Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » Проккоев В.В., "К вопросу о метрологическом обеспечении средств измерений объема и массы жидких углеводородов, транспортируемых по трубопроводам"

К вопросу о метрологическом обеспечении средств измерений объема и массы жидких углеводородов, транспортируемых по трубопроводам

ООО Метрологический консалтинг. Аккредитация на право поверки средств измерений.



Проккоев В.В., кандидат физико-математических наук, член-корреспондент Метрологической академии, заместитель генерального директора по метрологии ООО «Нефтяные и Газовые Измерительные Технологии» 
(ООО «НГИТ»), Москва, Prokkoev. VV@ngit.ru

В данной статье рассмотрена обоснованность применения эталонов расхода, рабочим телом в которых является жидкость с постоянной вязкостью (вода или нефтепродукт), и возглавляемых ими поверочных схем применительно к средствам измерений объема и массы нефти и нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводам. Отмечено, что создан уникальный калибровочный комплекс, позволяющий выполнять испытания, калибровку и поверку средств измерений в соответствии с требованиями международных нормативных документов. С вводом этого комплекса Россия приобрела метрологические возможности, которыми до этого обладали только США, Великобритания и Франция.

Важнейшим требованием к обеспечению достоверного учета жидких углеводородов является выполнение измерений с нормированной точностью [1]. Ключевая роль в этом принадлежит испытаниям в целях утверждения типа, калибровке и поверке, которые основываются на эталонах физических величин и поверочных схемах, обеспечивающих единство измерений путем создания системы передачи размера единицы физической величины от государственных первичных эталонов к нижестоящим эталонам и рабочим средствам измерений.

По нашему мнению, в настоящее время в нормативных документах, относящихся к измерениям объема и массы жидких углеводородов, транспортируемых по трубопроводам, существует противоречие в части поверочных схем и возглавляющих их эталонов [2-4]. Расходомерные установки, рабочей жидкостью в которых является вода или другая жидкость с постоянной вязкостью, ошибочно отнесены к эталонам для средств измерений объема и массы жидкости с любой вязкостью, в том числе, нефти и нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводам [2, 3]. Кроме того, в качестве эталонов в этих поверочных схемах используются массовые (кориолисовые) расходомеры. При этом безосновательно, априори, полагается, что они обладают необходимой точностью, и их метрологические характеристики не зависят от режима течения жидкости в них. Решения, аналогичные описанным, также применяются и во вновь создаваемой версии поверочной схемы [2] - так называемой, обобщенной поверочной схеме.

Требованиям международных нормативных документов соответствует калибровочный комплекс, который был создан и успешно фунционирует с 2014 г. на предприятии ООО «НефтеГазМетрология» (г. Белгород) [5]. Он позволяет проводить на реальных продуктах испытания, калибровку и поверку средств и систем измерений количества нефти и нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводам, во всем рабочем диапазоне вязкостей и расходов.

Исторически сложилось, что в нашей стране количество нефти и нефтепродуктов измеряется в единицах массы. Измерения массы нефти и нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводам, производят системами измерений количества и показателей качества нефти или нефтепродуктов (СИКН). Наибольшее применение получил метод косвенных измерений, в котором непосредственно измеряются объем и плотность жидкости, а по ним вычисляют величину массы продукта. Плотность измеряют поточными плотномерами. В составе СИКН наиболее широко применяются преобразователи расхода объемного типа: турбинные и ультразвуковые. Они обладают рядом преимуществ: обеспечивают большую пропускную способность, по сравнению с другими типами преобразователей, имеют высокие ресурсные показатели, не создают значительного гидравлического сопротивления и т.д. Поэтому проблема метрологического обеспечения преобразователей расхода объемного типа является актуальной и важной.

До определенного времени метрологическое обеспечение СИКН строилось на поверочной схеме по ГОСТ 8.510-2002 [4], которая основана на физических величинах - масса, объем, температура, плотность, и соответствует признанным во всем мире стандартам Американского института нефти (American Petroleum Institute, API) [6, 7].

Отличительной особенностью данной поверочной схемы является то, что она возглавляется установкой высшей точности (УВТ), которая состоит из набора отдельных эталонных средств измерений, в том числе заимствованных из других поверочных схем. Этот набор включает весы для статического взвешивания, гири эталонные, мерники эталонные 1-го разряда, плотномеры поточные и лабораторные эталонные 1 разряда, термометры жидкостные эталонные 1-го разряда, средства измерений времени. УВТ воспроизводит единицу объема в диапазоне от 0,1 до 5,0 м3 и массы от 0,1 до 5,0 т. Важно отметить, что все перечисленные эталоны имеют прослеживаемость к соответствующим государственным первичным эталонам. Цепочка прослеживаемости показана на рис.1.

Цепочка прослеживаемости

Рабочим эталоном 1-го разряда является трубопоршневая поверочная установка (ТПУ), представляющая собой по существу динамический мерник. В качестве рабочих эталонов 2-го разряда используются: ТПУ, турбинные, объемные (лопастные и роторные), ультразвуковые преобразователи расхода и преобразователи массового расхода. Необходимо подчеркнуть, что в процессе калибровки ТПУ определяется непосредственно объем ее калиброванного участка. Так как теплофизические свойства воды и материала, из которого изготовлены мерники и ТПУ, хорошо известны, это позволяет учитывать и вносить все необходимые поправки в расчет объема калиброванного участка и определять его с высокой точностью.

Пример практического применения ТПУ в составе СИКН показан на рис. 2 [8]. Нефть из магистрального трубопровода поступает через блок фильтров в коллектор, а затем в измерительные линии, оснащенные необходимым комплектом средств измерений и запорно-регулирующей арматуры. Для калибровки (поверки) преобразователя расхода, входящего в состав измерительной линии, его подключают последовательно к ТПУ. Сопоставляя величину объема нефти, которую поршень вытесняет за определенный период времени из калиброванного участка ТПУ, измеренного с высокой точностью, и показания калибруемого преобразователя расхода, определяют метрологическую характеристику преобразователя для данной конкретной жидкости и в данных конкретных условиях. Для определения массы нефти дополнительно используется поточный плотномер, который входит в состав СИКН.
Рис. 2. Типовая технологическая схема СИКН

Данная поверочная схема обладает существенными положительными качествами, важными для промышленности. Она позволяет определить реальные метрологические характеристики всех типов преобразователей расхода в реальных условиях их работы с учетом режима течения, распределения скоростей в потоке, типа жидкости, физико-химических свойств жидкости (в первую очередь вязкости), других влияющих фак-
торов. Она позволяет юридическим лицам и индивидуальным предпринимателям, аккредитованным на выполнение работ и (или) оказания услуг по обеспечению единства измерений, выполнять калибровку и поверку эталонов и рабочих средств измерений децентрализовано, т.е. по месту их нахождения (на заводах изготовителях, на месте их эксплуатации и т.д.).

В качестве альтернативы этому походу созданы две подобные по построению поверочные схемы: для средств измерений массового и объемного расхода (массы и объема) жидкости [2] и для средств измерений объемного и массового расхода (объема и массы) нефти и нефтепродуктов [3]. В их основу положено измерение и передача величины «расход». Эталоны, возглавляющие эти государственные поверочные схемы, представляют собой расходомерные установки, рабочим телом в которых является жидкость с постоянной вязкостью. В первом случае [2] это вода (вязкость которой при температуре 20 °С равна, примерно, 1 сСт), а во втором [3] - жидкость, имитирующая нефть и нефтепродукты. В настоящее время уже в стадии утверждения находится следующая версия поверочной схемы [2], так называемая, обобщенная поверочная схема [9], унаследовавшая ошибочные, по нашему мнению, решения, ранее принятые в [2, 3].

Государственная поверочная схема для средств измерений объемного расхода (объема) жидкости показана на рис. 3. [2]. В состав государственного первичного эталона, возглавляющего эту поверочную схему, входят, в том числе, транспортируемые эталоны сравнения, функции которых выполняют массовые (кориолисовые) расходомеры-счетчики [2, 10].
Государственная поверочная схема для средств измерений объемного расхода (объема) жидкости [2]

В качестве вторичных эталонов используются поверочные установки с весовыми устройствами, которым приписаны значения относительной погрешности ± (0,045 - 0,055) %.

В качестве рабочих эталонов 1 -го разряда используются в том числе установки поверочные с набором эталонных расходомеров (массомеров), которым приписаны значения относительной погрешности ± (0,06 - 0,1) %, а в качестве эталонов 2-го разряда - поверочные установки с набором эталонных расходомеров (НЭР) с относительной погрешностью ± (0,1 - 0,5) %.

Передача размера единиц к эталонам более низких ступеней и рабочим средствам измерений производится:

- непосредственным сличением с государственным первичным эталоном;

- с помощью эталонов сравнения массовых (кориолисовых) расходомеров. Приведем некоторые замечания относительно того, что, по нашему мнению, не учли авторы при разработке поверочных схем [2, 3].

1. Не принято во внимание различие физико-химических свойств измеряемой жидкости. Вода является только одним из представителей многообразия существующих жидкостей. Жидкости значительно отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам, параметрам состояния. Нефть по своим свойствам существенно отличается от воды.

В метрологии принято условное разделение физических субстанций: вода и жидкости, кроме воды. Свойства воды достаточно стабильны и хорошо известны. Остальные жидкости обладают широким спектром физико-химических свойств, отличающимися от свойств воды, в том числе, могут проявлять неньютоновские свойства. В документах МОЗМ используют специальные оговорки, например, «Динамические измерительные системы для жидкостей, кроме воды» [11] или «Трубопоршневые установки для испытаний измерительных систем для жидкостей, кроме воды» [12]. Поэтому предыдущие версии стандартов на государственные первичные эталоны и общесоюзные поверочные схемы для средств измерений расхода жидкости [13, 14] распространялись конкретно на тип жидкости «вода», и в их тексте содержится конкретное указание о том, что они распространяются на единицы расхода жидкости (воды). Эти принципиально важные оговорки авторы рассматриваемых документов проигнорировали.

2. Не принято во внимание, что измеряемая среда подчиняется законам механики жидкости. В основе метрологии лежат знания, полученные фундаментальными науками, такими как физика, химия, математика, астрономия и т.д. Поэтому методы и методики измерений объема и массы жидкостей, транспортируемых по трубопроводам, также должны соответствовать законам физики, в частности, ее разделу «механика жидкости», где описывается движение вязкой жидкости.

Рассмотрим передачу размера единицы расхода непосредственным сличением с государственным первичным эталоном.

Известно, что поток жидкости, движущийся по трубопроводу, представляет собой сложную физическую картину. Характеристика потока зависит от многих факторов: физико-химических свойств жидкости, таких как вязкость и плотность; конфигурации трубопровода, шероховатости стенок трубопровода, наличия местных сопротивлений и т.д. Метрологические характеристики преобразователей расхода зависят от характеристик потока: скорости потока, распределение скоростей в поперечном сечении потока, направление векторов локальных скоростей и т.д. И априори учесть влияние всех этих факторов невозможно [15]. Поэтому, чтобы относить результаты калибровки преобразователя, полученные на эталоне расхода, к условиям на СИКН, требуется, как минимум, обеспечить условия подобия потоков жидкости.

Такое становится возможным в случае равенства чисел Рейнольдса (Re) [15]. Значение числа Re определяет режим течения, зависимость профиля скорости и параметров потока. Для иллюстрации на рис. 4 схематично показано изменение структуры потока с изменением значения числа Re [16]. При малых значениях числа Re пограничный слой занимает значительную часть сечения трубопровода, профиль скорости потока близок к параболе. На рис. 4 стрелками показаны границы ядра потока. С ростом числа Re ядро потока увеличивается и занимает практически все сечение трубопровода, профиль скорости потока становится близким к прямой линии.

Изменение структуры потока в зависимости от значения числа Re

Число Re записывается в виде: Re=W*D/u, где W - скорость потока; D - внутренний диаметр расходомера; u - кинематическая вязкость жидкости. Сравним значения скоростей потока на эталоне и на СИКН при выполнении условия подобия Re=const:

Страница 1 из 3 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » Проккоев В.В., "К вопросу о метрологическом обеспечении средств измерений объема и массы жидких углеводородов, транспортируемых по трубопроводам"