Коммерческий учет СПГ с помощью продукции KROHNE
Я. ХОГЕНДУРН, А. БОЭР, Х. ДАНЕН – KROHNE Altometer, Нидерланды, e-mail: marketing@krohne.su
Перевод: Р. ШЛЯПИН – КРОНЕ Инжиниринг, Россия
В последнее время все большую популярность приобретает транспортировка сжиженного природного газа (СПГ). Это обусловлено тем, что месторождения газа, как правило, находятся в удаленных районах от потребителей и страны импортеры ищут способы диверсифицировать поставки газа. Другим немаловажным фактором является рост числа участников на рынке СПГ, что увеличивает количество точек коммерческого учета СПГ. Долгое время наиболее популярным методом измерения СПГ был замер уровня в танках судна, но данный метод имеет ряд ограничений, в то время как спрос на точные и надежные измерения неуклонно растет.
Уже более 20 лет для коммерческого учета газа и около 10 лет для коммерческого учета жидких углеводородов используются ультразвуковые расходомеры (УЗПР). За последние годы был получен огромный опыт и собрано большое количество эмпирических данных при анализе сотен применений УЗПР на коммерческих узлах учета. Подавляющее большинство применений были весьма успешны и могут быть рассмотрены как проверенная временем технология измерения. Наравне с успешными применениями УЗПР в «нормальных» условиях эксплуатации, ультразвуковой принцип подходит для измерения расхода жидкости в криогенных условиях. Разработка, производство и калибровка УЗПР для криогенных условий должна учитывать не только сверхнизкие температуры измеряемой среды, но и возникающие ограничения при калибровке приборов в нормальных условиях.
Компания KROHNE предлагает свое решение для коммерческого учета СПГ – ультразвуковой расходомер ALTOSONIC V (СПГ).
Ультразвуковой расходомер ALTOSONIC V (СПГ) применим в течение всего технологического процесса переработки и транспортировки природного газа:
- Процесс сжижения природного газа
- Загрузка СПГ на танкеры
- Разгрузка СПГ с танкеров
- Дегазация
- Система обнаружения и локализации утечек
Данный прибор обладает отличительными особенностями, которые выгодно выделяют его среди прочих решений. Полнопроходное сечение измерительной трубы ALTOSONIC V СПГ гарантирует отсутствие перепадов давления и колебаний расхода. В результате обеспечивается непрерывный высокоточный учет при отсутствии риска газификации в линии.
В суровых условиях работы при криогенных температурах обычный ультразвуковой сенсор будет рассеивать сигнал по корпусу расходомера, так что он будет восприниматься противоположным ультразвуковым сенсором. Результатом этого станет более высокий уровень шума и меньшая чувствительность измерений. ALTOSONIC V СПГ минует это негативное влияние благодаря уникальной экранирующей оболочке акустических каналов, позволяющей предотвратить рассеивание акустического сигнала с внешней стороны ультразвукового сенсора. При использовании обычного ультразвукового сенсора контакт между СПГ и сигналом, сгенерированным пьезокристаллом, в условиях криогенных температур ослабнет – Ультразвуковые сенсоры ALTOSONIC V СПГ, напротив, покрыты специально разработанным пластинчатым материалом на отражающей поверхности, модуль упругости и характеристики проводимости которого оптимизированы для СПГ при низких температурах. Благодаря этому, отсутствует ухудшение и выпадение сигнала. Чем лучше сигнал, тем надежнее измерение!
Конструкция сенсора
Первое, что необходимо исследовать при разработке УЗПР для СПГ – это поведение пьезокристаллов в криогенных условиях. Акустические пьезоэлементы являются основой любого УЗПР. Именно они порождают ультразвуковые волны, которые, проходя по потоку и против потока, предоставляют информацию о скорости потока. Если пьезоэлементы работают нестабильно, снижается качество измерения УЗПР. Наше исследование было сосредоточено на электрических, акустических и механических свойствах пьезокерамического материала в криогенных условиях.
Исследование было сосредоточено на исследовании электрических, акустических и механических свойств пьезокерамического материала при криогенных условиях. Для начала нам стало интересно исследовать сам пьезоэлемент, т.е. когда он не является частью преобразователя, поскольку поведение пьезокристалла может варьироваться от конструктивных особенностей комплектного сенсора. Конструкция, которая была создана для этого исследования, состояла из рамы, в центре которой закреплены два пьезоэлемента.
Рис. 1. Испытания сенсора на сжиженном азоте (−196°C). Слева: рама с пьезоэлементами над контейнером с жидким азотом. Справа: рама с пьезоэлементами погружены в емкость с азотом
Для того чтобы создать необходимые условия для исследования, в первом эксперименте исследуемые преобразователи были погружены в воду, а затем ту же конструкцию погрузили в сжиженный азот с температурой −196°С, при этом измерялись электрические и акустические свойства.
Оказывается, что в сравнении с водой при температуре 20°С в криогенных условиях электрический импеданс уменьшается с приблизительно на 8 дБ, а также немного уменьшается пропускная способность акустического сигнала. Однако, этот эффект не имеет существенного значения для приема-передачи ультразвукового сигнала.
На основе этого эксперимента мы заключили, что потрясения, вызванные экстремальными температурными условиями, не оказывают существенного влияния. Пьезоэлементы не получили ни повреждений, ни снизили свою эффективность при многократном погружении в жидкий азот.
Из этого можно сделать вывод, что пьезокристаллы могут использоваться в криогенных условиях с температурой до −196°С.
Работа сенсора при криогенных условиях
Следующим шагом в нашем исследовании было изучение конструктивных особенностей сенсора. Пьезоэлемент является частью конструкции преобразователя, а потому должны быть учтены наиболее критичные факторы, влияющие на акустическую связь передатчиков.
Рис. 2. Классическая конструкция сенсора
Датчик прекращает функционировать при потере контакта между пьезоэлектрическим кристаллом и акустическим окном. Из этого следует, что важно обеспечить надежный акустический контакт, даже если происходят значительные геометрические изменения вследствие теплового расширения или сжатия материала. При изготовлении сенсоров для большинства классических применений УЗПР используется стандартная смазка, создающая эффективную акустическую связь между пьезоэлементом и акустическом окном. Тем не менее, при температурах ниже -70°С стандартная смазка не может быть использована, поскольку становится твердой, и ее объем уменьшается в результате усадки при кристаллизации.
Следовательно, механический контакт теряется и акустический сигнал пропадает. По этой причине была испытана особая криогенная смазка. По своим техническим характеристикам она может быть использована для температур вплоть до −200°С. Эта смазка имеет меньшую усадку вследствие затвердевания.
Для проведения исследования эффекта о влияния низких температур на преобразователь была создана особая конструкция, состоящая из двух датчиков и волновода между ними. Волновод требовался для моделирования жидкости и не был предназначен для точных измерений расхода. Также было принято решение не использовать конструкцию с волноводом для окончательного дизайна расходомера. Причина этого заключается в том, что конструкция волновода вносит дополнительную неопределенность в измерение времени прохождения сигнала, поскольку время прохождения акустической волны зависит от скорости звука в волноводе. Скорость звука зависит от изменений температуры волновода, которая точно не известна. Это приводит к дополнительной погрешности при измерении времени прохождения и, соответственно, измерении расхода.
По этой причине волновод был исключен из окончательного проекта. Чтобы проверить акустический контакт между пьезоэлементом и акустическим окном, были проведены измерения, в результате чего была изучена производительность сенсора во всем диапазоне температур. Тщательное исследование привело к специальной конструкции, сочетающую в себе акустическую связь и надежную конструкцию датчика. В окончательном проекте конструкции сенсора мы добились показателей в криогенном исполнении таких же, как и в стандартной конструкции. Преимущество стандартной конструкции в том, что она проверена временем и надежна, и уже используется в тысячах и тысячах применений ультразвуковых расходомеров.
Конструкция расходомера и статические испытания
Мы положили в основу дизайна УЗПР для СПГ концепцию максимального повторения конструктивных особенностей стандартного пятилучевого расходомера ALTOSONIC V. Поскольку технические решения в стандартном исполнении хорошо зарекомендовали себя в огромном количестве применений, мы не видели необходимости вносить конструктивные особенности для криогенного исполнения.
Рис. 3. Пятилучевой ультразвуковой расходомер для криогенных применений (СПГ)
Но все же некоторых изменений избежать не удалось. Так, например, был разработан дополнительный колпачок на задней стороне сенсора, для дополнительной герметизации сенсора и предотвращения образования льда в его внутренней полости. Образование льда происходит из-за наличия влаги в окружающем воздухе, которая конденсируется и замерзает на холодных поверхностях. Наличие кристаллов льда во внутренней полости датчика может привести к неправильной работе сенсора, поэтому эта доработка была необходимой.
Мы провели ряд экспериментов с доработанной конструкцией корпуса расходомера. Один из тестов заключался в наполнении расходомера жидким азотом и замеру акустических сигналов в таком состоянии. Результаты нас очень порадовали, поскольку расходомер отвечал всем установленным требованиям, полученными командой разработчиков. Был получен сильный акустический сигнал, хорошая пропускная способность, хорошее соотношение сигнал-шум. Все тесты показали, что преобразователи и корпуса расходомера функционируют с ожидаемой точностью, стабильностью и надежностью. На следующем этапе разработки мы приступили к полномасштабному тестированию прототипов расходомеров для СПГ на калибровочных установках по воде.
Концепция калибровки
Существуют две проблемы, касающиеся калибровки любого типа расходомера, применяющегося в криогенных условиях. Первая – в настоящее время в мире нет поверочной установки, где могут быть поверены расходомеры с диаметром более 4 дюймов на СПГ или жидком азоте. Вторая – в большинстве применений невозможно калибровать расходомеры на рабочей среде по месту эксплуатации.
Это глобальный вызов для развития альтернативного метода калибровки!
В тесном сотрудничестве с NMi (Нидерландский Метрологический институт) была разработана специальная процедура калибровки для ультразвуковых расходомеров, применяемых в системах коммерческого учета СПГ.
Заключение
Исследования показали важность акустической связи между пьезоэлектрическим керамическим элементом и акустическим окном преобразователя. Тщательное исследование привело к разработке специальной конструкции, состоящей из комбинации акустической связи и надежной конструкции сенсора. Обширные испытания в изолированных, статических и динамических условиях показали, что преобразователь стабилен и генерирует воспроизводимые и точные результаты. А значит, ультразвуковой расходомер ALTOSONIC V (СПГ) производства компании KROHNE является проверенным решением в области измерений сниженного природного газа.
ООО «КРОНЕ Инжиниринг»
www.krohne.ru
