Повышение точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа

Проблема измерения расхода газа при транспортировке уже давно является одной из актуальных проблем развития технико-технологических аспектов развития газовой отрасли, что имеет под собой весьма значительное экономическое обоснование, поскольку газовая отрасль была и остается основой благополучия нашей страны. Поставки газа осуществляют не только по всей территории нашей страны, но и за рубеж, где потребление газа столь же активно.
Основной способ транспортирование газа до потребителя является трубопроводный транспорт, который, учитывая расстояния до конечного пункта, протянулся на множество тысяч километров с устройством газораспределительных пунктов на основных ключевых участках. Транспортирование газа на значительные расстояния приводит к возникновению множества причин, способных привести к утечке газа, падению давления в трубопроводе. Кроме того, существует такое явление, как пульсация потока газа, вследствие нарушения работы перекачивающего оборудования. Каждое из данных нарушений необходимо фиксировать оперативно, чтоб избежать значительных потерь газа.
Помимо этого, измерение расхода газа напрямую определяет получение прибыли от его продажи: чем точнее будет измерен переданный объем, тем точнее будет установлен размер оплаты. Данный аспект имеет особое значение для территорий со значительным диапазоном перепада температур, что напрямую влияет на объемные и потоковые характеристики газа. При понижении температуры меняется также и фазовые характеристики газа, что в конечном итоге приводит к потерям при конечном учете газовой фазы.
Многочисленные исследования и разработка полезных моделей в настоящее время сталкивается с некоторыми проблемами в практической реализации. Причины этому заключается в необходимости остановки всей цепи транспортировки газа, так как установка подобного оборудования реализуется на выходе из газораспределительных пунктов, что невозможно к осуществлению лишь в случае полного прекращения работы перекачивающего узла. Поэтому подавляющая часть испытаний проводится с помощью испытательных стендов.
Общую совокупность способов измерения расходов газа можно подразделить на классические (при помощи диафрагмы) и современные (ультразвуковое измерение). Каждый из данных методов имеет свои преимущества и недостатки. Многие из последних моделей расходомеров, относящиеся к вышеупомянутым типам, обладаю практически равной эффективностью, но серьезно отличаются в своих технических требованиях и условиях работы.
Отдельным аспектом при повышении точности измерения расходов газа является сама работа газораспределительных пунктов. Данные пункты устанавливаются для усиления степени контроля процессов транспорта газа. Установка узла измерения расхода газа производится, как правило, на выходе из ГРП. Именно этот аспект в данной ситуации носит ярко-выраженный негативный характер, поскольку работа измерительного узла, включая его обслуживание и контроль, не отделима с технической точки зрения от контроля функционирования всего пункта.
На сегодняшний день, процесс измерения расхода газа полностью описан с математической точки зрения, включая полное коэффициентное моделирование, но при этом изучение литературных источников по данной теме позволяет судить о недостаточности учета физической взаимосвязи с внешними воздействиями, кроме шероховатости поверхности трубопровода, которая хоть и является одним из основополагающих факторов, но все же незначительной для моделирования.
Учитывая все вышесказанное можно сделать вывод о том, что в существующей проблеме, а точнее технологическом сопровождении ее решения существует множество пробелов и не решенных задач, что вполне соответствует действительности. В данной ситуации актуальность данной работы видится как практическое усовершенствование узла измерения расхода газа на основании изучения всех аспектов моделирования процессов, а также с учетом сравнения современных моделей измерения расхода газа при транспортировке.
Цель работы состоит в необходимости предложении мероприятий по повышению точности измерения расходов газа, включая техническое и технико-экономическое обоснование.
Задачи работы:
охарактеризовать основные свойства потока газа;
рассмотреть причины потери газа;
изучить основные способы измерения расхода газа;
обосновать актуальность повышения точности измерения расходов газа;
разработать технологическое решение по повышению точности измерения расходов газа;
провести расчет и обоснование инструментального обеспечения повышения точности измерения расходов газа;
провести экономическое обоснование применения рассматриваемой модели;
охарактеризовать экологическую безопасность и безопасность труда в рассматриваемой отрасли.
Научная новизна работы складывается из сравнения процессов эффективности различных типов расходомеров.
Практическая новизна работы обусловлена изучением качественных характеристик расходомеров.

Аннотация 4
Введение 5
Глава 1. Характеристические особенности движения газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 8
1.1. Анализ свойств потока газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 8
1.2. Оценка причин потерь газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 21
1.3. Анализ контрольно-измерительной арматуры на системах трубопроводного транспорта природного газа 25
Глава 2. Проблематика измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 30
2.1. Обзор способов измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 30
2.2. Применение методов теории инвариантности измерительных устройств для задач измерения расхода газа 32
2.3. Оценка эффективности способов измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 33
2.4. Актуальность повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 42
Глава 3. Технологическое обеспечение повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 50
3.1. Разработка технологического решения повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 50
3.2. Расчет и обоснование приборной базы для повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 68
3.3. Обоснование инструментального обеспечения для повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 76
Глава 4. Технико-экономическое обоснование системы повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 91
4.1. Обоснование экономических параметров системы повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 91
4.2. Основы безопасности при установки системы повышения точности измерения расхода газа в системах трубопроводного транспорта природного газа 97
4.3. Обеспечение охраны окружающей среды 116
Заключение 122
Библиографический список 124

Как было отмечено ранее, повышение точности измерения расхода газа – это вопрос достаточно актуальный для развития газовой отрасли, а также согласно расчетам еще и экономически целесообразный, что существенно отражается на экономическом состоянии нашей страны. Проведенные исследования характеризуются высокой научной и практической ценностью.
По результатам проведенной работы можно сделать несколько практических и теоретических выводов, касающихся результатов работы напрямую:
1. В трубном течении газа с относительно небольшим перепадом давления изменение температуры газа вдоль трубы также мало, а потому оно не может оказать серьёзного влияния на характер течения (в сравнении с «несжимаемым» случаем).
2. Нарушения в работе магистральных систем газоснабжения могут быть вызваны колебаниями давления газа от источника. Давление газа меняется в зависимости от режимов его потребления: в периоды повышенного потребления, а также при подключении крупных потребителей оно может оказаться меньше расчетного.
3. Погрешность тахометрических расходомеров различна, у одних счетчиков допускаемые пределы погрешности составляют порядка 3% в нижнем (от до ) и 1,5% в верхнем (от до ) диапазонах измерений, у других погрешность измерений не превышает 1% в диапазоне от до минимальных расходов. Погрешность расходомеров и счетчиков с тахометрическими преобразователями значительно снижается до 0,5 - 0,25%.
4. Измерение расхода и количества жидкостей и газов является не простой задачей, которая связана в первую очередь с задачей определения скорости движущегося потока. Определяемая скорость движущейся среды зависит от модели течения газов и жидкостей. Под моделью среды вообще подразумевают совокупность управляющих данным процессом уравнений и дополнительных условий, которые определяют данный процесс течения полностью. Разработано огромное количество моделей течения газов и жидкостей, но, к сожалению не все модели имеют строго аналитические решения.
5. Применяя уравнение Д. Бернулли для вывода уравнения измерения расхода с помощью сужающих устройств, получают некоторый коэффициент, который представляет собой комплекс параметров потока, называемый коэффициентом истечения сужающего устройства. Большинство параметров, которые входят в состав коэффициента истечения нельзя описать аналитически или полностью оценить количественно, что является причиной погрешностей, которые возникают в процессе эксплуатации системы измерения расхода.
6. При реализации метода следует удалять особое внимание выбору расходомера, который устанавливается в байпас. В качестве варианта к установке выбираем ультразвуковой расходомер RMG USZ 08. Данный тип датчиков в настоящее время пользуется все большим спросом вследствие надежности измерений, а также отсутствием зависимости от фазового состояния газа.

1. Ж 10/ Н 832 Нормативные документы в области метрологии: указатель. – М., 2011. – 180 с.
2. Ж 10/ Р 852 Руководящие документы, рекомендации и правила:указатель, 2013 (по состоянию на 01.01.2013). – М.: Стандартинформ, 2013. – 111 с.
3. З 386/ У 919 № 2 Учет тепловой энергии и теплоносителя. Выпуск 2. – М.: Энергосервис, 2004. – 208 с.
4. З 280/ П 683 Правила учета электрической энергии: сборник документов. – М.: Энергосервис, 2002. – 362 с.
5. Ж 10/ Г 727 Государственный реестр средств измерений: указатель, 2013. - М.: Стандартинформ, 2013. – 639 с.
6. З 965/ П 750 Приборы и средства автоматизации. Средства измерения, контроля и автоматизации в отраслях промышленности: номенклатурный каталог-справочник. – М., 2012. – 300 с.
7. Н 761/ С 409 Системы коммерческого учета энергоресурсов (АСКУЭ, электро-, газо-, водо- и теплосчетчики): сборник промышленных каталогов Приборы и средства автоматизации. – М., 2011. – 176 с.
8. З 324/ С 752 Средства измерения и регулирования параметров потока и расхода веществ: сборник промышленных каталогов ПК-1.1.1. – М., 2012. – 274 с.
9. Н 761/ С 752 Средства измерения и регулирования параметров потока, расхода, уровня и объема веществ: промышленный каталог ПК-1.1. – М., 2010. – 360 с.
10. З 965/ П 750 № 4 Приборы и средства автоматизации. ПК- 4. Системы коммерческого учета энергоресурсов: отраслевой промышленный каталог. – М., 2006. – 110 с.
11. З 221/ Э 651 Энергетика и энергосбережение: ТПВ-12. – М., 2007.
12. З 221/ С 934 Счетчики электрические: сборник. – М.: Стандартинформ, 167 с.
13. Н 763/ П 814 Промышленное газовое оборудование: справочник. – 6-е изд., перераб. и доп. – Саратов.: Газовик, 2013. – 1280 с.
14. 13.00 Счетчики электрической энергии (электрические и электронные): ПК 13.00.131-09 … ПК 13.00.141-11 Счетчики электрической энергии однофазные электронные Вектор-2, и др.
15. 13.11 Приборы для измерения количества и расхода тепловой энергии: ПК 13.11.68-07 … ПК 13.11.72-11 Многоканальный теплосчетчик ТС-11, и др.
16. 13.13. Счетчики воды. Счетчики газа (приборы для измерения и регулирования расхода и количества жидкостей, газов и сыпучих материалов): ПК 13.13.114-07 … ПК 13.13.123-07 Счетчики холодной и горячей воды крыльчатые «Нева», и др.
17. ПК 13.13.129-08 … ПК 13.13.135-08 Счетчики газа мембранные G10, G16, … G100. и др. (см. Указатель Информэлектро «Каталоги и справочники по электротехнике» на 01.01.2011.)
18. РМГ 74-2004 ГСИ. Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений.
19. ГОСТ 8.259-2004 ГСИ. Счетчики электрические индукционные активной и реактивной энергии. Методика поверки.
20. ГОСТ 8.324-2002 ГСИ. Счетчики газа. Методика поверки.
21. ГОСТ 8.584-2004 ГСИ. Счетчики статические активной электрической энергии переменного тока. Методика поверки.
22. ГОСТ 31818.11 – 2012 (IEC 62052-11:2003) Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Общие требования. Испытания и условия испытаний. Ч.11. Счетчики электрической энергии.
23. ГОСТ 31819.11 – 2012 (IEC 62053-11:2003) Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч.11. Электромеханические счетчики активной энергии классов точности 0,5; 1 и 2.
24. ГОСТ 31819.21 – 2012 (IEC 62053-21:2003) Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч.21. Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2.
25. ГОСТ 31819.22 – 2012 (IEC 62053-22:2003) Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч.22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S.
26. ГОСТ 31819.23 – 2012 (IEC 62053-23:2003) Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч.23. Статические счетчики реактивной энергии.
27. ГОСТ IEC 61037 – 2011 Учет электроэнергии. Тарификация и управление нагрузкой. Особые требования к электронным приемникам с импульсным управлением. (Есть в БД Норма-CS)
28. ГОСТ IEC 61038 – 2011 Учет электроэнергии. Тарификация и управление нагрузкой. Особые требования к переключателям по времени. (Есть в БД Норма-CS)
29. ГОСТ IEC 61107 – 2011 Обмен данными при считывании показаний счетчиков, тарификации и управлении нагрузкой. Прямой локальный обмен данными. (Есть в БД Норма-CS)
30. ГОСТ IEC 61142 – 2011 Обмен данными при считывании показаний счетчиков, тарификации и управлении нагрузкой. Обмен данными по локальной шине.
31. ГОСТ Р 8.563 – 2009 ГСИ. Методики (методы) измерений.
32. ГОСТ Р 8.728 – 2010 ГСИ. Оценивание погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя в водяных системах теплоснабжения.
33. ГОСТ Р 8.778 – 2011 ГСИ. Средства измерений тепловой энергии для водяных систем теплоснабжения. Метрологическое обеспечение. Основные положения.
34. ГОСТ Р 8.740 – 2011 ГСИ. Расход и количество газа. Методика измерений с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счетчиков.
35. ГОСТ Р 52932 – 2008 Счетчики электромагнитные, ультразвуковые, вихревые и струйные для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия.
36. ГОСТ Р 53905 – 2010 Энергосбережение. Термины и определения.
37. ГОСТ Р 54130 – 2010 Качество электрической энергии. Термины и определения.
38. ГОСТ Р 54149 – 2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
39. ГОСТ Р 55105 – 2012 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем. Нормы и требования.
40. ГОСТ Р ЕН 1434-1 – 2011 Теплосчетчики. Ч.1. Общие требования.
41. ГОСТ Р ЕН 1434-2 – 2011 Теплосчетчики. Ч.2. Требования к конструкции.
42. ГОСТ Р ЕН 1434-3 – 2011 Теплосчетчики. Ч.3. Обмен данными и интерфейсы. (Есть в БД Норма-CS)
43. ГОСТ Р ЕН 1434-4 – 2011 Теплосчетчики. Ч.4. Испытания в целях утврждения типа.
44. ГОСТ Р ЕН 1434-5 – 2011 Теплосчетчики. Ч.5. Первичная поверка.
45. ГОСТ Р ЕН 1434-6 – 2011 Теплосчетчики. Ч.6. Установка, ввод в эксплуатацию, контроль, техническое обслуживание.
46. ГОСТ Р ИСО 50001 – 2012 Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство по применению.
47. МИ 2536-99 ГСИ. Показатели качества электрической энергии на объектах учета. Общие требования к методикам выполнения измерений.
48. МИ 2553-99 ГСИ. Энергия тепловая и теплоноситель в системах теплоснабжения. Методика оценивания погрешности измерений. Основные положения.
49. МИ 2573-2000 ГСИ. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Методика поверки. Основные положения.
50. МИ 2594-2000 ГСИ. Теплосчетчики и счетчики количества теплоносителя. Методика установления и подтверждения межповерочных интервалов.
51. МИ 2813-2003 ГСИ. Учет тепловой энергии и количества теплоносителя. Алгоритмы реакции теплосчетчиков на нештатные ситуации при учете тепловой энергии.
52. МИ 2299-2001 ГСИ. Электромагнитные теплосчетчики, расходомеры и счетчики- расходомеры. Методика поверки. (Есть в БД Норма-CS)
53. МИ 2834-2003 ГСИ. Счетчики воды. Методика поверки с прим енением эталонных мерников. (Есть в БД Норма-CS)
54. МИ 2944-2005 Счетчики газа бытовые. Методика поверки на месте эксплуатации с помощью эталонного счетчика. (Есть в БД Норма-CS)
55. МИ 2985-2006 ГСИ. Счетчики холодной и горячей воды. Типовая методика испытаний на воздействие внешних магнитных полей. (Есть в БД Норма-CS)
56. МИ 2997-2006 ГСИ. Квартирные счетчики холодной и горячей воды. Методика периодической (внеочередной) поверки при эксплуатации. (Есть в БД Норма-CS)
57. МИ 3350-2011 ГСИ. Счетчики газа турбинные, ротационные и вихревые в составе узлов учета газа. Методика расчета погрешности измерений объема газа, приведенного к стандартным условиям. (Есть в БД Норма-CS)
58. МИ 3235-2009 ГСИ. Счетчики газа турбинные, ротационные и вихревые в составе узлов учета газа. Методика определения погрешности (суммарной неопределенности) измерений объема газа в реальных условиях эксплуатации узлов учета. (Есть в БД Норма-CS).
59. СТО Газпром 5.32-2009 Обеспечение единства измерений. Организация измерений природного газа.
60. СТО Газпром 5.35-2009 Обеспечение единства измерений. Расход и количество природного газа. Методика выполнения измерений с помощью кориолисовых расходомеров.
61. СТО Газпром 5.37-2011 Обеспечение единства измерений. Единые технические требования на оборудование узлов измерения расхода и количества природного газа, применяемых в ОАО «Газпром».
62. Волков Е.А. Численные методы СПб.-М.-Краснодар: Лань, 2004. 256 с.
63. Гимадиев А.Г., Кашапов И.Д. Экспериментальное определение составляющих погрешности газового диафрагменного расходомера из-за пульсаций перепада давления // Самар. госуд. аэрокосмич. ун-т. Самара, 2001. - 10 с. Деп. ВИНИТИ, №.858-В2001 от 03.04.2001 г.
64. ГОСТ 2939-63 Газы. Условия для определения объема. М.: ИПК Издательство стандартов, 1995. 2 с.
65. ГОСТ 30319.2-96 Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. 16 с.
66. ГОСТ 8.563.1-97 Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. 62 с.
67. ГОСТ 8.586.2 2005 Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. М.: ИПК Издательство стандартов, 2007. 42 с.
68. ГОСТ 15528 — 86 Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1997. 40 с.
69. Гришанов И.А., Покрас С.И., Покрас А.И. Ультразвуковая расходометрия: дорогая экзотика или современный метод измерения // Датчики и системы. 2005. №5. С. 17-21.
70. Даев Ж. А. Об остроте входной кромки диафрагмы для измерения расхода газа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №12. С. 29 30.
71. Даев Ж.А. Расходомер переменного перепада давления с расширяющим устройством // Датчики и системы. 2009. №12. С. 2 4.
72. Даев Ж.А., Латышев Л.Н., Коловертнов Г.Ю. Еще раз об остроте входной кромки диафрагмы // Нефтегазовое дело. 2008. Т. 6. №1. С. 91 95.
73. Даев Ж. А., Латышев Л.Н. Определение среднего радиуса закругления диафрагмы вероятностным подходом //57-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: сборник тезисов докладов. Кн. 1. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. 287 с.
74. Деревягин A.M., Комаров Ю.В., Дроздовский В.А. Интеллектуальный датчик-расходомер «Гиперфлоу-ЗПМ». Измерительные системы на его основе // Датчики и системы. 2004. №5. С. 53 59.
75. Елигазарян Э.Л. Способы улучшения параметров тахометрических расходомеров. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. № 4. С. 66 69.
76. Казадаев Е.В. Влияние профиля потока на работу ультразвуковых газовых расходомеров // Газовая промышленность. 2006. № 3. С. 67 69.
77. Кашапов И. Д. Выбор параметров установки для исследования характеристик расходомеров в условиях пульсирующего потока газа // Самар. госуд. аэрокосмич. ун-т. -Самара, 2000. 6 с. Деп. ВИНИТИ, №. 2905-В00 от 15.11.2000 г.
78. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. СПб.: Политехника, 2002. 410с.
79. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2003. 736 с.
80. Латышев Л.Н., Даев Ж.А. Система измерения расхода, исключающая влияние коэффициента истечения // Электронный журнал «Нефтегазовое дело». 2009. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Latyshev/Latyshev2.pdf (дата обращения: 25.11.2009)
81. Латышев Л.Н., Даев Ж.А. Метод повышения точности расхода газа // Датчики и системы. 2010. №1 С. 31-34.
82. Лиманова Н.И. Тестовый метод повышения точности измерений датчиков с нелинейными дробно-рациональными функциями преобразования // Приборы исистемы. Управление, контроль, диагностика. 2000. № 10. С. 28 — 31.
83. Лотов К.В. Физика сплошных сред. М. Ижевск: «Институт компьютерных исследований», 2002. 144 с.
84. Пистун Е.П., Лесовой Л.В. Уточнение коэффициента истечения стандартных диафрагм расходомеров переменного перепада давления // Датчики и системы. 2005. №5. С. 14-16.
85. Письменный Д.Т. Конспект лекций по теории вероятностей, математической статистике и случайным процессам. М.: Айрис-пресс, 2006. 285 с.
86. Романов В.Н. Точность средств измерений. СПб.: Северо-Западный заочный технический университет, 2006. 162 с.
87. Садовский Г.А. Теоретические основы информационно-измерительной техники. М.: Высшая школа, 2008. 478 с.
88. Слива Е.С. Коррекция характеристик информационных пневмогидравлических цепей для повышения точности систем измерения параметров двигателей и энергетических установок. Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Самара, 2000. - 193 с.
89. Стулов В.П. Лекции по газовой динамике. М.: Физматлит, 2004. 192 с.
90. Установка для калибровки расходомеров // Гимадиев, А. Г., Кашапов И. Д. -Решение о выдаче свидетельства РФ на полезную модель № 023374 от 18.08.2000 г.
91. Шелби Д. Структура, свойства и технология стекла. М.: Научный мир, 2006. 288 с.
92. Электротехнические и конструкционные материалы // Под редакцией Филикова В.А. М.: Академия, 2007. 275 с.
93. ISO 5167-2:2003. Measurement of fluid flow by means of orifice plates, nozzles and venture tubes inserted in circular cross-section conduits running full. Part2: Orifice plates.