СИСТЕМА УЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ПРИРОДНОГО ГАЗА С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ПЛОТНОМЕРОМ

Полезная модель относится к метрологии учета природного газа, к расходомерам и замерным узлам, измеряющим расход, количество и теплотворную способность природного газа и может применяться, в частности, для проведения измерений плотности в стандартных условиях, плотности в рабочих условиях и объемного расхода, приведенного к стандартным условиям природного газа для различного типа счетчиков или расходомеров (в дальнейшем для упрощения счетчиков) природного газа.
Измерения расхода и количества природного газа, выполняемые счетчиками природного газа, связаны с необходимостью определения объемного расхода природного газа, приведенного к нормальным условиям, согласно п.2.5 «Правил учета газа» (утверждены Минтопэнерго РФ 14 октября 1996 г.). Первичным выходным параметром счетчиков природного газа является либо измеренный объем (расход) природного газа в рабочих условиях (для турбинных, ротационных, вихревых счетчиков и измерителей на базе сужающих устройств) либо массовый расход (для счетчиков-расходомеров массовых). Поэтому для учета объема газа в нормальных
условиях требуется производить пересчет выходных параметров счетчиков к объему газа в нормальных условиях. Такой пересчет, возможно, производить на основе данных измерений плотности природного газа в стандартных и рабочих условиях.
m
c
Соответственно выражение для пересчета первичного измеряемого параметра счетчиков-расходомеров массовых q - массового расхода в рабочих условиях к q - объемному расходу в стандартных условиях имеет вид
с
где ρ - плотность природного газа в стандартных условиях.
v
c
Выражение для пересчета первичного измеряемого параметра счетчиков природного газа, измеряющих расход природного газа в рабочих условиях q к q - объемному расходу в стандартных условиях, используя результаты измерений плотности природного газа, имеет вид
с
где ρ - плотность природного газа в стандартных условиях;
ρ - плотность природного газа в рабочих условиях.
с
В настоящее время физико-химические измерения, включая измерения плотности в стандартных ρ и рабочих ρ условиях, выполняются, как правило, такими средствами измерений как хроматографы (потоковые и лабораторные) и плотномеры. Хроматографы и плотномеры относятся к
дорогостоящим средствам измерений, для которых необходимо соблюдение жестких требований к месту и процедуре отбора проб природного газа.
Известно устройство для определения показателей физических свойств природного газа (патент РФ №2269113, заявка №2004118739/28 от 2004.06.21), при реализации которого изменяют параметры природного газа путем дросселирования, измеряют давление и температуру до, после и во время дросселирования и по измеренным значениям перечисленных параметров определяют показатели физических свойств природного газа, проводя расчеты при помощи вычислительного устройства. Такое устройство можно применять для определения плотности природного газа в стандартных условиях и использовать в комплекте со счетчиками природного газа для перевода результатов измерений к объему газа в нормальных условиях.
Недостатком данного устройства является необходимость установления турбулентных и ламинарных дросселей и большие дополнительные погрешности способа за счет необходимости строго выдерживать режимы подачи газа.
Целью, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является возможность определения плотности в стандартных условиях и плотности в рабочих условиях, используя данные измерений давления и температуры природного газа, а также, функционально связанного с определением плотности в стандартных и рабочих условиях, объемного расхода природного газа, приведенного к стандартным условиям по показаниям счетчиков природного газа.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является упрощение и снижение затрат для процедуры измерений плотности газа в стандартных и рабочих условиях и объемного расхода природного газа, приведенного к стандартным условиям по показаниям счетчиков природного газа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения плотности в стандартных и рабочих условиях природного газа, содержащем средства измерений давления и температуры природного газа, вычислительный блок и блок интерфейса, дополнительно блок интерфейса выполнен с возможностью введения информации о диапазонах изменения физико-химических параметров природного газа, вычислительный блок выполнен с возможностью определения управляющего параметра путем выполнения минимального критерия.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, устройство характеризуется также тем, что к устройству для измерения плотности в стандартных и рабочих условиях природного газа добавлен счетчик природного газа, вычислительный блок выполнен с возможностью вычисления объемного расхода природного газа, приведенного к стандартным условиям по показаниям счетчика (или расходомера) природного газа и плотности в стандартных и рабочих условиях природного газа, и блок интерфейса выполнен с возможностью вывода информации об объемном расходе природного газа, приведенном к стандартным условиям.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, устройство характеризуется также тем, что оно размещено в едином блоке.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, устройство характеризуется также тем, что оно имеет единые метрологические характеристики.
с
с
y
y
a
a
min
max
min
max
min
max
min
max
min
max
При выборе средств измерений расхода и количества природного газа на практике используется информация об ожидаемом диапазоне изменений физико-химических параметров природного газа (в частности, значений плотности в стандартных условиях природного газа ρ , ρ , диапазоне изменения значений содержания диоксида углерода х , х  и азота х , х ) и ожидаемом диапазоне изменений давления p, p и температуры T, T на узле учета. Этой информации, как правило, достаточно, чтобы определить ожидаемый диапазон изменений рабочей плотности природного газа на узле учета
max
min
где K и K - максимальное и минимальное значения коэффициента сжимаемости природного газа на узле учета.
Кроме того, при проектировании узлов учета природного газа на различных принципах работы используются специализированные программные комплексы для проектирования (например, для узлов учета на
основе стандартных сужающих устройств - сертифицированная в РФ программа «Расходомер-ИСО»), которые рассчитывают в процессе проектирования диапазон изменения рабочей плотности природного газа. На фиг.1 приведен расчетный лист специализируемой проектировочной программы, используемой для проектирования узлов учета на основе счетчиков-расходомеров массовых, из которого видны рассчитанные показатели рабочей плотности природного газа на узле учета.
Таким образом, для узла учета природного газа всегда можно задать диапазон изменения основных параметров, определяющих уравнение состояния природного газа, с учетом коэффициента сжимаемости, рассчитываемого по неполному компонентному составу.
Основная идея заявляемой полезной модели заключается в том, что возможности современных вычислителей, используемых на узлах учета природного газа, позволяют осуществить следующее:
1. За счет известного качества поставляемого природного газа известен диапазон изменений искомых физико-химических параметров плотности в стандартных условиях, содержания диоксида углерода и азота. Таким образом, могут быть указаны диапазоны или взяты из базы данных или т.п., в пределах которых находятся искомые физико-химические параметры. Путем измерения рабочих условий давления и температуры может быть задан интервал изменений плотности в рабочих условиях. Тем самым может быть установлен
следующий диапазон, в рамках которого находится четвертый искомый физико-химический параметр. Шесть физико-химических параметров, из которых путем измерения точно известны только два, определяют уравнение состояния природного газа.
2. С помощью современных вычислителей, исходя из установленных диапазонов, в рамках которых лежат физико-химические параметры, измерением только давления и температуры могут быть рассчитаны остальные четыре физико-химических параметра. Это производится путем умелого выбора сначала управляющего параметра из еще неизвестных, но необходимых для определения коэффициента сжимаемости и теплотворной способности физико-химических параметров. На основании минимального критерия только измерением давления и температуры можно определить управляющий параметр путем сортировки или в ходе выполнения первого цикла. Это достигается за счет сходимости расчетного и заданного значения управляющего параметра, например, плотности в стандартных условиях, фактора сжимаемости в стандартных условиях или коэффициента сжимаемости. Далее на этой основе можно определить соответствующие значения для плотности в стандартных условиях, плотности в рабочих условиях
природного газа. Кроме того, в процессе поиска по измеренным значениям давления и температуры физико-химических параметров природного газа можно пользоваться заранее сформированными путем умелого выбора управляющего/управляющих параметров базами данных.
Выбор управляющего параметра определяется требованием наличия экстремума функции разницы расчетного и заданного значения управляющего параметра. Это называется также задачей статического равновесия. В этом случае свойства решения не будут зависеть от размерности задачи. Тем самым появляется возможность получить решение по определению плотности в стандартных условиях в том случае, когда ряд физико-химических параметров, в частности плотность в рабочих условиях, не измеряются. Таким управляющим параметром является, например, плотность в стандартных условиях. При этом характер положения минимального значения не зависит от исходных значений выбранных, например, для определенного качества природного газа физико-химических параметров и диапазона измерения давления и температуры на узле учета. Значение плотности в стандартных условиях определяется независимо от наличия информации о всех параметрах уравнения состояния газа (при неизвестной плотности в рабочих условиях и содержания диоксида углерода и азота).
с
Ниже предложенное устройство рассмотрено на примере его реализации, когда в качестве управляющего параметра выбирают плотность в стандартных условиях ρ.
i
3
3
3
Для сокращения вычислительных затрат перебор внутри заданных диапазонов изменений параметров плотности ρ может осуществляться не с минимальным шагом, а поэтапно: вначале по единицам (ищется лучшее решение с точностью 1 кг/м), потом по десятым долям (ищется лучшее решение с точностью 0,1 кг/м), далее по сотым долям и т.д. Характер положения минимума не зависит от шага перебора, который в этом случае определяет только точность полученного нахождения параметра (плотности в стандартных условиях). Так, на графике фиг.2 показано положение минимума разницы между заданной и рассчитанной плотностью в стандартных условиях для шага перебора рабочей плотности 0,1 кг/м3. На графике фиг.3 показано положение минимума разницы между заданной и рассчитанной плотностью в стандартных условиях для шага перебора рабочей плотности 0,01 кг/м. Сравнение графиков фиг.2 и фиг.3 подтверждает факт независимости положения минимума от шага перебора, определяемый свойствами задачи статистического равновесия.
Устройство работает следующим образом. На Фиг.4 представлена структурная схема системы учета количества природного газа с интегрированным плотномером. Устройство содержит средства измерений давления (4) и температуры (5) природного газа, вычислительный блок (2) и
блок интерфейса (3). Вычислительный блок (2) и блок интерфейса (3) могут представлять собой специализированный вычислитель (flow manager или flow computer в зарубежной терминологии), имеющее внутренние и внешние цифровые и аналоговые интерфейсы для съема измерительной информации с датчиков давления (4) и температуры (5) и счетчика природного газа (1) и как для выдачи, так и для приема цифровой информации во внешние устройства. Данные результатов измерений давления и температуры природного газа поступают со средств измерений давления (4) и температуры (5) природного газа в вычислительный блок (2), где рассчитывается плотность в стандартных условиях и плотность в рабочих условиях природного газа. При поступлении со счетчика природного газа (1) данных результатов измерений происходит вычисление по формуле (1) или (2) в зависимости от типа счетчика природного газа объемного расхода, приведенного к стандартным условиям природного газа. Данные расчетов плотности в стандартных и рабочих условиях природного газа и объемного расхода, приведенного к стандартным условиям природного газа с вычислительного блока (2) поступают через блок интерфейса (3) для выдачи на внешние устройства.
На фиг.5 представлена функциональная схема блока интерфейса. В блок интерфейса, кроме стандартных внутренних и внешних цифровых и аналоговых интерфейсов для съема измерительной информации с датчиков давления, температуры и счетчика расходомера массового, имеется специализированный блок цифрового интерфейса для введения информации о диапазонах изменения физико-химических параметров природного газа
(плотности в стандартных условиях, плотности в рабочих условиях, содержания диоксида углерода и содержания азота) (3.1) и специализированный блок цифрового интерфейса для вывода информации о стандартной и рабочей плотности, рассчитанной в вычислительном устройстве (3.2). Блоки интерфейса (3.1), (3.2) могут представлять собой либо электронный компонент, обеспечивающий ввод/вывод на дисплей, либо ввод/вывод при помощи некоторого стандартного цифрового или аналогового интерфейса.
На Фиг.6 представлена функциональная схема вычислительного блока. В первой области постоянной памяти (2.1), сформирован программный код, который вычисляет коэффициент сжимаемости природного газа на основании измеренных значений давления и температуры, а также на основании исходных значений физико-химических параметров природного газа, например, по формулам метода расчета коэффициента сжимаемости GERG-91 мод. из п.3.2.3. ГОСТ 30319-2-96 «Газ природный методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости». Во второй области постоянной памяти (2.2) сформирован программный код расчета стандартной плотности на основании исходного значения плотности в рабочих условиях, измеренных значений давления и температуры и на основании вычисленного в первой области постоянной памяти коэффициента сжимаемости, рассчитанной с использованием уравнения состояния природного газа
с
c
где ρ и Т абсолютное давление и температура стандартных условий);
с
ρ - заданная плотность в стандартных условиях;
ρ - заданная плотность в рабочих условиях;
K - коэффициент сжимаемости газа, рассчитанный по неполному компонентному составу (заданному содержанию диоксида углерода и азота и плотности в стандартных условиях), например, методом GERG-91 мод.;
p - измеренное абсолютное давление;
Т - измеренная температура газа.
В третьей области постоянной памяти (2.3), сформирован программный код сортировки для определения минимальной контрольной разницы между значением рассчитанной плотности в стандартных условиях и заданным при расчете коэффициента сжимаемости исходным значением для плотности в стандартных условиях.
с
ρ - заданная плотность в стандартных условиях;
- плотность в стандартных условиях, рассчитанная по формуле (4).
с
Заданная в текущем цикле сортировки стандартная плотность, определяемая минимумом формулы (5) ρ, является искомой плотностью в стандартных условиях природного газа, полученной из уравнения состояния путем сведения его к задаче статистического равновесия. Для обеспечения циклического поиска минимума формулы (5) в четвертой области постоянной памяти (2.4) сформирован программный код цикличного
повторения операций определения минимальной контрольной разницы стандартной плотности по формуле (5).
Далее в общем структурном виде работа вычислительного устройства происходит следующим образом. Результаты измерений давления и температуры природного газа поступают в блок интерфейса, откуда совместно с данными о диапазонах изменения физико-химических параметров природного газа (плотности в стандартных условиях, плотности в рабочих условиях, содержания диоксида углерода и содержания азота) с блока (3.1) интерфейса они поступают в вычислительное устройство. В вычислительном устройстве происходит циклическое повторение в заданном диапазоне изменения физико-химических параметров природного газа за счет введения соответствующего кода в четвертой области постоянной памяти (2.4) вычислений стандартной плотности и выбора плотности в стандартных и рабочих условиях, соответствующей минимальной контрольной разницы во второй области постоянной памяти (2.2) на основе рассчитанного в первой области постоянной памяти (2.1) коэффициента сжимаемости. Полученные результаты вычислений стандартной и рабочей плотности выводятся с использованием специализированного блока цифрового интерфейса для вывода информации (3.2).