СОБЫТИЯ

Россия останется главным поставщиком газа в Европу как минимум до 2040 года

РФ вплоть до 2040 года останется основным поставщиком газа в ЕС, несмотря на значительное снижение спроса на голубое топливо в Европе. Об этом сообщается в прогнозе Международного энергетического агентства (МЭА). По его оценке, спрос на газ в ЕС ...

Доходы России от экспорта нефти в январе-сентябре выросли более чем на треть

Доходы РФ от экспорта нефти в январе-сентябре выросли на 37,7% по сравнению с аналогичным периодом 2017 года, до $94,056 млрд. Об этом свидетельствуют данные Федеральной таможенной службы. Общий объем экспорта нефти за указанный период составил ...

Омский НПЗ и Минприроды подписали соглашение об экологическом партнерстве

В Омской области заключено первое соглашение в сфере экологического партнерства между Минприроды и крупнейшим промышленным предприятием региона. До конца года подобные документы подпишут еще 20 компаний, имеющие выбросы загрязняющих веществ в ...

Россия не готова к освоению арктического шельфа?

В Москве прошел V международный форум «Геологоразведка 2018», участники которого обсудили перспективы освоения континентального шельфа, проблемы финансирования и технологической оснащенности отрасли. Если не принять меры по ...

«Газпром нефть» инвестирует 400 млрд. рублей в развитие Ямала

Около 400 млрд рублей инвестирует «Газпром нефть» в развитие «Нового Порта» и смежных проектов в ближайшие пять лет. Об этом шла речь на совещании с участием губернатора ЯНАО Дмитрия Артюхова и первого заместителя ...

Коммерческий учёт сжиженного природного газа

Янкис ХОГЕНДУРН, Андре БОЭР, Хелен ДАНЕН (KROHNE Altometer, Нидерланды)
Перевод: Роман ШЛЯПИН (КРОНЕ Инжиниринг, Россия)

 

В последнее время всё большую популярность приобретает транспортировка сжиженного природного газа (СПГ). Это обусловлено тем, что месторождения газа, как правило, находятся в удалённых районах от потребителей и страны- импортёры ищут способы диверсифицировать поставки газа. Другим немаловажным фактором является рост числа участников на рынке СПГ, что увеличивает количество точек коммерческого учёта 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 надёжные измерения неуклонно растёт.

 

Уже более 20 лет для коммерческого учёта газа и около 10 лет для коммерческого учёта 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 учёта. 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. При разработке, производстве и калибровке УЗПР для криогенных условий необходимо учитывать не только сверхнизкие температуры измеряемой среды, но и возникающие ограничения при калибровке приборов в нормальных условиях.

 

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.
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.
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 приблизительно на 8 дБ, а также немного уменьшается пропускная способность акустического сигнала. Однако этот эффект не имеет существенного значения для приёма-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.

 

 

Датчик прекращает функционировать при потере контакта между пьезоэлектрическим кристаллом и акустическим окном. Из этого следует, что важно обеспечить надёжный 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 твёрдой и её объём 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 неопределённость 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 исключён из окончательного проекта. Чтобы проверить акустический контакт между пьезоэлементом и акустическим окном, были проведены измерения, в результате –
изучена производительность сенсора во всём диапазоне температур. Тщательное исследование привело к специальной конструкции, сочетающей в себе акустическую связь и надёжную 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 надёжна, 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.
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 замере акустических сигналов в таком состоянии. Результаты нас очень порадовали, поскольку расходомер отвечал всем установленным требованиям, полученным 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 надёжностью. На следующем этапе разработки мы приступили к полномасштабному тес-тированию 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 учёта 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 надёжной конструкции сенсора. Обширные испытания в изолированных, статических и динамических условиях показали, что преобразователь стабилен и генерирует воспроизводимые и точные результаты.

 

Литература:


1. Hogendoorn, J. and A. Boer, Experience with Ultrasonic Flowmeters in Fiscal Applications for Oil ( products), 17th North Sea Flow Measurement Workshop, 1999.
2. Dahlstrom, M.J., Two Years of Fiscal Performance, 17th North Sea Flow Measurement Workshop, 1999.
3. Dahlstrom, M.J., KROHNE ALTOSONIC V with Master Meter Approach, 21th North Sea Flow Measurement Workshop, 2003
4. Klooster, J. van, Sensorconstructie LNG toepassingen, Internal report KROHNE, 2006.
5. Volmer, W., Uncertainty statement ALTOSONIC V on LNG, Letter of NMi, 2006.
6. Description of the ‘Cryogenic Flow Facility at NIST’ given by NIST, undated.
7. Lewis, M., Test report of ALTOSONIC V – LT on liquefied Nitrogen, NIST, 2007.
8. J. Hogendoorn, H. Hofstede, H. Danen, ALTOSONIC III – A Dedicated Three-beam Ultrasonic Flowmeter for Custody Transfer of Liquid Hydrocarbons, NSFMW 2004.
9. T. Folkestad, Proving a fiscal 5 path Ultrasonic Liquid Meter with a Small Volume Prover Norsk Hydro ASA Can it be done?, NSFMW 1999.
10. T. Folkestad, Testing a 12” KROHNE 5-path ALTOSONIC V ultrasonic liquid flowmeter on Oseberg crude oil and on heavy crude oil, NSFMW 2001.
11. Hofstede, H., Hogendoorn J., and Danen, H., ALTOSONIC III – A Dedicated Three-beam Ultrasonic Flowmeter for Custody Transfer of Liquid Hydrocarbons, SEAHFMW 2005.


Категория статьи: Технологии

К содержанию журнала
Яндекс.Метрика