НПФ «РАСКО» уже более 15 лет целенаправленно занимается вопросами коммерческого учета воды, тепла, газа и пара. Этой проблеме посвящен целый ряд статей наших специалистов в различных изданиях. Ниже мы предлагаем для обсуждения статью инженера-метролога Коломенского ЦСМ Иванушкина И.Ю., затрагивающую интересный, по нашему мнению, вопрос внедрения новых приборов коммерческого учета газа.

Приборы учета - всеми ли можно пользоваться ?

Иванушкин И.Ю. инженер по метрологии 1 - й категории Коломенского филиала ФГУ «Менделеевский ЦСМ»

Всвязи с тем значением, которое приобретает сейчас учет энергоресурсов, особенно в связи с предстоящим принятием новой редакции закона об энергосбережении, хотелось бы еще раз поговорить о приборах, применяемых для этой цепи, в частности о таком классе средств измерений, как струйные расходомеры - счетчики.

Общеизвестно, что к основным требованиям, которые предъявляются к приборам коммерческого учета, относятся высокая точность измерения в широком диапазоне изменения физических величин, надежность, стабильность показаний в течение межповерочного интервала, простота обслуживания. К последнему относятся также работы, связанные с поверкой приборов, то есть периодического подтверждения их метрологических характеристик.

Именно на этих показателях и фиксируют внимание потребителей многочисленные организации, производящие и продающие приборы учета. Обещания высокой точности, широких диапазонов измерения, длительных межповерочных интервалов (МПИ), а иногда и возможности поверки без демонтажа, необязательность прямых участков измерительных трубопроводов (ИТ), либо необыкновенно малые значения, и т.д. и т.п., сыпятся на головы потребителей как из рога изобилия. Но так ли всегда на самом деле?

Речь пойдет, как уже было сказано, о струйных счетчиках-расходомерах. Во-первых, потому, что приборы этого типа появились на рынке сравнительно недавно и известно о них немного, во-вторых, потому, что некоторые производители этих счетчиков прельщают потребителей особенно владельцев измерительных комплексов на базе сужающих устройств, вышеупомянутым отказом от длинных прямых участков и отсутствием необходимости поверки этих самых сужающих устройств (СУ).

Собственно, сам струйный автогенератор (САГ), являющийся "сердцем" этих счетчиков известен давно и применяется в системах пневмоавтоматики в качестве одного из звеньев. Применять его для измерения расхода стали относительно недавно и на отечественном рынке имеются несколько моделей таких приборов разных производителей.

Приведу несколько выдержек из рекламных проспектов.

РМ-5-ПГ: «Точное измерение объемного расхода по ГОСТ 8.586-2005 в широком динамическом диапазоне независимо от плотности измеряемой среды... Диапазон измеряемых расходов 1:20…... Погрешность ±1,5%».
(Напомню: ГОСТ 8.586-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств»).

ИРГА-РС: « В основу работы струйного расходомера положен принцип измерения расхода и количества сред методом переменного перепада давления. Определение величины перепада давления и преобразование его для цепей измерения расхода потока производится струйным автогенератором (САГ), который входит в состав струйного расходомера. Он используется вместе с сужающим устройством и фактически заменяет дифманометр в узлах учета на основе сужающих устройств (СУ).

САГ представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный обратными связями, обеспечивающими режим автоколебаний. Колебания струи в САГ генерируют пульсации давления, которые при помощи пъезодатчиков преобразуются в электрический сигнал. Частота этого сигнала пропорциональна объемному расходу (корню квадратному из перепада давлений между входом и выходом САГ, т.е. между ппюсовой и минусовой камерами сужающего устройства, входящего в состав струйного расходомера).

В результате замены СУ с дифманометром на "Ирга-РС" улучшаются технические и метрологические характеристики узла учета: диапазон измерений возрастает и становится не менее чем 1:30, а погрешность измерения в диапазоне от 0,03 Qmax , до Qmax составит ≤ ±0,5%, без учета систематической погрешности СУ. Затраты на такую реконструкцию сопоставимы со стоимостью старого узла учета».

Turbo Flow GFG-F: «Преимущества:

• относительная погрешность ± 1%,
• минимальные прямые участки,
• динамический диапазон 1:100, с возможностью расширения до 1:180,
• совместимость присоединительных размеров с распространенными типами счетчиков фланцевого исполнения.

Принцип действий измерительного комплекса Turbo Flow GFG-F:
поток газа, проходя по трубопроводу, попадает в рабочую камеру расходомера, в которой установлена диафрагма. Перед диафрагмой формируется область повышенного давления, за счет которого часть потока попадает в струйный автогенератор (САГ, где образуются колебания потока газа, пропорциональные скорости потока)».

Turbo Flow GFG-ΔP: «Расходомеры газа Turbo Flow GFG-ΔP предназначены для модернизации узлов учета на базе сужающих устройств (СУ), оснащенных преобразователями перепада давления. Для модернизации вместо дифманометра на стандартный вентильный блок устанавливается первичный преобразователь расхода (ПР) и электронный блок обработки информации. Частота, регистрируемая на элементах струйного генератора, функционально зависит от расхода газа через СУ. Преобразованный частотный сигнал линейно пропорционален расходу газа, прошедшему через СУ.

Замена существующих приборов происходит путем установки расходомера-счетчика GFG-ΔP на уже смонтированные трубки, без дополнительных затрат на трубный монтаж. В результате улучшаются метрологические характеристики узла учета. Расширяется динамический диапазон до 1:100, а погрешность измерений снижается до ±1% во всем диапазоне измерений».

РС-СПА-М: «Достоинства струйных расходомеров-счётчиков:

• унификация измерительных приборов для различных сред;
• отсутствие подвижных частей, что обуславливает высокую надежность, стабильность характеристик во времени, высокую технологичность изделия;
• независимость градуировочного коэффициента от плотности измеряемой среды;
• возможность измерения малых расходов, агрессивных, неэлектропроводных и криогенных сред;
• не требуются прямые участки до и после места установки;
• возможность проверки на месте установки.

Функциональные возможности прибора:

• Приведение расхода (объема} к нормальным условиям (при подключении к прибору датчиков температуры и давления).
• Измерение плотности измеряемой среды.
• Измерение массового расхода (объема).
• Осуществление проверки без демонтажа с трубопровода.

Технические характеристики:

• Измеряемые среды: жидкости, газы, пар
• Диаметр условного прохода, мм: 5÷4000
• Динамический диапазон измерения, Qmax / Qmin: 50:1
• Предел допускаемой основной погрешности, %: 0,15».

Последний из названных привлекает особенное внимание, поскольку в нашем регионе примерно от 25 до 30% узлов учета природного газа оборудовано этими счетчиками и есть тенденция к их увеличению.

Итак, что же, собственно, вызывает тревогу? Во-первых, это сам принцип измерения. (Напомню, что проблемы, обсуждаемые в данной статье, рассматриваются с точки зрения коммерческого учета с точки зрения особенных требований к приборам учета, о которых говорилось выше, и не затрагивают различных технологических задач и т.п.) К примеру, статья[1], начинается такими словами: "К настоящему времени не накоплена исчерпывающая экспериментальная база и не получено завершенного теоретического описания рабочего процесса измерительных преобразователей расхода, действующих на данном принципе, что играет не последнюю роль в задержке практического использования расходомеров этого типа". Другие исследователи, на основе анализа различных средств измерений расхода также делали выводы, несколько не совпадающие с рекламными декларациями. Например, в статье [2], автор пишет следующее:
«Недостатки: струйному автогенераторному расходомеру присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер...

( * Примечание: Выше в статье автор перечисляет недостатки вихревых расходомеров: повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (а значит, повышенные требования к стабильности потока, то есть к длинам прямых участков) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тепа. Самым серьезным недостатком является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним.)

... Однако, к сожалению, есть и дополнительные. Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может использоваться только в качестве парциального расходомера, через который идет только незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода газа (а это неминуемо снижает достоверность измерений), а с другой, существенно больше, чем вихревой расходомер, подвержен засорению. А во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера».

В этой же статье автор приводит результаты испытаний расходомера РС-СПА, проведенных фирмой "ГАЗТУРБавтоматика" совместно с фирмой "Газприборавтоматика", в результате которых было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне от 14,5% до 18,5% при изменении расхода через прибор в диапазоне изменения расхода не более 1:5 (!).

Во-вторых, вызывает недоумение то, что, например, для счетчиков типа РС-СПА разработана собственная методика выполнения измерений (МВИ) МИ 3021-2006, во многом противоречащая ГОСТ 8.586-2005, особенно в части требований к монтажу средств измерений (СИ) и измерительному участку. На этом стоит остановиться подробнее, поскольку аналогичные вопросы возникали и при общении с производителями других моделей, например Turbo Flow GFG. Главное, что служило камнем преткновения, - это требования к СУ и к прямым участкам. Напомню, что и те и другие счетчики выпускаются в двух вариантах: одни служат для замены дифманометров и подключаются к существующим СУ, другие (как правило для ИТ малых диаметров) выполнены в моноблочном исполнении со своим СУ. Например, в счетчиках РС-СПА «первичный преобразователь расхода (ППР) РС включает в себя САГ с устройством преобразования сигнала, выполненных в одном агрегате и установленными на измерительный трубопровод с местным сужением потока [3]. Здесь, мне кажется, нужно разделить два вопроса: зачем нужна диафрагма (местное сужение потока) и зачем необходимы прямые участки определенной длины?

Что бы ни заявляли производители, так или иначе эти приборы используют для вычисления расхода именно перепад давления, который создается с помощью. СУ В одном из патентов на счетчик РС-СПА (№2175436) автор после объяснения работы САГ пишет следующее: «...В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой, пропорциональной объемному расходу и корню квадратному из отношения перепада давления на струйном автогенераторе к плотности измеряемой среды

f= kQ = k √(∆ρ/ρ), где

f - частота колебаний.
Q - объемный расход;
∆ρ и ρ- перепад давления и плотность измеряемой среды;
к - коэффициент пропорциональности.»

Перепад давления на САГ, или, говоря иначе, разность потенциалов, является источником возникновения автоколебаний и от величины этой разности зависит их частота. То есть, вычисление расхода тем точнее, чем точнее измерение частоты колебаний, то есть чем точнее перепад давления на САГ соответствует расходу через данный участок ИТ. Влияют ли на точность воспроизведения перепада давления параметры СУ? Несомненно. Об этом написаны уже десятки томов сотни статей и ГОСТ 8.586-2005, который в какойто степени подытожил результаты многочисленных исследований этого вопроса. Почему производители заявляют, что при установке этих счетчиков состояние СУ их больше не волнует, совершенно непонятно. Как известно, на точность воспроизведения перепада влияют и качество входной кромки, и шероховатость, и другие параметры диафрагмы.

Приведу пример. Поскольку одна из основных целей, которые сейчас преследуют потребители газа (и которую поддерживают менеджеры по продаже), заключается в том, чтобы облегчить себе жизнь и избавиться от необходимости удлинения прямых участков (!), ежегодного демонтажа и поверки диафрагм (!), свести всю поверку измерительного комплекса к поверке счетчика «на месте» (!), да еще и раз в два года (!), то очень скоро в балансовых показателях могут появиться расхождения, причины которых будут неявны. В ссылке [1] указано, что полный средний срок службы, например, счетчика РС-СПА составляет 8 пет. Вот как изменятся показания счетчика в течение этого интервала времени, если проводить расчет не по методике[4], а по ГОСТ 8.586, то есть не игнорируя наличие в счетчике сужающего устройства. В качестве данных были взяты значения конкретного узла учета природного газа одного из нескольких ГРП машиностроительного предприятия и параметры установленного на ГРП счетчика РС-СПА исполнения РС-ПЗ, в том числе параметры диафрагмы. Среднее годовое значение давления газа 3,5 кГс/см2, средняя годовая температура 5 °С, максимальный перепад давления (примерно поддерживаемый в течение года) - 25000 Па. Среднее за год изменение внутреннего диаметра диафрагмы было принято + 0,01%. значение вполне реальное, даже заниженное, учитывая качество газа.

Результаты расчетов:

• при установке счетчика максимальный расход Qс составит 4148,89 м3/ч;
• через два года (первый межповерочный интервал счетчика) это значение будет уже равняться 4182,56 м3/ч;
• через четыре года 4198,56 м3/ч:
• через шесть лет 4207,21 м3/ч:
• через восемь лет (гарантированный срок службы счетчика) -4212,38 м3/ч.

Таким образом, через восемь лет эксплуатации, при прочих равных условиях, счетчик покажет расход, который на 63,58 м3/ч (!) больше реального, будучи при этом полностью исправным и прошедшим поверку, то есть, при сохранении своих метрологических характеристик.

Замечу, что в расчетах учитывалось только изменение внутреннего диаметра диафрагмы и изменение поправочного коэффициента притупления входной кромки (формулы 5.13 и 5.14 ГОСТ 8.586.2-2005), остальные характеристики, в том числе и характеристики измерительного трубопровода, считались неизменными.

Более того, были рассчитаны характеристики измерительного комплекса при минимальном учитываемом перепаде давления (на момент установки счетчика он составлял 1000 Па, при этом относительная расширенная неопределенность измерения расхода равнялась 3,93%). В результате расчетов были получены следующие значения относительной расширенной неопределенности (при тех же условиях изменения внутреннего диаметра диафрагмы и коэффициента притупления входной кромки):

• через два года 4,06 %;
• через четыре 4,16 %;
• через шесть 4,22%;
• через восемь 4,25%.

То есть, через два года эксплуатации, при следующей поверке, измерительный комплекс уже не соответствовал бы установленным нормам погрешности. Довольно трудно при этом говорить о коммерческом учете, поскольку его достоверность более чем сомнительна. Хочу добавить, что полные результаты расчетов, которые здесь не приводятся, чтобы не перегружать статью, показывают, что изменение в указанном диапазоне характеристик СУ приведет к изменению таких показателей, как коэффициент гидравлического сопротивления, коэффициент потерь давления и др., которые приведут к изменению характеристик не только самого ГРП, но и газопотребляющего оборудования.

Замечу, в расчетах предполагалось, что измерительный комплекс выполнен с учетом требований ГОСТ 8.586-2005, то есть в том числе и с прямыми участками ИТ необходимой длины, о необязательности которых заявляют производители счетчиков РС-СПА и некоторых других.

Почему, тоже непонятно. Повторю, точность вычисления расхода струйными счетчиками зависит от перепада давления на САГ, точнее, от того, насколько точно перепад давления на СУ соответствует скорости потока. А это, как известно, зависит не только от характеристик СУ. но и от того, в какой области параметров находится сам поток в измерительном сечении. Для того, чтобы в месте установки диафрагмы было сформировано установившееся течение, характеризующееся устойчивым турбулентным режимом с числом Rе в линейной области, как раз необходимы прямые участки определенной длины, исключающие наличие местных возмущений потока. Об этом тоже написано немало, в том числе и в ГОСТ 8.586-2005, который на основании результатов многолетних исследований регламентирует требования к прямым участкам в зависимости от наличия тех или иных местных сопротивлений (МС).

То, что до сих пор существуют некоторые разногласия между специалистами, работающими в этой области, по поводу параметров нескольких типов МС, не меняет общей картины в целом. Поэтому кажется не совсем обоснованной политика производителей, определяемая скорее требованиями рыночной конкуренции, чем результатами научных исследований и здравым смыслом. В качестве аргумента за отказ от прямых участков производители, например, РС-СПА и TurboFlow, используют то, что счетчики градуируются на поверочной установке при выпуске из производства. Приведу цитату из уже упоминавшегося патента: «При градуировке струйного расходомера-счетчика значения частот в диапазоне измерения и соответствующих им перепадов давления заносятся в паспорт прибора. Кроме того, в паспорт заносится значение плотности среды». Замечу, что видимо, мне не повезло, и ни в одном из паспортов приборов на известных мне узлах учета газа (УУГ) таких данных не было. Это бы ничего, ну забыли записать и ладно, но интересно то, что большинство из этих счетчиков поверяется обслуживающей организацией на месте эксплуатации (!) без демонтажа с ИТ. Здесь уместно напомнить о том, что почти во всех рекламных проспектах указывается еще одно достоинство струйных счетчиков, а именно независимость градуировочного коэффициента от плотности среды. Непонятно, что в этом особенного, если учесть, что плотность среды учитывается при вычислении расхода с помощью показаний датчиков давления и температуры. Другое дело, если этот фактор учитывать при поверке, но тогда действительно, в паспорте должна быть запись о плотности той среды, на которой счетчик проходил заводскую градуировку. Если же она проводилась на воздухе, то поверять счетчик, работающий на узле учета природного газа, без демонтажа, только задавая перепад давления, недопустимо.

И еще один аспект не может не вызвать недоумение. Речь идет о динамическом диапазоне и погрешности счетчиков. Напомню ставшие уже "хрестоматийными" недостатки диафрагмы:

• узкий динамический диапазон измерения расхода (в среднем от 1:3 до 1:5);
• нелинейный выходной сигнал, требующий линеаризации;
• нормирование погрешности с приведением к верхнему пределу измерений, а следовательно, гиперболический рост погрешности, приведенной к точке измерения при уменьшении расхода;
• значительное падение давления на сужающем устройстве (СУ), неизбежное в силу принципа действия;
• неконтролируемое изменение погрешности вследствие затупления кромки при эксплуатации;
• невозможность извлечения СУ без перекрытия трубопровода:
• значительная длина необходимых прямых участков без местных сопротивлений;
• засорение импульсных линий в "грязных" потоках, накопление конденсата, приводящее к неверным показаниям;
• сложность расчета СУ, включая расчет неопределенностей измерения расхода.

Непонятно, куда пропадают эти недостатки при установке в измерительный трубопровод струйного счетчика, в состав которого входит диафрагма (!) . Между тем, в многочисленных рекламных проспектах приводятся в качестве достоинств нового прибора, как правило, большой динамический диапазон измерения расхода (до 1:50 У РС-СПА и до 1:100 у других), низкий предел допускаемой основной погрешности (до ± 0,15%), возможность поверки без демонтажа и отсутствие требований к прямым участкам до и после места установки. А в том. что касается учета газа, еще и методика выполнения измерений4, исключающая расчет по ГОСТ 8.586-2005. (То есть то, на что и «клюют» потребители этих приборов).

Я согласен с тем, что благодаря встроенной в счетчик электронике можно в какойто степени расширить диапазон измерений, линеаризовать характеристику расходомера, снизить общую погрешность комплекса. Но, повторюсь, вряд ли какимто образом удастся учесть изменение свойств диафрагмы хотя бы за межповерочный интервал (не говоря уже о большем периоде времени), степень засорения соединительных линий (изменение значения перепада давления) и, тем более, искажение потока за счет местных сопротивлений.

И все было бы ничего, если бы не то обстоятельство, что счетчики эти используются, как правило, в узлах коммерческого учета газов и жидкостей, то есть так или иначе связаны с государственными учетными и энергосберегающими операциями. Многочисленные публикации на данную тему говорят о неприменимости данных приборов для этих цепей, а в отчете рабочей группы по подготовке материалов и проекта решения совместного технического совета Департамента топливно-энергетического хозяйства и Префектур г. Москвы [2] комиссия, проводившая анализ теплосчетчиков и расходомеров воды делает вообще категоричный вывод: «Теплосчетчик РС-СПА-М-МАС не отвечает большинству основных и дополнительных критериев и не может быть рекомендован к использованию». Замечу, что среди критериев, выдвинутых рабочей группой, были, например, такие, как «высокая надежность и точность измерений на протяжении длительного промежутка времени, минимальное гидравлическое сопротивление при номинальном расходе, электромагнитная совместимость» и др.

Вот те основные аспекты, которые хотелось отметить при обсуждении струйных счетчиков-расходомеров. Замечу еще раз, что в статье не подвергается сомнению применимость метода при измерении расхода вообще. Речь идет именно о коммерческом учете энергоресурсов, со своими требованиями и своей спецификой. Поэтому хотелось бы пожелать производителям подобных приборов быть более точными и добросовестными в определении характеристик и рекомендаций по применимости их продукции для тех или иных целей. Я понимаю, и не раз слышал, что рынок диктует свои правила и т.д. и т.п. Но в конце концов не надо забывать, что все мы пользуемся общими запасами. И планета производит нефть, газ, воду, воздух независимо от политических формаций и форм собственности. Так кто кого хочет обмануть?