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
