условиях эксплуатации на замерном узле САЦ-3. Расходомер устанавливался методом прямой врезки в напорный трубопровод с диаметром 700 мм. Проверка производилась путем сравнения показаний измерений расхода и объема газа ультразвукового расходомера с показаниями прибора «Суперфлоу» существующего замерного узла. В результате тестов подтверждена работоспособность нового расходомера, получен сертификат об утверждении типа средств измерения.
Кроме того, ООО «Мострансгаз» и НПФ «Вымпел» проведены совместные эксплуатационные испытания разработанного ультразвукового расходомера в соответствии с Программой и методикой испытаний в реальных условиях эксплуатации. Период проведения испытаний: октябрь 2004 г. — февраль 2005 г. Тесты проходили на ПЗРГ «Пришня» Тульского УМГ ООО «Мострансгаз».
В соответствии со схемой испытаний электроакустические преобразователи (ЭАП) и блок электроники установлены на измерительной нитке ПЗРГ «Пришня» (трубопровод диаметром 500 мм). В качестве «референц-прибора» использовался штатный расходомер «Суперфлоу», установленный последовательно с испытываемым расходомером. Монтаж преобразователей производился непосредственно на месте эксплуатации с использованием оригинального приспособления для центровки бабышек, привариваемых к трубопроводу, и для сверления в них отверстий под установку ЭАП. Результаты непрерывных измерений ультразвукового расходомера автоматически архивировались. Эти архивные данные в сравнении с зафиксированными показаниями штатного расходомера «Суперфлоу» обработаны и представлены на рис. 5.
Результаты испытаний на ПЗРГ «Пришня»
Рис.5. Результаты испытаний на ПЗРГ «Пришня»
Из полученных данных испытаний следует, что ультразвуковой расходомер отслеживает по амплитуде и во времени изменение расхода газа в полном соответствии с показаниями «Суперфлоу». Разность показаний расхода составляет 1-1,5 %. При этом следует иметь в виду, что расходомер «Супефлоу» не является образцовым прибором. Поэтому выводы о метрологических характеристиках ультразвукового расходомера будут сделаны в дальнейшем по результатам приемочных испытаний.
Литература:
  1. Методика выполнения измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода. — М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2005.
  2. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств / Межгосударственный стандарт. — М., 2005.
  3. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества — М.: Машиностроение, 1989. — С. 440-443.
  4. Лепендин Л.Ф. Акустика. — М.: Высшая школа, 1978.
  5. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования. — М.: Наука, 1971.