Принцип работы основан на пропорциональной связи между расходом и частотой вихрей, возникающих в потоке газа за поперечно обтекаемым телом кругового или трапецеидального сечения. Физические явления, лежащие в основе этого эффекта, подробно изучены еще в начале XX века.
Реализации вихревого принципа измерения расхода газа в приборном исполнении долгое время мешали причины чисто технического характера:
-
Во-первых, это проблема разработки первичного преобразователя - детектора вихрей, обладающего чувствительностью к воздействию вихрей. Энергия этого воздействия для газообразных сред невелика, поэтому вихревые расходомеры для жидкости появились раньше и широко распространены в настоящее время.
-
Во-вторых, это необходимость достаточно сложной математической обработки выходного сигнала расходомера для определения истинной частоты срыва вихрей. Дело в том, что в вихревом расходомере имеется принципиальная возможность (которая чрезвычайно трудно реализуема для расходомеров на других физических принципах) оценить достоверность измерения по характеру сигнала с первичного преобразователя. По этой причине в приборах, способных обеспечивать высокую точность при работе в сложных промышленных условиях (вибрации трубопроводов, пульсации расхода, помехи и т.п.), применены алгоритмы для анализа спектра первичного сигнала. Из зарубежных приборов такого класса наиболее известны Yokogawa Digital Yewflo, из российских - ВРСГ-1 и ИРВИС-РС4. В более простых приборах, спектр не анализируется, предполагается, что в любом случае частота сигнала с детектора вихрей есть частота срыва вихрей и она пропорциональна расходу.
Для пересчета частоты вихреобразования в расход, приведения объема к нормальным условиям и его интегрирования применяются электронные корректоры. Анализ спектра сигнала производится специализированным для данного типа расходомера электронным корректором, а для расходомеров не использующих спектральный анализ могут быть использованы как специализированные, так и универсальные электронные корректоры.
Вашему вниманию предлагается информация о вихревом расходомере- счетчике газа ИРВИС-РС4Этот прибор был разработан научно-производственным предприятием «Ирвис» (г. Казань) в 2005 году на основе опыта эксплуатации вихревого расходомера-счетчика газа ВРСГ-1, серийно выпускавшегося с 1992 по 2005 год (более 2 тыс. таких приборов установлено в России, Украине и Казахстане). Успешной реализации проекта способствовало применение в нем научно-технических разработок и математических алгоритмов, используемых при экспериментальных исследованиях гидродинамических процессов в ракетных двигателях. НПП «Ирвис» проводит активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы совместно с Российской Академией наук (РАН), Всероссийским институтом расходометрии (ВНИИР) и КГТУ им. А.Н.Туполева (ранее Казанский авиационный институт). Гарантийное и сервисное обслуживание приборов на территории Беларуси выполняется специалистами официального представителя - Частного предприятия «НПП ИРВИС».
Ниже приведены основные характеристики, краткое описание устройства и особенностей эксплуатации данного прибора.
Выпускаются следующие модификации ИРВИС-РС4 для различных технических задач и условий эксплуатации:
-
ИРВИС-РС4-Пп-16 - наиболее часто применяется для коммерческого и технологического учета природного газа при давлении до 1,6 МПа.
-
ИРВИС-РС4-Пар - предназначен для учета объема и массы водяного пара и горячих газов при давлении до 1,6 МПа и температуре до +250°С.
-
ИРВИС-РС4-Пп-10 - для установки на газопроводы с рабочим давлением до 10 МПа.
ИРВИС-РС4-Пр - с вихревым преобразователем расхода погружного исполнения для установки на газопроводы с Ду 300..2000 мм. Может комплектоваться шлюзовой камерой.
Расходомер-счетчик любой модификации состоит из первичного преобразователя (ПП) и вторичного прибора - блока интерфейса и питания (БИП), связанных между собой соединительным кабелем (длина до 300 м).
Рассмотрим подробнее базовую модификацию - расходомер-счетчик ИРВИС-РС4-Пп-16
Для измерений в различных диапазонах расходов выпускается ряд типоразмеров ИРВИС-РС4-Пп-16, отличающихся диаметром условного прохода (Ду) первичного преобразователя: 50, 80, 100, 150, 200, 300 мм. Для ИРВИС-РС4 базовая модификация прибора предназначена для учета очищенных газов, в которых не содержатся ни капельная жидкость (конденсат), ни крупные твердые частицы. В базовой модификации используется детектор вихрей - преобразователь пульсаций скорости (ППС), представляющий собой вольфрамовый терморезистор.
Для учета загрязненных сред рекомендуется применять специальную модификацию, устойчивую к попаданию в газопровод пылевидных и аэрозольных загрязнений. В этом случае прибор комплектуется детектором вихрей, состоящим из двух пьезоэлектрических датчиков давления пульсационных (ДДП). В этом случае диапазон измеряемых расходов сужается из-за того, что наименьший измеряемый расход для ДДП выше, чем для ППС.
Рабочий газ - природный газ, другие горючие газы, воздух, инертные газы при избыточном давлении от -0,05 до 1,6 МПа, температуре от -40 до +45˚С.
Внешняя среда: первичный преобразователь - температура -40...+45˚С, БИП - температура -10..+45˚С. Первичные преобразователи приборов ИРВИС могут монтироваться как внутри помещения, так и на открытом воздухе. Вторичные приборы (БИП) устанавливаются в теплом помещении либо в обогреваемом шкафу.
Питание прибора осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Потребляемая мощность не более 25 Вт. Питание ПП осуществляется через БИП по искробезопасным цепям. Для обеспечения автономности до суток рекомендуется подключение через стандартные источники бесперебойного питания.
Первичный преобразователь расхода газа ИРВИС-К300 с технической точки зрения представляет собой канал измерения расхода, выделенный из состава расходомера-счетчика ИРВИС-РС4. Данный прибор не комплектуется каналами измерения давления и температуры. ИРВИС-К300 является расходомером, преобразующим значение расхода газа в нормированный частотный и токовый сигнал. ИРВИС-К300 имеет цифровой выход RS485, по желанию заказчика может комплектоваться ЖКИ индикатором, отображающим значение прошедшего объема газа и текущего расхода газа при рабочих условиях. ИРВИС-К300 обладает такими преимуществами ИРВИС-РС4 как широкий диапазон измерений, высокая точность, стабильность метрологических характеристик. Применяется как правило для технологического, поагрегатного учета.
Как устроен и как работает ИРВИС-РС4
ИРВИС-РС4 является функционально завершенным узлом учета газа, его первичный преобразователь обеспечивает измерение всех трех параметров, необходимых для определения объема газа при стандартных условиях - расхода, давления и температуры. Соответствующие датчики и вычислитель размещены в корпусе ПП.
Серийно выпускаемые приборы ИРВИС-РС4 оснащается датчиками абсолютного давления. В качестве датчика температуры применен термометр сопротивления платиновый ТСП-100.
Датчик расхода разработки НПП «Ирвис» состоит из тела обтекания и детектора вихрей. Тело обтекания изготовлено из износоустойчивой нержавеющей стали, предназначено для устойчивой генерации вихревой дорожки при обтекании потоком газа в широком диапазоне расходов. Чувствительный элемент детектора вихрей установлен внутри тела обтекания в поперечном отверстии и представляет собой подогреваемый вольфрамовый терморезистор. При чередующемся срыве вихрей с острых рабочих кромок в поперечном отверстии тела обтекания возникает пульсирующий переток газа. Частота этих пульсаций есть частота вихреобразования, которая измеряется по соответствующему электрическому сигналу, возникающему в детекторе вихрей.
Работа комплекса построена следующим образом.
Первичный сигнал с детектора вихрей поступает в сигнальный процессор (СП), где производится цифровая обработка и анализ спектра, полученная частота вихреобразования и сигналы с датчиков давления и температуры поступают в блок обработки сигналов (БОС), который является вычислителем, но установлен в ПП. В БОС производится вычисление расхода и приведение к стандартным условиям, накопительный счетчик объема также сохраняется в энергонезависимой памяти БОС. Далее, по цифровой линии связи, соединяющей ПП со вторичным прибором, информация из БОС запрашивается регистратором (1 раз в секунду). Регистратор сохраняет в энергонезависимой памяти информацию о среднечасовых значениях всех измеряемых параметров, ведет архив событий (нештатных ситуаций, выключений питания и расхода газа), архив констант (введенные состав и плотность газа, договорные параметры). Глубина архива 100 суток. При возникновении неисправности, учет газа ведется по константам, введенным в память прибора надзорным органом. При выходе измеряемых параметров за аттестованный диапазон, учет также ведется по установленным константам.
Все измеряемые параметры выводятся на жидкокристаллический индикатор.
Архивы распечатываются на бумаге. Принтер подключается непосредственно к разъему (LPT) на корпусе вторичного прибора, без промежуточных устройств. Отчетные ведомости защищаются PIN кодом для исключения возможности фальсификации.
Прибор снабжен цифровыми выходами RS-232 и RS-485 для подключения компьютера или модема. В комплекте с прибором поставляется программное обеспечение для считывания архива, имеется более сложное ПО для автоматизированного опроса, поставляемое за отдельную плату. Для включения прибора в SCADA-системы производителем предоставляется специализированные драйверы.
Для переноса архивов с прибора на компьютер не по кабелю, а «вручную» в комплекте поставки имеется флэш-носитель информации и адаптер считывания.
Имеется режим записи на флэш-носитель трендов измеряемых параметров с шагом по времени 1..1024 секунды. Этот режим удобен при использовании прибора для мониторинга пневмосетей, выявления срабатывания сбросных клапанов и т.п.
В случае, если прибор необходимо подключить в систему, работающую с токовыми сигналами, ИРВИС-РС4 комплектуется блоком токового интерфейса с выходами 4...20 мА(0...5мА) по всем трем каналам измерения.
При первичной поверке прибора в его память вносятся данные по составу и плотности рабочей среды из опросного листа, заверенного печатью Заказчика. При эксплуатации прибора, в случае необходимости, возможно изменить эти параметры, в архиве констант сохраняется информация об изменении состава и плотности газа. Возможность такого изменения может блокироваться паролем поставщика газа. Вносить какие-либо изменения в градуировочные характеристики прибора в процессе эксплуатации невозможно.
Недостатки и преимущества ИРВИС-РС4
К недостаткам вихревых расходомеров-счетчиков можно отнести более длинные по сравнению с турбинными и ротационными счетчиками прямолинейные измерительные участки. Для штатного функционирования ИРВИС-РС4 требуется предвключенный участок длиной 20 Ду и поствключенный 5 Ду (для наиболее вероятной схемы, подробнее см. в Руководстве по эксплуатации ИРВС 9101.0000.00 РЭ). Для сокращения длин предвключенных участков НПП «Ирвис» разработаны специальные устройства для уничтожения вихревых следов от оборудования, смонтированного на газопроводе перед ПП: «Турбулизатор-У» исключает необходимость прямолинейного предвключенного участка, т.к. формирует внутри себя необходимый для корректной работы прибора ИРВИС газовый поток, представляет собой проточную часть особой конфигурации по габаритам сопоставимую с ПП. Монтируется на фланцевое соединение, поставляется за отдельную плату.
Пусконаладка ИРВИС-РС4 не представляет сложности, но требует пунктуального следования указаниям технической документации. С особой тщательностью требуется отнестись к врезке в газопровод фланцев для установки ПП. Специфика требований к врезке вихревых счетчиков не усложняет и не удорожает пусконаладочных работ, требует лишь элементарной технологической культуры и производства монтажных работ в точном соответствии с инструкцией изготовителя. Применение в качестве измерительных участков труб с внутренним диаметром вне требуемого допуска (-2..+2,5% Dy ПП), нештатных уплотнений, фланцев и т.п. сводит на нет передовые технологии, использованные в данном приборе для обеспечения высокой точности измерений.
В случае измерения нестационарных (быстро изменяющихся) расходов заявленная точность расходомера не всегда реализуема.
При пульсации расхода с очень большой частотой (порядка десятков колебаний в секунду) и, при этом, с большой амплитудой (величина расхода изменяется в несколько раз) срыв вихрей может стать вынужденным и расход не может быть точно определен по частоте вихрей. Такие пульсации расхода вызываются работой регулятора давления в режиме высокочастотных автоколебаний клапана, наблюдается они чрезвычайно редко, сопровождаются гулом и вибрацией, быстро приводят к разрушению клапана и седла регулятора.
В расходомере-счетчике ИРВИС-РС4 имеется развитая система самодиагностики, позволяющая по спектральному анализу входного сигнала выявить нежелательные режимы работы регулятора. В случае, когда пульсация расхода или другие причины формируют «плохой» сигнал в канале измерения расхода и препятствует обеспечению заявленной точности, учет газа может производиться либо по измеренному (неточному) значению расхода, либо по константе - договорному значению (в зависимости от настроек, открываемых паролем поставщика газа). «Плохой» сигнал может быть вызван и другими причинами: очень сильным загрязнением детектора вихрей, инородным предметом в предвключенном участке, установкой ПП не в соответствии с направлением потока газа. Все эти случаи диагностируются и отрабатываются аналогично.
При «качке» - низкочастотных автоколебаниях расхода, вызванных неправильной настройкой регулятора давления, расход измеряется точно. В случае, если изменение частоты вихрей от минимума до максимума происходит за 7 и более периодов вихрей, вычислитель способен статистически обработать такой сигнал и правильно определить расход. Это соответствует данными из ISO3313 (международный стандарт - рекомендации по измерениям нестационарного расхода), где указаны границы применимости вихревых расходомеров.
Для расходомеров и счетчиков газа на других физических принципах измерение нестационарных расходов тоже проблематично, например, для турбинных расходомеров погрешность измерения пульсирующих расходов может достигать 25% (ISO3313). За счет инерции вращающихся масс приборы механического типа способны завышать или занижать измеряемый расход в зависимости от того, какой процесс происходит быстрее: нарастание или спад расхода. Факторы, влияющие на точность учета, в расходомерах не использующих вихревой принцип могут быть иные и информация об их воздействии не всегда может быть получена путем анализа первичного сигнала данного прибора.
Невозможность обеспечить полную автономность прибора по электропитанию обусловлена постоянным потреблением тока на подогрев терморезистора детектора вихрей (ППС) и непрерывностью анализа сигнала в канале расхода. Автономность в пределах нескольких часов легко обеспечивается стандартными устройствами бесперебойного питания, а по мере оснащения узлов учета GSM- модемами и другими устройствами телеметрии, стационарное питание будет подводиться и на отдельно стоящие ГРС.
Преимущества вихревых расходомеров-счетчиков ИРВИС-РС4 перед приборами других типов обусловлены следующими особенностями конструкции и технологией градуировки:
Высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых расходов, определение погрешности счетчика при гос.поверке производится комплексно по всем трем измерительным каналам (температура, давление, расход), каждый экземпляр прибора проходит градуировку на газодинамическом стенде во всем диапазоне расходов. Газодинамический стенд НПП «Ирвис» уникален - он дает возможность испытания счетчиков и расходомеров газа как на разрежении, так и на рабочем давлении, в широком диапазоне температур, имеется возможность создания пульсирующих расходов с заданными характеристиками. Стенд используется для поверки счетчиков газа иностранного производства совместно с ВНИИР (отраслевой НИИ расходометрии находится в Казани). Периодическая поверка (раз в 2 года) может выполняться в собственной лаборатории Частного предпориятия «НПП ИРВИС», г. Минск.
Детектор вихрей разработки НПП «Ирвис» имеет высокую чувствительность во всем теоретически возможном диапазоне частот вихреобразования, это дало возможность обеспечить малое гидродинамическое сопротивление первичного преобразователя (не требуется поджатие потока) и отсутствие чувствительности к промышленным вибрациям (характерное для преобразователей пьезоэлектрического типа).
Стабильность метрологических характеристик. В конструкции отсутствуют основные причины износа и нестабильности измерений - движущиеся части, смазываемые узлы, микронные зазоры, характерные для ротационных и турбинных счетчиков. Информацию о расходе несет частота, а не амплитуда сигнала с детектора вихрей, следовательно, отсутствует и причины дрейфа нуля, характерные для расходомеров-счетчиков с датчиком перепада давления или с термоанемометрическим зондом. Использованы наиболее качественные датчики давления и температуры.
Стойкость к загрязнениям и гидроударам. Принципиально невозможны заклинивание и прекращение прохода газа. Совокупность геометрии тела обтекания, принципа детектирования вихрей и математических алгоритмов (специфичных для продукции НПП «Ирвис» и защищенных патентами) обеспечивают стабильность метрологических характеристик канала измерения расхода даже при загрязнении рабочей среды. Загрязнения не откладываются на рабочих кромках генератора вихрей - гидродинамика обеспечивает их постоянную очистку, но и износа кромок при этом не происходит. Детектор вихрей вынесен из потока газа и размещен внутри тела обтекания - в канале перетока. Канал перетока выполнен в затененной части тела обтекания и таким образом защищен от загрязнения. При постоянной работе на сильно загрязненной среде (характерно только для попутного газ) система самодиагностики начинает выдавать предупреждение о загрязнении детектора вихрей за несколько суток до отказа. Промывка детектора вихрей или замена на новый из ЗИПа (поставляется в комплекте) производится на месте эксплуатации и не требует высокой квалификации.
Удобство при проектировании узла учета. Монтаж измерительного участка и ПП можно вести на горизонтальном, вертикальном и наклонном участках трубопровода. Первичный преобразователь может быть произвольно сориентирован в пространстве.
Простота эксплуатации. При эксплуатации счетчик ВРСГ-1 не требует регулярного обслуживания (смазки, корректировки нулей, предохранения первичного преобразователя от замерзания и т.п.). Необходимо лишь периодически контролировать сам факт работоспособности прибора по реальности индицируемых параметров газа и по отсутствию сообщений об отказах. Система самодиагностики программно реализована в трех блоках (СП, БОС и регистраторе), через которые информация о расходе попадает к потребителю. Признаки событий запрашиваются регистратором, который выдает сообщения самодиагностики на индикатор БИП и заносит в архив событий (архив событий организован так, что не может переполниться даже при «мерцающем» отказе). Контроль можно производить и дистанционно, например, опрашивая архив приборов через GSM-модем. В случае отказа или повреждения, ремонт прибора может производиться на месте, заменой блоков, и не требует внеочередной поверки. Исключением являются механическое повреждение генератора вихрей, отказ датчика давления и отказ вычислителя (электронная плата БОС, размещается на ПП под кожухом), их замена требует поверки всего прибора, но эти отказы крайне маловероятны. При разработке новых модификаций прибора обеспечивается возможность поблочной модернизации более ранних версий.
Комплектность узла учета. ИРВИС-РС4 имеет в своем составе вихревой расходомер, датчик абсолютного давления, датчик температуры, вычислитель, регистратор, барьер искрозащиты, блок питания и является законченным комплектным узлом коммерческого учета природного газа (либо попутного нефтяного газа, сжатого воздуха, водяного пара, и т.д.). В базовую стоимость прибора включен также и монтажный комплект, состоящий из габаритного имитатора ПП (служит для замены ПП на время монтажа и поверки), ответных фланцев, крепежа, уплотнительных колец и соединительного кабеля. По желанию Заказчика прибор может комплектоваться предвключенными и поствключенными измерительными участками, аттестованными заводом-изготовителем. Весь комплекс изготавливается, градуируется и арестовывается как единое целое квалифицированными специалистами в заводских условиях. Такой подход повышает точность измерений, снижает стоимость монтажных работ, облегчает приемку узла учета надзорными органами.