Techniczno-ekonomiczne aspekty stosowania układów pomiarowych na wysokim ciśnieniu

Transkrypt

1 Technczno-ekonomczne aspekty stosowana układów pomarowych na wysokm cśnenu Jacek Blcharsk, Stansław Nagy, Czesław Rybck* 1. Wstęp W transporce dystrybucj gazu zemnego stotną rolę odgrywa metodyka pomaru loścowego gazu tak w skal globalnego rozlczana jak też w skal poszczególnego odborcy gazu. Istotnym kryterum dokładnośc pomaru loścowego jest uzyskane zgodnośc pomaru po strone dostawcy jak też odborcy gazu. Z metodyk pomarów wynka, że dokładność wskazań każdego przyrządu pomarowego zależy od welu czynnków, tj. rodzaju przyrządu, jego czułośc reakcj, zakresu pomarowego oraz warunków w jakch dokonuje sę pomaru. Na dokładność wskazań każdego przepływomerza mają wpływ cśnene temperatura przepływającego gazu oraz stablzacja przepływu. Im wyższe cśnene gazu, tym objętość jego jest mnejsza, a tym samym stneje wększa możlwość popełnena błędu pomaru małych lośc gazu.. Układy pomarowe stosowane na stacjach gazowych * Jacek Blcharsk, Stansław Nagy, Czesław Rybck Akadema Górnczo-Hutncza w Krakowe, Wydzał Wertnctwa, Nafty Gazu, Al. Mckewcza 3, 3-59 Kraków, e-mal: stansław.nagy@agh.edu.pl Pomar w stacjach rozdzelczych gazu realzowany jest przy wysokm cśnenu oraz na wszystkch gazocągach wlotowych wylotowych ze stacj. W wększośc stacj gazowych pomar loścowy gazu realzowany jest za pomocą gazomerzy kryzowych, zgodne z normam: ZN G 49 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze zwężkowe. Budowa zestawów ZN G 46 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze zwężkowe. Wymagana, za pomocą gazomerzy rotorowych zgodne z normą ZN G 41 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze rotorowe oraz gazomerzy turbnowych zgodne z normam: ZN G 45 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze turbnowe. Wymagana ZN G 48 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze turbnowe. Budowa zestawów. Mogą być dopuszczone nne gazomerze, o le jest to udokumentowane (PN-EN Ten sposób pomaru jest stosowany w Polsce w śwece. Podstawowym zagadnenem jest właścwa lokalzacja oraz kalbracja gazomerzy. W stacjach wysokego cśnena gazomerze lokalzuje sę na doloce do stacj lub po redukcj na średnm cśnenu. W przypadku lokalzowana gazomerza po redukcj, zakres pomarowy gazomerza mus być skorelowany tylko z maksymalnym mnmalnym przepływem gazu. Przy średnm cśnenu po I stopnu redukcj można stosować gazomerze rotorowe, o dużej obcążalnośc zakrese pomarowym pracy. Na stacjach gazowych średnego cśnena najczęścej stosowane są gazomerze rotorowe montowane na doloce do stacj lub gazomerze mechowe montowane na małych stacjach po strone wylotowej o przepustowośc do 16 m n3 /h. Rodzaj gazomerza dobera sę w zależnośc od: funkcj, jaką ma spełnać w określonym odcnku pomarowym określonego rodzaju układu pomarowego, maksymalnej wydajnośc maksymalnego cśnena merzonego gazu. Wartośc dotyczą pojedynczego odcnka pomarowego, w którym prędkość gazu ne pownna przekraczać: dla gazomerza zwężkowego m/s; dla gazomerza turbnowego rotorowego 16 m/s; dla gazomerza mechowego 6 m/s. 3. Nedokładnośc systemów pomarowych gazu na wysokm cśnenu Przy pomarze lośc przepływającego gazu stotną rolę odgrywa wartość cśnena. Od nego zależy gęstość gazu w warunkach roboczych, a tym samym objętość geometryczna przepływającego gazu, co ma decydujący wpływ na dokładność pomaru gazomerzy Pomar przy wykorzystanu gazomerzy zwężkowych Pomary lośc przepływającego gazu przy wysokm cśnenu mogą wykonywane być z odpowedną dokładnoścą jedyne przy odpowedno dużych przepływach stablnych cśnenach w gazocągu dolotowym. Przy małych przepływach przez układy wysokocśnenowe objętość geometryczna przepływającego gazu będze mała, trudnej merzalna (małe spadk cśnena na zwężce pomarowej, wymagająca przyrządów o dużej czułośc pomarowej. Przykładowe oblczena błędów określena wydajnośc przepływu gazu wysokometanowego zostały wykonane przy użycu zwężk pomarowej o średncy 1 mm dla wartośc cśnena różncowego wynoszących odpowedno 1, 8 5 kpa, przy średnm cśnenu w gazocągu wynoszącym 4 bar temperaturze 15 C. Oblczena wydajnośc zostały przeprowadzone przy założenu błędu pomaru cśnena różncowego na pozome 5 Pa. Na przykład dla wydajnośc wyznaczonej dla cśneń różncowych 1 kpa.95 kpa błąd względny wynos ok..5%, zaś przy znaczne wyższych wy- GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA MARZEC 8

2 dajnoścach przepływu wyznaczonych przy cśnenach różncowych wynoszących kpa błąd względny wynos ok..1%. Błędy pomarów wydajnośc gazu wynkają także ze zman średnego cśnena panującego w gazocągu, wpływającego na zmanę własnośc pvt gazu. 3.. Pomar przy wykorzystanu gazomerzy turbnowych W przypadku pomaru gazomerzam turbnowym dopuszczalny błąd granczny zależy od welkośc strumena objętoścowego zakresowośc danego gazomerza. Dla każdego gazomerza określane są trzy wartośc strumena. Są to: strumeń maksymalny max, strumeń mnmalny mn strumeń przejśca t. Wartośc mn t zależą od strumena maksymalnego zakresowośc gazomerza. Zakresowość gazomerza jest defnowana jako stosunek strumena mnmalnego do strumena maksymalnego. Welkość strumena mnmalnego jest określana zgodne z normą [ZN-G-45-1]. Strumeń przejśca określany jest dla gazomerzy o zakresowośc 1:5 jako 1%max, dla zakresowośc 1:3 jako 15% max, dla zakresowośc 1: 1:1 jako % max. Według normy ZN-G dla strumena objętośc w zakrese od mn do t dopuszczalny błąd granczny ne pownen przekraczać ±% merzonej wartośc, zaś dla strumena w zakrese t do max ne pownen przekraczać ±1% merzonej wartośc (rys. 1. Rys. 1. Dopuszczalne błędy granczne dla gazomerza turbnowego [ZN-G-45-1] Na rys.. pokazano zmanę błędu dla przykładowego gazomerza frmy Elster Instromet typ TRZ IFS w funkcj strumena przepływu cśnena.. Według producenta dla nskch cśneń strumen przepływu w zakrese od mn do t błąd gazomerza typu TRZ IFS wynos ±%, zaś dla zakresu t do max błąd wynos ±1%. Dla cśneń wysokch błędy te są mnejsze odpowedno wynoszą: ±1% dla zakresu mn do t oraz ±.5% dla zakresu t do max. Zakresowość gazomerzy turbnowych zależy od gęstośc gazu. Im wększa gęstość, tym bardzej wzrasta zakresowość gazomerza. Mnmalny zakres jest lmtowany tarcem mechancznym wrnka elementów systemu rejestrującego. Ze wzrostem gęstośc gazu wzrasta moment obrotowy pozwalający pokonać opory tarca. Dolny zakres pomarowy gazomerza zmnejsza sę odwrotne proporcjonalne do perwastka gęstośc gazu według zależnośc: p 1 n mn mn pow p s g mnpow mnmalna wydajność przepływu powetrza w warunkach normalnych, p n cśnene normalne, p cśnene robocze, s g gęstość względna gazu. Wyższe cśnene umożlwa zmnejszene mnmalnego strumena gazu przepływającego przez gazocąg. Dla gazomerza G4 ( max [m 3 /h]65 przy cśnenu 4 bar przepływ mnmalny (w warunkach pomaru wynos 6 m 3 /h, zaś dla cśnena 5 bar 17 m 3 /h. Dla wyższych strumen przepływu, gdze sły tarca są stosunkowo małe w porównanu z słam hydrodynamcznym, błąd jest zależny od lczby Reynoldsa defnowanej jako K ρ Re ( μ K stała zależna od wymarów geometrycznych gazomerza, strumeń przepływu, ρ gęstość w warunkach przepływu, µ lepkość w warunkach przepływu. Lepkość gazu zmena sę w newelkm zakrese w funkcj cśnena, natomast decydujący wpływ na wartość lczby Reynoldsa mają: strumeń przepływu oraz gęstość gazu slne zależna od cśnena. Na rys. 3 pokazano zależność błędu od strumena przepływu dla trzech wartośc cśnena: 1 atm, 8 bar bar. Jak wdać najwększe błędy są popełnane dla przepływów ponżej strumena przejśca dla nższych cśneń. Przy małych strumenach przepływu dla różnych lczb Reynoldsa sły tarca mają zasadnczy wpływ na krzywą przebegu błędu, co pokazano na rys. 4. (1 Rys.. Charakterystyka błędu gazomerza typ: TRZ IFS frmy Elster Instromet w funkcj strumena przepływu cśnena Rys. 3. Błąd pomarowy gazomerza typ: SM RI frmy Elster Instromet ( max 1 m 3 /h w funkcj strumena przepływu cśnena GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA MARZEC 8

3 Rys. 4. Błąd pomarowy gazomerza typ: SM RI frmy Elster Instromet ( max 1 m 3 /h w funkcj lczby Reynoldsa cśnena Krzywa błędu wzrasta przy małych lczbach Reynoldsa, tzn. gazomerz ma tendencję do przyspeszana przy małych prędkoścach. Dla małych lczb Reynoldsa średna prędkość przepływu jest znaczne mnejsza nż maksymalna prędkość w os przepływu wprawająca w ruch turbnę gazomerza, co może powodować przeszacowane pomaru strumena przepływu Wpływ pulsacj przepływu na dokładność rejestracj gazomerza turbnowego Gazomerze turbnowe zwykle szybko reagują na zmany przepływu, przy czym reakcja na wzrost przepływu jest szybsza nż na spadek. Kedy spadek przepływu następuje do bardzo małych wartośc reakcja następuje wolno. Szczególna staranność wzorcowana testowana gazomerza pownna ogranczyć wpływ pulsacj cśnena przepływu. W przypadkach, gdy gazomerze pracują w warunkach zmenającego sę przepływu, bądź też przy okresowych zankach przepływu, może dochodzć do znacznego przeszacowana welkośc merzonego przepływu. Zmany przepływu o snusodalnym charakterze dla małych częstotlwośc wahań przepływu można pomnąć, gdyż turbna nadąża za tym zmanam z dostateczne dużą dokładnoścą. Natomast w przypadku dużej częstotlwośc zman przepływu o charakterze snusodalnym turbna ne nadąża za zmanam obraca sę prawe ze stałą prędkoścą. Błąd pomaru w takch warunkach może być wyznaczany według zależnośc: ε.5 I (3 I ampltuda pulsacj strumena, średn strumeń przepływu. 4. Nepewność pomaru wydajnośc przepływu gazu Gazomerze turbnowe są urządzenam merzącym objętość strumena przepływającego gazu. Zmerzona objętość (4 przelczana jest na warunk normalne wg wzoru redukcyjnego w postac: N p V (5 n f PTZ V 1 T K V n objętość przelczona na warunk normalne[m n3 ], T temperatura pomaru dla -tego odczytu [K], p cśnene bezwzględne dla -tego odczytu [kpa], K względny współczynnk ścślwośc dla -tego odczytu [-], f PTZ współczynnk uwzględnający wpływ nepewnośc przelczana objętośc, f PTZ 1, N lczba odczytów. Borąc pod uwagę powyższą zależność względną standardową nepewność pomaru wylcza sę z następującego wzoru: ( V u ( f + u ( V + u ( p + u ( T u ( K u + (6 n PTZ n u (f PTZ nepewność przelczana objętośc, u ( V n względna standardowa nepewność pomaru objętośc V n, u (p względna standardowa nepewność pomaru cśnena, u (T względna standardowa nepewność pomaru u (K temperatury, względna standardowa nepewność pomaru współczynnka ścślwośc. Wartość względnej nepewnośc przelczana objętośc przyjmuje sę jako ± 3. Względną standardową nepewność pomaru objętośc oblcza sę z zależnośc: U u ( V (7 U( rozszerzona nepewność pomaru strumena objętośc strumeń objętośc. Dla gazomerzy turbnowych rozszerzoną nepewność pomaru strumena objętośc wyznacza sę wg normy ZN-G- 4-1 według zależnośc: Dla: mn t (8.5 U( [(.4 + (.3 ] 3 ( Tabela Względna nepewność pomarowa dla gazomerza turbnowego G 65 Strumeń Cśnene [bar] objętośc [% max ] Względna nepewność pomarowa [%] GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA MARZEC 8

4 Rys. 5. Bezwzględna nepewność pomarowa w funkcj wydajnośc przepływu w warunkach normalnych dla cśneń: 1, 3, 6 bar dla gazomerza G 65 a dla t max.5 U( [(. + (.3 ] 3 Wartość względnej standardowej nepewnośc pomaru cśnena u (p wyznacza sę z zależnośc: e e e u (p ( + ( δ t + ( δ t p pt1 pt e p błąd podstawowy przetwornka, e pt1 temperaturowy błąd zera, e pt błąd czułośc zakresu. (9 (1 Jeżel wszystke lub nektóre z wymenonych błędów podane są w procentach zakresu pomarowego (FS, przelcza sę je zgodne z normą ZN-G_4-1 na procent welkośc merzonej (WM wg zależnośc: FS e (w%wm e (w%fs (11 WM Względną standardową nepewność pomaru temperatury u (T wyznacza sę z zależnośc: e 1 u (T (1 3 (t e błąd pomaru, T temperatura pomaru w C. Względną nepewność pomaru współczynnka ścślwośc wyznacza sę zgodne z normą ZN-G-44-1 z zależnośc: u (z u (13 (K u (z rozszerzona nepewność. W oparcu o przedstawoną metodykę określana nepewnośc pomarowej dokonano przykładowego oblczena względnej bezwzględnej nepewnośc pomarowej dla gazomerza turbnowego o maksymalnym strumenu objętośc 65 m 3 /h z zależnośc (6. Dla oblczena względnej standardowej nepewnośc pomaru cśnena przyjęto: e p.%, e pt.%, δt 1 C. Dla oblczena względnej standardowej nepewnośc temperatury przyjęto: e.5 t C. Dla oblczena względnej standardowej nepewnośc pomaru współczynnka ścślwośc (Zpv/RT przyjęto: u (z.1%. Dla przyjętych danych wynk oblczeń zestawono w tabel 1 oraz na wykrese przedstawonym na rys. 5. Wnosk 1. Dla przeprowadzena pomaru strumena objętoścowego należy doberać gazomerz turbnowy tak, aby pomar odbywał sę w zakrese strumena mędzy strumenem przejśca a strumenem maksymalnym. Jak wdać z wykresu na rys. 1, m nższa wartość cśnena, tym nższe wydajnośc przepływu w warunkach normalnych odpowadają strumenow przepływu powyżej strumena przejśca, a tym samym jest mnejsza nepewność pomarowa.. Pomar przepływu gazu przy wysokch cśnenach przykładowym gazomerzem G65 pownen sę odbywać przy wydajnoścach odnesonych do warunków normalnych powyżej klkudzesęcu tysęcy normalnych metrów sześcennych na godznę, (w zależnośc od cśnena. Podobne analzy można stosować do gazomerzy o mnejszym przepływe np. G5. 3. Wynk przeprowadzonych analz potwerdzają koneczność stosowana aparatury kontrolno-pomarowej o wysokej klase dokładnośc przy pomarach wydajnośc w układach wysokocśnenowych. Ponadto pomary po strone wysokego cśnena, gdze mogą występować znaczne wahana cśnena, są dodatkowo obcążone błędam pomarowym, wynkającym ze znacznych zman strumen przepływającego gazu. 4. Zestawy pomarowe, pracujące w zakresach wysokch cśneń, wymagają kalbracj w ośrodkach zagrancznych (np. Holanda, Ltwa, Nemcy, bowem, jak wspomnano, Polska ne posada odpowednego laboratorum atestacj. Często koszty kalbracj są porównywalne z ceną nowych zestawów wążą sę to z okresowym wyłączenem ch z eksploatacj. 5. Zalecane jest stosowane układów pomarowych spełnających wymagane krytera jakośc pomaru, w szczególnośc w zakrese ch dokładnośc. Wymog te spełnają układy pomarowe zanstalowane na gazocągach średnego cśnena. Za stosowanem tych przemawają następujące fakty: koszty nwestycyjne budowy układów pomarowych oraz ch koszty eksploatacyjne dla średnego cśnena są mnejsze nż dla wysokego: pomar przy stosunkowo małych przepływach gazu zmane cśnena na wloce może być dokładny wówczas, gdy jest prowadzony na średnm cśnenu prowadzene pomarów na cśnenu wysokm jest celowe jedyne przy bardzo dużych przepływach gazu w marę stałych cśnenach w gazocągach przesyłowych. Zatem, aby merzyć przepływający gaz z odpowedną dokładnoścą na wysokm cśnenu, należy posadać gazomerze o bardzo wysokej klase dokładnośc. 6. Należy pamętać, że newelk błąd pomarowy gazomerza na wysokm cśnenu generuje duże straty w postac nezmerzonego gazu. Pomary na wysokm cśnenu pownny być prowadzone generalne dla dużych, ne zmenających sę wydajnośc przepływu. GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA MARZEC 8 5

5 PIŚMIENNICTWO [1] UPP E.L. Lanasa P.J., : Flud flow measurement, a practcal gude to accurate flow measurement nd ed., Boston [] Backer R.C.: Flow Measurement Handbook, Cambrdge Un. Press, [3] [ (materały na strone nternetowej kweceń 7 [4] (materały na strone nternetowej kweceń 7 [5] Turbne Gas Meter Handbook, Instromet, Nov. [6] Kegel Th, 3:. Uncertanty Analyss of Turbne and Ultrasonc Meter Volume Measurements, Aga Operaton Conference [7] ZN/ G 4 1 Pomary palw gazowych. Zasady rozlczeń technka pomarowa. [8] ZN/ G 43 1 Pomary palw gazowych. Stacje pomarowe [9] ZN/ G 45 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze turbnowe. Wymagana [1] ZN/G 46 1 Pomary palw gazowych. Gazomerze zwężkowe. Wymagana[1] zn g 46 1 pomary palw gazowych. gazomerze zwężkowe. wymagana Krajowy rynek CNG na tle wybranych rynków europejskch Agneszka Janas, Adam Szurlej* 1. Wstęp CNG (Compressed Natural Gas sprężony gaz zemny, to jedno z palw alternatywnych (zastępczych stosowanych do napędu pojazdów slnkowych. Palwa alternatywne wykorzystywane w transporce można podzelć na odnawalne (np. estry olejów roślnnych, boetanol, bogaz, wodór otrzymywany z odnawalnych źródeł energ neodnawalne CNG (sprężony gaz zemny; metan, LNG (Lquefed Natural Gas skroplony gaz zemny; metan, LPG (Lquefed Petroleum Gas gaz płynny; propan butan, wodór (otrzymywany z gazu zemnego, węgla. Sprężony do -5 bar gaz zemny CNG to naturalne, czyste, bezzapachowe palwo wykorzystywane do napędu pojazdów. W ostatnch latach obserwuje sę w Un Europejskej, a także w welu państwach śwata, wzrost zanteresowana palwam alternatywnym w transporce tab. 1. Ten wzrost zanteresowana palwam tego typu w stosunku do tradycyjnych palw naftowych jest spowodowany główne przez utrzymywane sę cen ropy naftowej na bardzo wysokch pozomach (około 9 USD za baryłkę na gełdach śwatowych. Wysoke ceny ropy naftowej są wynkem mędzy nnym nestablnych poltyczne państw znaczących producentów ropy naftowej (Irak, Ngera. Jak wdać z tab. 1 Dyrektorat Generalny Energ Transportu Un Europejskej zakłada najszybszy rozwój dla CNG w r. segment gazowy rynku palw alternatywnych ma być najwększy. Duży potencjał rozwoju technolog CNG wynka ze znacznych zasobów gazu zemnego, jej ekologcznych walorów, wysokego stopna opanowana tej technolog od magazynowana do użytkowana oraz długej hstor użytkowana gazu jako palwa. Na drugm mejscu pod względem rozwoju mają być bopalwa jednak w ostatnch * Mgr nż. Agneszka Janas Polske Górnctwo Naftowe Gazownctwo S.A. Oddzał Handlowy Gazowna Krakowska; dr nż. Adam Szurlej Akadema Górnczo-Hutncza w Krakowe Wydzał Palw Energ Tabela 1 Scenarusz rozwoju rynku palw alternatywnych w UE do r.,% Rok Wodór Bopalwa CNG Razem mesącach pojawa sę coraz węcej krytycznych opn na temat ch rozwoju. Dodatkowo w państwach UE oraz krajach, gdze aspekty ekologczne są traktowane prorytetowo, rozwój palw alternatywnych jest stymulowany przez odpowedną poltykę tych państw. Palwa alternatywne w transporce cechuje z reguły mnejszy negatywny wpływ na środowsko przyrodncze w porównanu z tradycyjnym palwam benzyną olejam napędowym. Także w nektórych państwach śwata (np. Brazyla, Szwecja prowadzony jest program zakładający stopnowy rozwój stosowana palw alternatywnych ze względu na brak lub posadane stosunkowo małych zasobów ropy naftowej. Państwa te poprzez rozwjane palw alternatywnych dążą do zmnejszena zależnośc od mportu coraz to droższej ropy naftowej.. Rys hstoryczny wykorzystana palw gazowych do napędu pojazdów samochodowych Uważa sę, że tak jak XIX wek był wekem węgla, XX ropy naftowej, natomast w XXI weku domnacje przejme gaz zemny wodór. Wzmożone zanteresowane konstruktorów slnków palwam gazowym należy tłumaczyć mędzy nnym wyczerpywanem sę złóż ropy naftowej, jak poltyką proekologczną wybranych państw. Stosowane palw gazowych w napędze pojazdów samochodowych jest starsze od benzyny sęga lat sześćdzesątych XIX weku. Perwszy slnk dwusuwowy zaslany gazem zemnym skonstruowany został w 186 r. przez francuskego 6 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA MARZEC 8