Моноблочная однониточная газоизмерительная станция на ультразвуковых преобразователях расхода большого диаметра с узлом поверки на месте эксплуатации
MONOBLOCK SINGLE-LINE GAS MEASURING STATION ON ULTRASONIC FLOW TRANSDUCERS OF LARGE DIAMETER WITH A VERIFICATION UNIT AT THE PLACE OF OPERATION

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для обеспечения контроля за объемами газа, передаваемыми по магистральным газопроводам, а также для формирования и выдачи информации по измерению в автоматизированном режиме количественных и качественных показателей природного газа, перекачиваемого в магистральный газопровод.
Уровень техники.
Известна, например, установка для поверки и калибровки счетчиков, расходомеров и расходомеров-счетчиков газа (патент РФ № 2533329 на изобретение, МПК G01F25/00, 20.11.2014 [1]), содержащая эталонные измерители расхода - критические сопла, каждое из которых снабжено запорным клапаном, насос, ресивер, систему контроля и управления, содержащую блок управления запорными клапанами. В систему контроля и управления дополнительно входит блок формирования набора критических сопел по заданному значению расхода поверочной среды.
Недостатком аналога [1] является значительные погрешности при калибровке и поверке газовых счетчиков.
Также известно ультразвуковое измерительное устройство (патент РФ № 2488836 на изобретение, МПК G01P5/24, 27.07.2013 [2]), содержащее секцию трубы с ультразвуковой измерительной ячейкой, удлиненный подводящий участок и два фланца, предназначенные для установки предлагаемого устройства в трубопровод. Ультразвуковые преобразователи каждого канала установлены друг напротив друга. На входе подводящего участка расположен стабилизатор потока. Внутри секции трубы ультразвуковые преобразователи измеряют скорость потока текучей среды, протекающей в трубопроводе, в частности, сухого газа или влажного газа, содержащего жидкость. Вычислительный блок соединен со всеми ультразвуковыми преобразователями через цепи управления.
Недостатком указанного аналога [2] является отсутствие средств поверки по месту эксплуатации и комплектных устройств контроля физико-химических показателей газа. Процедура установки стабилизатора потока не позволяет устанавливать измерительное устройство в магистральный газопровод в виду прохождения через магистральный газопровод очистных устройств. Также данная схема не предусматривает установку измерительных устройств непосредственно в магистральный газопровод до условного прохода диаметром 1400 мм (DN 1400).
Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении или использовании технического решения является необходимость создания газоизмерительной станции с возможностью поверки и калибровки рабочего ультразвукового расходомера большого диаметра на измерительной линии без демонтажа из магистрального газопровода).
Раскрытие заявляемого технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является повышение эффективности контроля за объемами газа, передаваемыми по магистральным газопроводам с применением средств измерений на базе ультразвуковых преобразователей большого диаметра с учетом организации технологической компоновки узла измерений с поверочной линией с минимизацией пятна застройки в охранной зоне МГ.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что газоизмерительная станция содержит измерительную линию с первым корпусным ультразвуковым преобразователем расхода большого диаметра и систему анализа физико-химических свойств газа, при этом первый корпусный ультразвуковой преобразователь расхода содержит ультразвуковые датчики, установленные на первом измерительном трубопроводе. Отличается тем, что
- измерительная линия содержит второй корпусный ультразвуковой преобразователь расхода большого диаметра c ультразвуковыми датчиками, установленными на первом измерительном трубопроводе, при этом второй корпусный ультразвуковой преобразователь расхода соединен последовательно с первым корпусным ультразвуковым преобразователем расхода, причем первый и второй корпусные ультразвуковые преобразователи расхода образуют сдвоенный ультразвуковой преобразователь расхода газа большого диаметра с основным и дублирующим каналами измерения расхода;
- основой канал измерения расхода включает в себя первый датчик давления и первый датчик температуры, при этом дублирующий канал измерения расхода включает в себя второй датчик давления и второй датчик температуры, при этом первый датчик давления основного канала измерения расхода выполнен с возможностью измерения давления в месте установки первого корпусного ультразвукового преобразователя расхода, причем второй датчик давления выполнен с возможностью измерения давления в месте установки второго корпусного ультразвукового преобразователя расхода, при этом первый и второй датчики температуры расположены после второго корпусного ультразвукового преобразователя расхода по ходу течения газа;
- с измерительной линией через технологический арматурный блок соединен эталонный узел поверки, содержащий третий корпусный ультразвуковой преобразователь расхода меньшего диаметра c ультразвуковыми датчиками, установленными на втором измерительном трубопроводе, при этом с третьим корпусным ультразвуковым преобразователем расхода соединены основной датчик давления и дублирующий датчик давления, расположенные последовательно и выполненные с возможностью измерения давления в месте установки третьего корпусного ультразвукового преобразователя расхода.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
С выходом узла поверки соединенапоследовательно линия регулирования расхода, содержащая кран регулятора расчетного диаметра.
Сдвоенный ультразвуковой преобразователь расхода содержит до шестнадцати ультразвуковых датчиков, при этом ультразвуковые датчики образуют до восьми пар, которые расположены в четырех плоскостях относительно осевой плоскости трубопровода, по два перекрестно расположенных ультразвуковых луча в каждой плоскости.
Количество ультразвуковых датчиков третьего корпусного ультразвукового преобразователя расхода составляет по меньшей мере двенадцать, при этом ультразвуковые датчики третьего корпусного ультразвукового преобразователя расхода образуют по меньшей мере шесть ультразвуковых измерительных каналов.
Станция содержит потоковые средства контроля и анализа физико-химических показателей газа, входящие в состав системы анализа физико-химических свойств газа. Между первым и вторым измерительными трубопроводами установлены датчики перепада давления для прямого измерения перепада давления.
Измерительная линия, узел поверки, потоковые средства контроля и анализа физико-химических показателей газа, датчики давления и температуры, датчики перепада давления расположены в едином подземном или надземном укрытии. При этом для надземных укрытий установлена теплоизоляция ультразвуковых преобразователей расхода и прямых участков. Для потоковых средств контроля и анализа физико-химических показателей газа - обогреваемые шкафы или блок-боксы.
Выход сдвоенного ультразвукового преобразователя расхода соединен со входом дополнительного контрольного сдвоенного преобразователя расхода газа большого диаметра.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец однониточной газоизмерительной станции с узлом поверки по месту эксплуатации, заводские испытания которого и комплексное опробование на рабочей среде подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показана схема однониточной газоизмерительной станции (ГИС) с узлом поверки, на фиг. 2 - вид сбоку ультразвукового преобразователя с установленными ультразвуковыми датчиками.
Осуществление технического решения.
Моноблочная однониточная газоизмерительная станция (далее - ГИС) (фиг.1) содержит измерительную линию (1), узел поверки (2), технологический арматурный блок (3) и линию регулирования расхода (4).
Измерительная линия (1) содержит первый корпусный ультразвуковой преобразователь расхода (далее - УЗПР) (5) большого диаметра и второй УЗПР (6) большого диаметра, установленные последовательно на первом измерительном трубопроводе (7).
Диаметр условного прохода первого измерительного трубопровода (7) равен от 700 мм до 1400 мм (DN 700 - DN1400), в зависимости от места установки однониточной ГИС согласно техническим условиям на подключение к магистральному газопроводу.
Глубина залегания (при подземной установке) первого измерительного трубопровода (7) составляет 1 м до верхней образующей (согласно типового технического решения и зависит от места установки ГИС на магистральном газопроводе и результатов инженерных изысканий). Первый и второй УЗПР (5, 6) имеют диаметр условного прохода равный от 700 мм до 1400 мм (DN 700 - DN1400) в зависимости от диаметра первого измерительного трубопровода (7) и номинальное давление 10 МПа (PN100) или иное в зависимости от проектного давления в магистральном газопроводе.
Вход первого УЗПР (5) соединен с подводящим магистральным газопроводом. Между первым УЗПР (5) и вторым УЗПР (6) выполнена технологическая вставка (8) с длиной 1000 мм и диаметром условного прохода, равным диаметру магистрального газопровода.
Первый УЗПР (5) и второй УЗПР (6) содержат по шестнадцать ультразвуковых датчиков (9, 10), которые установлены на первом измерительном трубопроводе (7) (фиг. 2). Ультразвуковые датчики (9, 10) образуют восемь пар, которые расположены в четырех плоскостях относительно осевой плоскости первого измерительного трубопровода (7): по два перекрестно расположенных ультразвуковых луча в каждой плоскости. При этом каждая пара создает луч, формируемый по направлению потока и против направления потока среды. Ультразвуковые датчики первого УЗПР (9) подключены к модулю электроники первого УЗПР (11), который определяет скорость потока газа и вычисляет расход газа при рабочих условиях (при действующем в магистральном газопроводе давлении и температуре газа). Ультразвуковые датчики второго УЗПР (10) подключены к модулю электроники второго УЗПР (12), который определяет скорость потока газа и вычисляет расход газа при рабочих условиях (при действующем в магистральном газопроводе давлении и температуре газа). Первый и второй УЗПР (5, 6) образуют сдвоенный ультразвуковой преобразователь расхода газа большого диаметра с основным и дублирующим каналами измерения расхода для обеспечения полноценного дублирования и бесперебойного измерения расхода газа на магистральном газопроводе. Предпочтительно первый УЗПР (5) является основным каналом измерения расхода, а второй УЗПР (6) является дублирующим каналом измерения расхода. Выход сдвоенного УЗПР может быть соединен со входом дополнительного контрольного сдвоенного преобразователя расхода газа большого диаметра (не показано).
Основой канал измерения расхода включает в себя первый датчик давления (13) и первый датчик температуры (14). Дублирующий канал измерения расхода включает в себя второй датчик давления (15) и второй датчик температуры (16).
Для отбора проб для проведения физико-химического анализа состава газа в измерительной линии (1) за вторым УЗПР (6) и термокарманами для установки первого и второго датчиков температуры (14, 16) установлены основной и резервный пробоотборные зонды (17, 18), которые передают отобранные пробы газа систему анализа физико-химических свойств газа (19). Система анализа физико-химических свойств газа (19) может включать в себя хроматограф, анализатор температуры точки росы по воде, анализатор температуры точки росы по углеводородам, анализатор кислорода и/или иные средства измерения физико-химических свойств газа.
Выходы электронных модулей первого и второго УЗПР (5, 6), первого и второго датчиков давления (13, 15), первого и второго датчиков температуры (14, 16) и системы анализа физико-химических свойств газа (19) подключены в измерительную систему ГИС (20). В измерительной системе ГИС (20) осуществляются все необходимые процедуры обработки информации, архивирования, хранения, визуализации данных, формирования отчетов, взаимодействия со смежными системами автоматизации, включая систему автоматического управления (21) и другие функции, предусмотренные проектной документацией.
Выход первой измерительной линии (1) связан с технологическим арматурным блоком (3), который предназначен для подключения к узлу поверки (2) при необходимости проведения поверки первого и второго УЗПР (5, 6).
Узел поверки (2) содержит второй измерительный трубопровод (22) и третий УЗПР (23) меньшего диаметра. Диаметр условного прохода второго измерительного трубопровода составляет до 700 мм (DN700). Для уменьшения неопределенности результатов измерения температуры газа участки второго измерительного трубопровода изолированы съемной тепловой изоляцией (24).
Измерительная линия (1) с первым и вторым УЗПР (5, 6) и узел поверки (2) с третьим УЗПР (23) расположены в подземном бункере (при подземном расположении магистрального газопровода) или в надземном укрытии (при надземном расположении магистрального газопровода).
На входе узла поверки (2) установлено устройство подготовки потока (УПП) (25) типа «Zanker» ГОСТ 8.586.1-5-2005, предназначенное для стабилизации потока в надземной части измерительной линии узла поверки (эталонной линии).
Третий УЗПР (23) является эталонным или образцовым, и поверен на рабочей среде при рабочем давлении во всем диапазоне в аттестованном метрологическом центре.
Третий УЗПР (23) имеет номинальное давление предпочтительно 10 МПа (PN100) и диаметр условного прохода, равный диаметру условного прохода второго измерительного трубопровода. Номинальное давление может быть другим в зависимости от проектного давления в магистральном газопроводе.
Для защиты от осадков, солнечной радиации и перепадов температур (при надземной установке) третий УЗПР (23) размещен внутри теплоизоляционного корпуса. При размещении в подземном бункере теплоизоляция для эталона и рабочих УЗПР большого диаметра не предусматривается (по тепловому расчёту в составе проекта привязки к объекту строительства).
Для повышения достоверности измеренной информации количество ультразвуковых датчиков третьего УЗПР (25) составляет по меньшей мере двенадцать. При этом ультразвуковые датчики третьего УЗПР (25) образуют шесть ультразвуковых измерительных каналов. Все ультразвуковые датчики третьего УЗПР (25) подключены к модулю электроники третьего УЗПР (26).
Третий УЗПР (24) образует эталонный (образцовый) канал измерения расхода. Эталонный канал измерения расхода содержит основной датчик давления (27), дублирующий датчик давления (28), основной датчик температуры (29), дублирующий датчик температуры (30).
Выход модуля электроники третьего УЗПР (26), основного и дублирующего датчиков давления (27, 28), основного и дублирующего датчиков температуры (29, 30) подключены в измерительную систему ГИС (20). Для приведения расхода газа к стандартным условиям на третьем УЗПР используются данные системы анализа физико-химических свойств газа (19).
Входные и выходные участки первого, второго и третьего УЗПР (5, 6 25) располагают подземно или надземно (в зависимости от размещения магистрального трубопровода в точке подключения газоизмерительной станции).
С выходом узла поверки (2) соединена линия регулирования расхода (4), представляющая собой кран регулятор (31) расчетного диаметра. Кран регулятор (31) встроен в трубопровод узла поверки (2). Необходимость установки крана регулятора (3) определяется согласно технологических режимов работы магистрального газопровода в месте установки однониточной ГИС. Между первым и вторым измерительными трубопроводами предусмотрена возможность прямого измерения перепада давления датчиками перепада давления (не показано).
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенным выше примером.
Описание работы
.
Перед применением в однониточной ГИС первый и второй УЗПР (5, 6) большого диаметра испытывают. На первом этапе испытаний осуществляют их «сухую» калибровку на азоте или иной среде с известным компонентным составом при атмосферном давлении или избыточным давлением в соответствии с рекомендациями изготовителя. На втором этапе проводят проверку работоспособности на потоке воздуха при атмосферном давлении во всем диапазоне измерения расходов. После успешного прохождения указанных испытаний первый и второй УЗПР (5, 6) используют в составе однониточной ГИС.
Установка первого и второго УЗПР (5, 6), а также потоковых средств измерения физико-химических показателей (далее ФХП), предусматривают в условиях единых эксплуатационных характеристик (температурно-климатическом диапазоне) внешней среды для обеспечения возможности проведения поверки на месте эксплуатации в плановые сроки. Указанные условия создаются строящимся на магистральном газопроводе подземном укрытии ГИС (или надземном укрытии при подключении ГИС к надземному магистральному газопроводу). Для случаев надземной прокладки магистрального газопровода установка первого и второго УЗПР (5, 6) большого диаметра, эталонного третьего УЗПР (24) и потоковых средств измерения ФХП газа осуществляют в надземном укрытии ГИС блочно-комплектного изготовления в условиях единых эксплуатационных характеристик. Для надземных прямых участков на узле поверки (2) устанавливают теплоизоляцию (24), для средств контроля ФХП - обогреваемые шкафы.
Третий УЗПР (24) перед применением на узле поверки должен быть откалиброван на метрологическом стенде высокого давления во всем диапазоне рабочих расходов и аттестован в установленном порядке в качестве эталонного средства измерений. Для демонтажа и монтажа третьего УЗПР на узле поверки со съемными прямыми участками в подземном или надземном укрытии ГИС предусмотрен грузоподъемный механизм - таль ручная червячная передвижная.
На однониточной ГИС предусматривается автоматизированное определение, измерение и контроль физико-химических показателей газа потоковыми средствами измерения, входящими в состав системы анализа физико-химических свойств газа (19), включая: хроматограф, анализатор температуры точки росы по воде, анализатор температуры точки росы по углеводородам, анализатор кислорода с системой подготовки газа (не показано). Потоковые приборы по определению физико-химических показателей газа размещаются на минимальном расстоянии от точки отбора проб в соответствии с условиями эксплуатациями приборов.
Основным режимом работы однониточной ГИС является режим измерения расхода газа в магистральном газопроводе. В этом режиме краны технологического арматурного блока (3) перекрывают подачу газа на узел поверки (2).
В работе находятся основной и дублирующий канал измерения расхода газа, включающий первый и второй УЗПР (5, 6), первый и второй датчики давления (15, 16), датчики температуры (14, 16) и средства измерения в составе системы анализа физико-химических свойств газа (19).
Измерение объемного расхода и объема газа на ГИС, приведенных к стандартным условиям, выполняют косвенным методом динамических измерений, основанном на измерении объемного расхода и объема газа при рабочих условиях с помощью первого и второго УЗПР (5, 6) большого диаметра и их приведении к стандартным условиям с использованием средств обработки результатов измерений (в составе измерительной системы (20)) с применением результатов измерений давления, температуры и компонентного состава природного газа.
В режиме поверки в условиях эксплуатации осуществляется сравнение результатов измерения первого и второго УЗПР (5, 6) с третьим УЗПР (24) (эталонным) на узле поверки. Для переключения в режим поверки в технологическом арматурном блоке осуществляется перестановка запорной арматуры так, чтобы к измерительной линии (1) с первым и вторым УЗПР (5, 6) последовательно подключить узел поверки (2).
В режиме поверки расходы газа через первый и второй УЗПР (5, 6) измерительной линии (1), а также третий УЗПР (24) узла поверки (2) регулируются с помощью крана регулятора (31) на линии регулирования расхода (4).
В процессе эксплуатации (при проведении внутритрубной дефектоскопии или необходимости замены пробоотборных зондов (17, 18), защитных гильз датчиков температуры (14, 16), трансдьюсеров УЗПР большого диаметра (не показано)) предусматривается возможность использования комплектного специализированного инструмента для демонтажа или монтажа под давлением пробоотборных зондов (17, 18) автоматизированного отбора проб газа, защитных гильз датчиков температуры (14, 16), а также трансдьюсеров УЗПР.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть собрана в заводских условиях с контролем метрологических характеристик на машиностроительных предприятиях группы ПАО «Газпром автоматизация», имеющих опыт производства блочно-комплектных узлов измерений, и найдет широкое применение в области транспортировки газа.