Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Měření průtoku zemního plynu průtokoměrem Altosonic V12

Firma Krohne uvedla na počátku roku na trh ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12. Při vývoji tohoto průtokoměru zúročila téměř třicetileté zkušenosti z vývoje a výroby ultrazvukových průtokoměrů. Výsledkem je unikátní ultrazvukový průtokoměr pro měření vysokotlakého zemního plynu v obchodním styku, který se vyznačuje vynikající přesností a dlouhodobou stabilitou měření i za nepříznivých provozních podmínek a je vybaven špičkovými diagnostickými prvky procesu měření. Tím poskytuje uživateli významně větší jistotu správné funkce oproti obdobným konkurenčním průtokoměrům.
 

Úvod

 
Zemní plyn je právem nazýván ekologickým palivem současnosti. Jeho spaliny neobsahují žádné tuhé látky ani oxidy síry a rovněž obsah ostatních škodlivých látek (např. CO2, NOx) je výrazně menší než u jiných fosilních paliv. Množství energie získávané ze zemního plynu lze velmi snadno a efektivně regulovat, a proto je možné energii v něm obsaženou využít plně a beze ztrát. Výraznou výhodou zemního plynu je také to, že je dlouhodobě skladovatelný v plynném stavu v podzemních zásobnících, a tím může výrazně pozitivně ovlivnit energetickou bezpečnost jednotlivých států nebo regionů. Současně ale trvale rostou náklady na těžbu a přepravu zemního plynu a otázka cen energií představuje jedno z klíčových témat ve všech hospodářstvích. Přesné a spolehlivé měření průtoku a množství zemního plynu může významně ovlivnit vzájemné vztahy dodavatelů a odběratelů, a je proto nezbytnou součástí všech potrubních systémů pro dopravu zemního plynu z nalezišť k odběratelům.
 

Základní pojmy a princip měření

 
Ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12 (obr. 1) od firmy Krohne využívá princip měření doby průchodu ultrazvukového signálu proudícím plynem. Střední rychlost průtoku plynu se určuje z rozdílu mezi dobou průchodu ultrazvukového signálu ve směru průtoku a proti směru průtoku měřeného plynu.
 
Ultrazvukový senzor zajišťuje přeměnu elektrického signálu na akustický a obráceně; senzor může být současně vysílačem i přijímačem (funkce se mění automaticky pomocí elektronické jednotky průtokoměru).
 
Akustický průchod je spojnice mezi protilehlými stěnami měřicí trubice průtokoměru, akustická dráha je celková dráha, kterou urazí ultrazvukový signál mezi vysílačem a přijímačem ultrazvukového signálu v průtokoměru. Akustická dráha se může skládat z jednoho nebo více akustických průchodů – viz obr. 2, kde akustickou dráhu tvoří jeden akustický průchod. Jsou zde zároveň vyznačeny hlavní veličiny popisující měřicí princip. Doba průchodu ultrazvukového signálu ze senzoru A do senzoru B tAB je
 
tAB = L/(c + v cos φ)     (1)
 
kde v je střední rychlost proudění plynu, L délka akustické dráhy (zde jeden akustický průchod), c rychlost šíření ultrazvuku v měřeném plynu, φ úhel mezi osou snímače a osou potrubí.
 
Doba průchodu signálu opačným směrem
 
tAB = L/(cv cos φ)     (2)
 
Řešením soustavy rovnic se dostane
 
(3)
 
a
 
(4)
 
Ultrazvukové průtokoměry pro plyny mají zpravidla tři nebo více akustických drah a tomu odpovídající počet senzorů.
 

Uspořádání akustických drah a jeho význam pro kompenzaci vírů

 
Ultrazvukový průtokoměr pro plyny může mít akustické dráhy uspořádány několika způsoby. V tab. 1 jsou znázorněny některé z nich. Proč tomu tak je? Rovnice (1) vychází z toho, že vektor rychlosti proudění je rovnoběžný s osou potrubí. Ale v reálných podmínkách tomu tak vždy není, protože v potrubí se vytvářejí víry. Výsledky matematických modelů i měření v praxi uvádějí dva základní způsoby vzniku vírů vlivem uspořádání potrubí, jež jsou znázorněny na obr. 3 a obr. 4.
 
Vliv vírů na proces měření je velmi podstatný. Uspořádání měřicí tratě v reálném provozu se totiž může významně lišit od uspořádání při kalibraci, a tím vznikne dodatečná chyba měření, která se navíc bude měnit podle způsobu instalace průtokoměru.
 
Ultrazvukové průtokoměry pro plyny s paralelním uspořádáním kanálů a jedním akustickým průchodem jsou imunní proti vlivu vírů za prostorovým kolenem, naproti tomu ultrazvukové průtokoměry se dvěma nebo více průchody jsou schopny kompenzovat vliv vírů za jedním kolenem. Ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12 kombinuje výhody obou uvedených uspořádání. Každý měřicí kanál je schopen díky uspořádání své akustické dráhy s jedním odrazem kompenzovat vliv víru tak, jak je znázorněno na obr. 5, tzn. eliminovat vliv víru za jedním kolenem. V obrázku vg značí axiální složku rychlosti proudění plynu, vs složku rychlosti víru kolmou k ose potrubí, v1 a v2 jsou rychlosti změřené v obou průchodech akustickou dráhou. Je zřejmé, že
 
v1 = vg cos φ + vssin φ     (5)
 
v2 = vg cos φ – vssin φ     (6)
 
Po dosazení
 
v = (v1 + v2)/2 = vg cos φ     (7)
 
Současně, protože jsou akustické dráhy uspořádány paralelně, je průtokoměr schopen eliminovat také vliv víru za prostorovým kolenem, což je vlastnost průtokoměrů s paralelním uspořádáním akustických drah.
 

Indikace vzniku usazenin ve spodní části měřicí trubice

 
V reálných provozních podmínkách může dojít ke znečištění vnitřního povrchu měřicí trubice. Je-li průtokoměr instalován ve vodorovném potrubí a ve spodní části měřicí trubice se vytvoří tenká vrstva usazenin (např. kondenzátu nebo prachu), mohou vzniknout významné chyby měření. Například u průtokoměru o vnitřním průměru d = 300 mm způsobí nános prachu o tloušťce 0,5 mm na dně potrubí přídavnou chybu měření 0,06 %. Převeďme nyní tuto chybu do peněžního vyjádření. Měřicí trať se čtyřmi průtokoměry měří průtok zemního plynu o tlaku 5 MPa. Průměrný průtok je 25 % maximálního možného průtoku. Při současných průměrných cenách plynu bude cena plynu změřeného těmito čtyřmi průtokoměry za rok 1 156 000 000 eur a přídavná chyba vlivem usazenin bude činit 693 600 eur za rok.
 
Ultrazvukový průtokoměr Krohne Altosonic V12 je vybaven přídavnou akustickou drahou, která není určena k měření, ale neustále monitoruje dno měřicí trubice. Je schopna indikovat vznik usazenin o tloušťce již 0,2 mm a okamžitě upozornit uživatele na vznik usazenin na dně průtokoměru, a tedy na ohrožení přesnosti měření. Mírou indikace vzniku usazenin je změna délky akustické dráhy, která se projeví zdánlivou odchylkou rychlosti šíření ultrazvukového vlnění v měřeném plynu od rychlosti, která je měřena v ostatních akustických drahách.
 

Indikace vzniku usazenin na stěnách měřicí trubice

 
Ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12 může indikovat také vznik usazenin na stěnách měřicí trubice, na vyzařovacích ploškách ultrazvukových senzorů nebo na pouzdrech senzorů.
 
Pro analýzu je možné vyhodnotit:
  • intenzitu a odstup signál-šum ultrazvukového signálu přijatého senzorem,
  • změnu rychlosti šíření ultrazvuku v dané akustické dráze ve srovnání s ostatními akustickými drahami a ve srovnání s teoretickou rychlostí šíření ultrazvuku v měřeném plynu, která je dána tlakem, teplotou a složením zemního plynu.
Pro vyhodnocení vzniku usazenin je k dispozici osmnáct sledovaných míst (dvanáct senzorů, čtyři odrazné plošky ve tvaru senzorů a dvě místa, kde se ultrazvukové vlnění odráží přímo od stěny; obr. 6).
 

Identifikace nežádoucí změny tvaru rychlostního profilu proudícího plynu

 
Provoz ultrazvukového průtokoměru v reálné situaci může být negativně ovlivněn nežádoucími zásahy do uspořádání měřicí tratě a jinými provozními vlivy, které mohou narušit správný tvar rychlostního profilu proudícího plynu. Ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12 je vybaven diagnostickými nástroji, které umožní tuto změnu bezprostředně identifikovat a upozornit uživatele.
 
Každá akustická dráha je schopna měřit okamžitou rychlost proudění plynu. Rychlost v jednotlivých akustických drahách musí odpovídat teoretické rychlosti, která je dána tvarem rychlostního profilu. Tvar tohoto rychlostního profilu je známý a závisí na střední rychlosti proudění, viskozitě plynu a vnitřním průměru měřicí trubice (obr. 7). Akustické dráhy, jejichž rychlosti jsou na obr. 7 označeny modře, se nacházejí ve vzdálenostech jedné čtvrtiny průměru od stěny i od osy průtokoměru. Okamžitá rychlost proudění v těchto místech téměř nezávisí na tvaru rychlostního profilu. Naopak rychlost proudění v akustických drahách, jejichž rychlosti jsou označeny červeně, závisí na tvaru rychlostního profilu velmi
významně. Jakékoliv odchylky od požadovaného tvaru rychlostního profilu jsou okamžitě vyhodnoceny a provozovatel je varován.
 

Základní technické a metrologické vlastnosti průtokoměru Altosonic V12

 
Ultrazvukové průtokoměry Altosonic V12 jsou určeny pro měření průtoku zemního plynu v obchodním styku a vyrábějí se v rozsahu DN 100 (4") až DN 600 (24"), s přírubovým připojením podle ANSI 150 až ANSI 900. Mají pět paralelně uspořádaných akustických drah v odrazném módu pro měření průtoku a jednu akustickou dráhu v odrazném módu pro diagnostické účely. Jsou vybaveny lokálním grafickým displejem a mají čtyři impulzní výstupy, které mohou být nastaveny i jako stavové výstupy, a dvě sběrnice RS-485 pro dálkový přenos měřených hodnot. Vyhovují pro provoz v prostředí s nebezpečím výbuchu, mají certifikát ATEX (PTB 08 ATEX 1089X) pro provedení EEx d. Napájecí napětí je 24 V DC, příkon průtokoměru činí 10 W.
 
Požadovaný přímý úsek potrubí před průtokoměrem je desetinásobek jmenovité světlosti průtokoměru; při použití deskového usměrňovače průtoku postačuje pětinásobek. Požadovaný přímý úsek potrubí za průtokoměrem je trojnásobek jmenovité světlosti.
 
Průtokoměr je vybaven interní diagnostikou a měří oba směry průtoku. Vyznačuje se velkým měřicím rozpětím (což je poměr maximální a minimální měřitelné hodnoty průtoku). Metrologické vlastnosti byly ověřeny vydáním rozhodnutí o schválení typu měřidla v souladu se směrnicí MID pro měření průtoku zemního plynu v obchodním styku (číslo schválení (T10170) ve třídě přesnosti 1 %. Průtokoměr byl rovněž zkoušen v souladu se směrnicí OIML R 137-1 a jako jediný ultrazvukový průtokoměr pro plyny má schválení pro třídu přesnosti 0,5 (číslo certifikátu CVN-710381-02).
 
Podrobné technické údaje je možné nalézt na internetových stránkách firmy Krohne (www.krohne.com).
 
Typické zapojení ultrazvukového průtokoměru Altosonic V12 v sestavě pro měření průtoku zemního plynu v obchodním styku je na obr. 9. Průtokoměr je nainstalován v potrubí s předepsanými přímými úseky před průtokoměrem a za průtokoměrem. Pulzní výstup z průtokoměru je veden do přepočítávače průtoku. Do přepočítávače průtoku jsou rovněž přivedeny hodnoty ze snímačů teploty a tlaku měřeného plynu a dále informace o složení měřeného plynu. Diagnostické hodnoty z průtokoměru jsou do přepočítávače z průtokoměru přivedeny sběrnicí RS-485.
 
Přepočítávač (např. Summit 8800 od firmy Krohne) zobrazuje přepočtený průtok měřeného plynu, součtové množství, údaje o složení a výhřevnosti zemního plynu a veškeré diagnostické parametry průtokoměru.
 

Závěr

 
Ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12 od firmy Krohne je určen pro měření průtoku zemního plynu v obchodním styku. Lze jej použít zejména v předávacích místech při dopravě a skladování plynu, ale může být využíván také k měření spotřeby zemního plynu u velkoodběratelů. Má velké měřicí rozpětí a minimální požadavky na přímé úseky před průtokoměrem a za ním. Přesnost měření není ovlivněna uspořádáním kolen nebo rozdělovačů průtoku před průtokoměrem. Díky diagnostickým funkcím dává uživateli velkou jistotu správného provozu. Jeho vynikající metrologické vlastnosti byly potvrzeny metrologickými certifikáty podle směrnic MID a OIML R 137-1. Jako jediný ultrazvukový průtokoměr pro měření průtoku zemního plynu je schválen ve třídě přesnosti 0,5. Jde o výrobek, který splní, a v mnoha oblastech i předčí současné požadavky provozovatelů plynárenských sítí.
 
Petr Komp, KROHNE CZ, spol. s r. o.
 
Obr. 1. Ultrazvukový průtokoměr Altosonic V12 od firmy Krohne
Obr. 2. Měřicí princip ultrazvukového průtokoměru – měření doby průchodu signálu
Obr. 3. Vznik vírů v průřezu za jedním kolenem 90°
Obr. 4. Vznik vírů v průřezu za dvěma koleny v prostorovém uspořádání
Obr. 5. Princip eliminace víru
Obr. 6. Místa pro vyhodnocení vzniku usazenin na stěně měřicí trubice průtokoměru
Obr. 7. Měření rychlosti proudícího plynu v jednotlivých akustických drahách
Obr. 8. Průtokoměr Altosonic V12 v sestavě pro měření průtoku plynu
 
Tab. 1. Uspořádání akustických drah