Метрологические обеспечения системы измерений колечество и Показательей качество жидкости

3.1 Метрологические обеспечения системы измерений колечество и
Показательей качество жидкости

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:

Re=Wэ * D/uэ = Wн * D/uн.

где Wэ - скорость потока на эталоне; Wн- скорость потока нефти в СИКН; D - внутренний диаметр эталона сравнения; uн - кинематическая вязкость жидкости на эталоне и нефти, соответственно. Отсюда:

Wн=Wэ * uн/uэ

Из равенства следует, что условия подобия на эталоне и СИКН выполняются, когда величина скорости потока нефти в СИКН должна в uн раз больше скорости жидкости в эталоне. Заметим, что кинематическая вязкость воды uв близка к 1 сСт, вязкость же нефти uн может составлять величину до нескольких сотен сСт.

Типичные значения числа Re для углеводородных жидкостей

Для иллюстрации сказанного на рис. 5 приведены примерные значения чисел Re для жидких углеводородов и зависимость коэффициента преобразования от числа Re для ультразвукового преобразователя расхода фирмы FMC Technologies диаметром 12 дюймов [17]. Значение числа Re меняется в широких пределах от нескольких сотен до миллиона, что соответствует изменению структуры потока, приводящее к изменению метрологических характеристик преобразователей расхода.

Для иллюстрации отличий условий калибровки (поверки) преобразователей расхода на расходомерной установке и условий их работы в СИКН приведем два примера. Для определенности, в качестве средства измерений, которому передается методом сличения единица расхода от эталона, примем преобразователь расхода типа DFX06 с диаметром DN150. В соответствии с описанием типа диапазон измерений этого преобразователя от 30 до 800 мЗ/ч.

Первый пример. Передача размера единицы расхода от эталона выполнена на максимальном для эталона расходе воды, равном 500 м3/ч. В этом случае число Rea будет равно, примерно, 1 200 000. Параметры потока, которые необходимо обеспечить на СИКН для выполнения условия подобия Re=1 200 000, если значения вязкости нефти на СИКН равны 5, 10 и 100 сСт, приведены в табл.1.

Таблица 1. Сравнение расхода и скорости потоков для обеспечения условия подобия потоков на эталоне расхода и СИКН

Как видно из приведенных данных, условия подобия не могут быть выполнены. Требующиеся расходы нефти на СИКН выходят за пределы диапазона измерений преобразователя. Кроме того, такую величину расхода технически невозможно создать на СИКН.

Второй пример. Предположим, что тот же преобразователь работает в составе СИКН на нижней границе своей области измерений: при расходе нефти равном 30 мЗ/ч. Значение вязкости нефти примем также равными 5, 10 и 100 сСт. Параметры, которые необходимо создать на эталоне, для выполнения условия подобия Re=const, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Требуемые параметры на эталоне для обеспечения условия Re-const

Очевидно, что и здесь условия подобия также не выполняются. Требующиеся расходы воды на эталоне во всех случаях находятся ниже нижнего предела диапазона измерений преобразователя. Кроме того, расход воды на эталоне, соответствующий условиям для вязкости нефти 5 и 10 сСт, должен быть вблизи нижнего предела рабочего диапазона эталона, а для вязкости 100 сСт за пределами диапазона. Аналогичная картина будет наблюдаться и по отношению к поверочной схеме [3], т.к. в ней также используется рабочее вещество с постоянной вязкостью. Приведенные примеры наглядно иллюстрируют невозможность использования расходомерных установок для калибровки и поверки средств измерений объема вязких продуктов, транспортируемых по трубопроводам. Приведенные выше оценки, хотя и носят оценочный характер, но позволяют выявить физическую картину. Следует иметь ввиду, что О. Рейнольдс установил зависимости в опытах с потоками воды в круглых трубах. Вместе с тем известно, что условия в реальном трубопроводе оказывают сильное влияние на характеристики потока. Удаление или уменьшение интенсивности возмущений на входе в трубу затягивает ламинарный характер движения в область значительно больших значений числа Re, вплоть до Re = 50 000. Между ламинарным и турбулентными режимами течения имеется переходный режим течения, так называемый, режим перемежаемости, когда один режим может спонтанно переходить в другой и наоборот. Точное значение числа Re, определяющее конкретный режим течения, зависит от множества факторов [15].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что расходомерные установки, использующие жидкости с постоянной вязкостью, не могут служить эталонами для средств измерений объема и массы нефти и нефтепродуктов, транспортируемых по трубопроводам, и, соответственно, не применимы поверочные схемы, которые возглавляются такими эталонами.

Передача размера единицы расхода эталонами сравнения (транспортируемыми) и набором эталонных расходомеров

В поверочных схемах [2, 3], в качестве эталонов сравнения и рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов, используются массовые (кориолисовые) преобразователи расхода (мас-сомеры). Принцип их работы основан на измерении силы кориолиса, возникающей при движении жидкости по изогнутым колеблющимся трубам. Как и всякое движение жидкости в трубопроводах, движение жидкости в каналах массомеров подчиняется законам гидродинамики. Массомеры, как правило, испытываются на проверочных расходомерных установках с рабочей жидкостью, вязкость которой близка к 1 сСт. Это обеспечивает получение больших значений чисел Re. Результаты детальных исследований метрологических характеристик массомеров, выполненные на реальных жидкостях, например, [18-20], выявили их зависимость от величины числа Re. В качестве примера на рис. 6 показана зависимость относительной погрешности измерения массового расхода от числа Re для двух углеводородов [18]. Видно, что при значении числа Re менее 100 000, погрешность становиться значительной и превышает величину 0,1%. Напомним, что в [2] эталонам 1-го разряда, поверочным установкам с набором эталонных расходомеров (поверочные установки с НЭР) приписана относительная погрешность ± (0,06 - 0,1) %, а эталонам 2-го разряда (поверочные установки с НЭР) - относительная погрешность ± (0,1 - 0,5) %.

Рис. 6. Зависимость относительной погрешности результатов измерений массового расхода от числа Re

Основываясь на данных рис. 6, оценим значения расходов, при которых значение относительной погрешности превысит величину 0,1%. Примем условие, что при Re < 100 000 относительная погрешность становиться А > 0,1%. Для расчетов чисел Re использовалась методика и программа для определения параметров «Applicator» фирмы Endress+Hauser, размещенная на сайте фирмы.

Расчет выполнен для массомеров с DN равными 8, 15, 40 и 150 мм. Значения номинального расхода (Ghom) бралось из технической документации на массомеры. За минимальное значение расхода (Gmhh) был принят расход равный Ghom/20. Результаты расчета, приведенные в табл. 3, показывают, что для массомеров с DN8 и DN15 мм для всех использованных жидкостей, число Re < 100 000. Это означает, что при этих режимах в границах принятых условий погрешность измерения массового расхода превышает 0,1%. Для массомера с DN 40 только при номинальном значении расхода и только для жидкости с вязкостью 1 сСт, относительная погрешность А < 0,1%. Для массомера с DN 150 только для жидкостей с вязкостью от 1 до 10 сСт и при номинальном значении расхода, относительная погрешность измерения массового расхода 4 < 0,1%.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что метрологические характеристики массовых (кориолисовых) расходомеров зависят от режима течения жидкости и их погрешности могут превышать значения, требующиеся для их признания в качестве эталонов в соответствии с нормами точности, заложенными в [2,3]. В опубликованных материалах также отмечается, что, по мнению их авторов, достаточно проблематично обеспечить точность измерений расхода массомерами равную 0,1% и выше. Поэтому применение массовых расходомеров в качестве эталонов с погрешностями, принятыми в [2,3], требует, как минимум, дополнительных обоснований.

Таблица 1. Сравнение расхода и скорости потоков для обеспечения условия подобия потоков на эталоне расхода и СИКН

В плане рассматриваемой проблемы следует отметить опыт Федерального физико-технического института Германии (РТВ) [21], который является держателем Национального эталона расхода с расходом воды до 2200 мЗ/ч. Институт планировал на основе этого эталона, создать поверочную схему, аналогичную [2,3] чтобы обеспечить прослеживаемость средств измерений расхода жидкости, кроме воды, к национальному эталону расхода воды. Для этой цели предполагалось разработать специальные эталоны-переносчики. Однако проведенный анализ проблемы показал ее сложность и необходимость выполнения большого объема поисковых научно-исследовательских работ для разработки эталонов-переносчиков с характеристиками, не зависящими от свойств используемой жидкости. Потребовалось проведение значительного числа экспериментальных исследований с последующей верификацией результатов. При этом было установлено, что принцип измерений, а также методы испытаний должны быть иными, отличными от тех, что применяются в настоящее время на Национальном эталоне в РТВ. В результате было принято решение ограничиться только декларацией о разработке концепции и запланировать ее реализацию в долгосрочной перспективе.

Таким образом, из изложенного выше следует, что поверочные схемы [2,3], по нашему мнению, не имеют практического применения для средств измерений объема и массы жидких углеводородов, транспортируемых по трубопроводам. Назначение и область применения поверочных расходомерных установок, используемых там в качестве эталонов, а также возглавляемых ими поверочных схем [2,3] требуют дополнительного уточнения.

Калибровочная станция для целей метрологического обеспечения преобразователей расхода жидких углеводородов

Определение метрологических характеристик преобразователей расхода жидких углеводородов является важнейшей задачей как на этапе их производства, так и в процессе эксплуатации. Составляющими метрологического обеспечения являются в том числе испытания в целях утверждения типа, калибровка и поверка преобразователей расхода и СИКН в целом. В соответствии с международными требованиями, (например, [11]) эти работы должны проводиться с использованием жидкостей с вязкостью, соответствующей тем значениям, при которых данный преобразователь будет эксплуатироваться в составе СИКН.

Как было отмечено выше, до 2014 г. в стране отсутствовало необходимое оборудование, позволяющее выполнять эти операции в соответствии с международными требованиями. Испытания и калибровки преобразователей расхода на вязких жидкостях проводились на испытательных и калибровочных комплексах за пределами нашей страны: в Европе, чаще всего на предприятиях Trapil и SPSE (Франция).

В 2014 г. предприятие ООО «НефтеГаз-Метрология» (г. Белгород) создало калибровочный комплекс, работающий на реальных продуктах [5]. Оборудование комплекса обеспечивает расход рабочей жидкости в диапазоне от 0,5 до 2200 м3/ч, применяются жидкости с вязкостью от 0,7 до 150 сСт. Пределы допускаемой относительной погрешности эталонов объема - поверочных ТПУ, входящих в состав комплекса - составляют 0,03 - 0,05%. В своей работе калибровочный комплекс руководствуется международными стандартами [6, 7] и поверочной схемой ГОСТ 8.510-2002 [4].

.1 Расходомер Емис-вихрь 200
Возможности калибровочного комплекса обеспечивают выполнение всех требований международных и отечественных нормативных документов к испытаниям, калибровке и поверке средств измерений, где предписывается проведение испытаний и калибровки преобразователей во всем диапазоне расхода и вязкости, указанном в описании типа средств измерений и используемым потребителем. Наличие такого калибровочного комплекса позволяет повысить научно-технический уровень создаваемых средств измерений, отказаться от проведения испытаний за рубежом. Тем самым, исключаются возможные риски во взаимодействии с зарубежными испытательными центрами, значительно снижаются сроки разработок и удешевляется их стоимость.

Калибровочный комплекс является единственным не только в России, но и в СНГ, имеет все необходимые международные сертификаты, которые признаются в странах ЕС и Ближнего Востока. Он предоставляет отечественным и зарубежным производителям средств измерений и предприятиям, осуществляющим закупки средств измерений за рубежом, возможности для полномасштабных испытаний и калибровок, которые ранее можно было провести только за пределами нашей страны.

Калибровочный комплекс послужил материальной основой и способствовал появлению национального стандарта ГОСТ Р 8.908-2015 [22]. В нем сформулированы требования, которые предъявляются к испытаниям, калибровке и поверке средств измерений объема нефти и нефтепродуктов, применяемым на трубопроводном транспорте.

Расходомеры ППД* для поддержания пластового давления

С помощью счетчика высокого давления ЭМИС-ВИХРЬ 200 ППД измеряют:

• 
  пресную воду (речная, озерная)
  
• 
  подтоварную воду (поступающую с установок подготовки нефти)
  
• 
  пластовую и сеноманскую воду
  
• 
  водонефтяные смеси
  
• 
  химические и другие жидкие продукты, неагрессивные по отношению к стали марки 12Х18Н10Т и 20Х13
  

*ППД - система поддержания пластового давления. Используется для решения задач повышения нефтеотдачи скважины при добыче нефти.

В настоящее время к расходомерам и счетчикам нефти предъявляется много требований. Высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения, удовлетворить которые одновременно выполнить очень сложно.

Вихревой расходомер для систем поддержания пластового давления (ППД) устанавливается в узлах водораспределительного блока. Такие универсальные приборы используются для измерения объема воды, закачиваемой в нагнетательные скважины систем ППД на нефтяных месторождениях. Эта модификация отличается от традиционного вихревого расходомера тем, что прибор рассчитан на избыточное давление до 25 МПа. Данная модификация вихревого расходомера специально разработана для надежного измерения среды в условиях высокого давления и наличия механических включений. При этом может использоваться в составе автоматических систем управления и контроля, для локальных схем автоматизации.

Чтобы купить вихревой расходомер ЭМИС-ВИХРЬ ППД или узнать его стоимость просто заполните опросный лист. Интерактивный опросный лист автоматически получит менеджер отдела продаж. Специалист произведет расчет стоимости именно той модификации прибора, которая соответствует Вашему технологическому процессу