Измерение расхода природного газа: тепловая альтернатива турбинным счетчикам и квантометрам

Краткий обзор: Тепловые массовые расходомеры компании CS INSTRUMENTS измеряют расход природного газа без движущихся измерительных элементов и непосредственно выводят нормализованный объемный расход — для мониторинга потребления, учета затрат и управления энергопотреблением. Модели VA 550 и VA 570, в зависимости от исполнения, доступны с сертификатом ATEX/IECEx или с сертификатом DVGW для природного газа (до 16 бар).

Когда целесообразно использовать термический датчик массового расхода?

В промышленных сетях природного газа чаще всего используются турбинные счетчики, поршневые газовые счетчики и квантометры; пользователи иногда обобщенно называют их лопастными счетчиками. Если низкие расходы регистрируются ненадлежащим образом, движущиеся измерительные элементы требуют технического обслуживания или отсутствуют цифровые данные о потреблении, термический датчик массового расхода природного газа является альтернативой, которую стоит рассмотреть.

Как работают турбинные и роторно-поршневые газовые счетчики — и в чём заключаются их ограничения. В турбинном газовом счётчике поток газа ударяется о турбинное колесо, установленное на механических опорах, и приводит его в движение; частота вращения пропорциональна скорости потока и, исходя из известного поперечного сечения трубы, пропорциональна объемному расходу. В роторном газовом счетчике перепад давления приводит в движение роторы в измерительной камере, каждый из которых удерживает точно определенный объем газа и подает его к потребителю. Полезный диапазон измерения механических газовых счетчиков в значительной степени зависит от конструкции, размера, рабочего давления и исполнения: простые квантометры часто работают с гораздо меньшей динамикой, чем термический датчик.

Принципиальными ограничениями обеих конструкций являются движущиеся детали: подшипники изнашиваются под воздействием грязи или абразивного износа и вызывают погрешности измерений, превышение диапазона измерения может привести к повреждению подшипников, некоторые подшипники требуют регулярной смазки — что на практике легко упускается из виду, — при загрязненном газе возникают более значительные отклонения, а очистка практически невозможна; в случае роторного газового счётчика к этому добавляется конструктивная потеря давления.

Регистрация частичной нагрузки и пиковых значений: модели VA 550 и VA 570 обеспечивают диапазон измерения до 1:1000. Решающее значение имеют фактические минимальный и максимальный расходы (Qmin/Qmax). В моделях VA 550 и VA 570 диапазон измерения можно выбрать в соответствии с условиями эксплуатации (Low Speed, Standard, Max и High Speed). Дополнительными преимуществами термического принципа являются незначительная потеря давления и возможность учета минимального потребления: очень часто модели VA 550 и VA 570 используются в трубопроводах большого сечения при низком потреблении газа, где механические газосчётчики достигают пределов своих возможностей.

Предотвращение износа ротора: термический принцип измерения основан на отдаче тепла нагреваемым датчиком — без подшипников ротора и с минимальной дополнительной потерей давления. Датчики (нагреватель и датчик температуры) разработаны для эксплуатации в суровых промышленных условиях и встроены в тонкий, прочный трубопровод из нержавеющей стали: отсутствие подшипников, отсутствие износа, легкий доступ и простота очистки в случае загрязнения. Приборы отличаются высокой прочностью и практически не требуют технического обслуживания.

Непосредственный вывод нормального объёма: механические газовые счётчики, как правило, являются счётчиками рабочего объёма; пересчёт в нормальный объём осуществляется с помощью внешних преобразователей объёма с дополнительными датчиками давления и температуры. Для достижения требуемой точности эти датчики должны быть высокоточными и располагаться внутри счетчика или рядом с ним — их погрешности измерения складываются с погрешностью счетчика, которая, как правило, указывается для рабочего объема. Модели VA 550 и VA 570 регистрируют тепловой массовый расход и на его основе, при соответствующей настройке параметров газа и заданных условиях отсчета, непосредственно выдают нормализованный объемный расход; отдельный преобразователь расхода с дополнительным измерением давления и температуры для этого не требуется. Для сравнения условия отсчёта должны совпадать (например, 0 °C; 1,013,25 мбар (атм) согласно DIN 1343 — также обозначается как нормальный м³/Нм³); для расчёта баланса в кВт·ч к этому добавляется теплотворная способность.

Рабочий объём или нормативный объём: почему разница имеет решающее значение для природного газа

При повышенном рабочем давлении нормальный объём превышает рабочий объём — в соотношении абсолютных давлений с дополнительной поправкой на температуру. Если рабочий объём ошибочно указывается как нормативный объём или используется в дальнейших расчётах, фактическое потребление газа систематически занижается, а баланс в кВт·ч повторяет эту ошибку один к одному, поскольку он линейно зависит от объёма:

К этому следует добавить температурный коэффициент: разница между температурой газа 20 °C и эталонной температурой 0 °C составляет около 7 %. Приведенные значения служат для наглядной иллюстрации на примере идеального газа; для расчетов или высокоточного преобразования состояния необходимо учитывать, в частности, температуру, свойства газа и сжимаемость (нормативный документ DVGW G 685). Наиболее частым источником ошибок в энергетических балансах является не точность измерений, а незамеченная неверная привязка к объему.

Где особенно целесообразно использовать тепловое измерение природного газа?

На магистральных и распределительных трубопроводах точка измерения непрерывно контролирует общее потребление здания, участка или котельной — в случае крупных существующих трубопроводов прибор VA 550 представляет интерес в качестве вставного датчика, поскольку не требуется монтаж полной линейной измерительной линии с номинальным сечением. Непосредственно перед отдельными потребителями (котлами, горелками, производственными установками) становится видно, какой потребитель, когда и сколько природного газа потребляет — это служит основой для построения профилей нагрузки и определения центров затрат. Наиболее информативным является сочетание: основное измерение плюс дополнительные счетчики показывают общее потребление и его распределение.

Как измеренные значения поступают в систему управления энергопотреблением?

Во многих установленных механических счетчиках передача данных о потреблении осуществляется исключительно через импульсный выход; современные электронные счетчики также могут иметь цифровые интерфейсы. VA 550 и VA 570 — в зависимости от заказанной модификации — могут подключаться напрямую через Modbus TCP по Ethernet к центральной системе управления или программному обеспечению для мониторинга энергопотребления (расход, общее потребление, температура газа); шлюз RTU/TCP при этом не требуется. Опциональная технология PoE объединяет передачу данных и питание в одном сетевом кабеле, что снижает трудозатраты на монтаж, особенно при наличии нескольких точек измерения. В качестве альтернативы доступны протоколы Modbus RTU, 4–20 мА, импульсный сигнал, M-Bus, IO-Link или HART.

Преимущества при монтаже, техническом обслуживании и повторной калибровке

Дооснащение VA 550 в качестве вставного датчика: датчик устанавливается через подходящий технологический доступ или шаровой кран. Шкала глубины и заданная ориентация обеспечивают воспроизводимое положение датчика. Датчик VA 550 рассчитан на рабочее давление до 50 бар (исполнение DVGW — до 16 бар); монтаж и демонтаж под давлением осуществляются через ½-дюймовый шаровой кран с стопорным кольцом.

VA 570 в качестве встроенного решения: при очистке или повторной калибровке измерительный участок остается в трубопроводе — извлекается только датчик. Для повторной калибровки датчик отправляется в сервисный центр; на время калибровки можно установить запасные датчики, что позволяет избежать перерыва в работе.

Управление: в моделях VA 550 и VA 570 набор параметров осуществляется с помощью оптических кнопок без необходимости вскрытия корпуса — принцип управления обоими устройствами одинаков. Цифровая информация об устройстве и его состоянии (регистры Modbus) облегчает поиск неисправностей и составление передаточной документации.

Практический пример: от показателей потребления к технологическим показателям

В случае применения в котле регистрируются 330 нм³/ч природного газа и 5 000 кг/ч пара. На основе данных о потреблении газа, теплотворной способности и параметров пара рассчитывается КПД котла — в приведенном примере он составляет 84 %. Таким образом, простое измерение потребления превращается в надежный показатель эффективности и технического обслуживания. (→ Отчет о применении парового котла)

Какой расходомер природного газа подходит для данной задачи?

Что касается ATEX и газовых установок?

VA 550 и VA 570, в зависимости от варианта, доступны с сертификатом ATEX/IECEx; маркировка Ex этих вариантов согласно техническому паспорту: ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (газ), а также II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (пыль); IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. В взрывозащищённом исполнении допускается температура среды до 120 °C и степень защиты IP 65. Сертификат типового испытания ЕС доступен в разделе «Загрузки». Проверка пригодности для конкретной зоны взрывозащиты является обязанностью оператора. Компания CS INSTRUMENTS предоставляет для этого технические паспорта и сертификаты взрывозащиты, но не выполняет консультативных функций в отношении деления на зоны или пригодности для конкретного объекта.