В связи с постоянным ростом цен на энергоносители, сырьевые ресурсы и с целью рационализации их использования промышленные предприятия обязаны уделять пристальное внимание учету производимых и потребляемых энергоресурсов, а также учету выбросов в атмосферу. В первую же очередь руководители промышленных предприятий стремятся повысить точность измерения расхода и количества среды при коммерческом учете сырьевых потоков, необходимого для осуществления взаимных расчетов между поставщиком и покупателем.
В основе нормативной базы, определяющей требования государственной системы обеспечения единства измерений, лежит Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» [1], принятый в 1996 году. Согласно статье 9 этого Закона измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. «Правила учета газа» [2] (п. 2.5) также устанавливают, что измерения и учет количества газа, осуществляемые по узлам учета потребителя газа и поставщика, производятся по методикам выполнения измерений, аттестованным в установленном порядке.
Методика выполнения измерений (далее МВИ) в соответствии с РМГ 29-99 [3] определяется как установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятыми методами, то есть МВИ разрабатывают и применяют с целью обеспечения выполнения измерений с погрешностью, не превышающей нормы погрешности или приписанной характеристики погрешности (неопределенности).
Общие положения, требования к разработке, аттестации, стандартизации МВИ и метрологическому надзору за ними устанавливается ГОСТ Р 8.563–96 [4]. МВИ излагают в отдельных документах (инструкциях, рекомендациях, стандартах) либо в части, разделах документа. Следует заметить, что стандарт ГОСТ Р 8.563–96 [4] не распространяется на МВИ, характеристики погрешности измерений по которым определяют в процессе или после их применения. В основе метрологического обеспечения учета нефтепродуктов лежит ГОСТ Р 8.595– 2004 [5].
Стандарт распространяется на методики выполнения измерений массы нефтепродуктов в сферах распространения государственного контроля и надзора, основанных на прямых и косвенных методах динамических и статических измерений и гидростатическом принципе. Одним из главных достоинств данного документа является четкое определение допускаемых погрешностей, или норм точности, которые в зависимости от метода измерений изменяются от 0,25 до 0,75 %.
Именно существование таких, достаточно строгих норм точности является одним из стимулов для внедрения современных средств измерений, способных обеспечить требуемую точность в течение всего межповерочного интервала. В связи с отсутствием на территории РФ утвержденных норм точности учета газа в настоящее время действует установленная, согласно единой поверочной схеме по ГОСТ Р 8.618–2006 [6], максимальная допустимая погрешность измерений объема и массы газа, равная ± 4 %.
В других случаях, нормы точности измерений объема газа устанавливают правительства регионов РФ соответствующими постановлениями. С 2006 года на территории РФ введен в действие национальный стандарт ГОСТ Р 8.615–2005 [7], устанавливающий общие метрологические требования к измерениям количества нефти и нефтяного газа, а также нормы погрешностей (при измерении объема попутного нефтяного газа пределы относительной погрешности установлены на уровне ± 5 %).
В соответствии с ГОСТ Р 8.615–2005 [7] измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными МВИ, а проекты систем учета нефтяного газа должны проходить метрологическую экспертизу. Приведенным выше требованиям по точности измерений расхода и объема газа удовлетворяет целый ряд применяемых в промышленности методов измерений. К ним относятся методы переменного перепада давления, а также методы, основанные на использовании вихревых, ультразвуковых, ротационных, турбинных, термально-массовых расходомеров.
Стандартизованные МВИ с применением вышеперечисленных методов измерений расхода жидких и газообразных сред описаны в различных нормативных документах. Основополагающими в области метрологического обеспечения измерений расхода и количества энергоносителей и сырьевых ресурсов (вода, перегретый пар, природный газ, нефтяной газ и др.) являются документы, посвященные применению измерительных комплексов на базе сужающих устройств: ГОСТ 8.586.(1-5)–2005 [8, 9, 10, 11, 12], РД 50-411– 83 [13]; турбинных, вихревых и ротационных преобразователей: ПР 50.2.019–2006 [14].
При организации учета энергоносителей необходимо иметь в виду, что условия эксплуатации оказывают существенное влияние на метрологические характеристики средств измерений и возникающие при этом дополнительные погрешности могут значительно превышать погрешности, заявленные в технической документации. Если внимательно изучить инструкции по эксплуатации, можно установить, что погрешность некоторых промышленно выпускаемых измерительных преобразователей давления не нормируется привычным значением класса точности.
Оценка влияния дополнительных погрешностей измерительных преобразователей на достоверность результата измерений расхода — это не сложный с инженерной точки зрения вопрос. Но в зависимости от применяемого метода погрешность измерений расхода среды может составлять несколько десятков процентов, даже в случае удовлетворения всем формальным требованиям нормативной документации.
Поэтому условия эксплуатации средств измерений и их влияние на точность результата измерений должны быть конкретизированы для конкретного узла учета и зафиксированы в официальном документе. Необходимость применения МВИ на каждом узле учета газа прописана также в типовых унифицированных технических решениях по проектированию и строительству новых узлов учета газа, разработанных ООО «Гипрогазцентр» (ОАО «Газпром»).
Также существенными факторами, влияющими на суммарную точность измерения расхода, являются физические свойства измеряемой среды и конфигурация измерительных трубопроводов. Конструкция измерительных трубопроводов оказывает существенное влияние на показания расходомеров за счет деформации профиля скорости. Нашим институтом разработана методика, позволяющая определять метрологические характеристики измерительных комплексов в реальных условиях эксплуатации, зарегистрированных в ранге рекомендаций по метрологии МИ 3018–2006 [15].
Экспериментальная апробация методов из МИ 3018–2006 [15], показала возможность их применения для оценки влияния конструкции измерительных трубопроводов на параметры потока среды и на результат измерения расхода в целом. На основании всего вышеизложенного, для повышения достоверности измерений, удовлетворения законодательных норм и снятия противоречий между поставщиками и потребителями считаем необходимым наличие на каждом измерительном комплексе аттестованной МВИ.
При этом документом на МВИ может являться ГОСТ, правила, либо индивидуально разработанный документ. Индивидуальный документ разрабатывается в том случае, если измерительный комплекс не соответствует МВИ изложенной в ГОСТ, либо в правилах. На основании решения НТК от 01.03.2007 в ФГУП ВНИИР были разработаны рекомендации, предназначены для разъяснения содержания мероприятий, необходимых для внедрения ГОСТ 8.586.(1-5)–2005.
В связи с вводом в действие (с 01.01.2007) на территории РФ ГОСТ 8.586.(1-5)–2005 и на основании решения НТК от 01.03.2007 на измерительных комплексах с сужающими устройствами рекомендуется выполнение ряда следующих мероприятий:
- На измерительных комплексах, где осуществляется раздельное измерение переменных контролируемых параметров и расчет значений расхода и количества вещества, провести корректировку алгоритмов расчета расхода и количества веществ в соответствии с новыми стандартами.
- На измерительных комплексах с автоматическим измерением контролируемых параметров и обработкой результатов измерений в реальном масштабе времени провести замену ПЗУ в вычислителях расхода или их перепрограммирование.
- По согласованию заинтересованных сторон допускается не проводить замену ПЗУ или перепрограммирование вычислителей. В этом случае должна быть определена дополнительная неопределенность от несоответствия программного обеспечения вычислителя требованиям новых стандартов. Для каждого измерительного комплекса, на котором эксплуатируется вычислитель, не прошедший перепрограммирование, должна быть разработана и аттестована МВИ с учетом дополнительной неопределенности от несоответствия программного обеспечения вычислителя требованиям нового стандарта.
- Конструкция вновь проектируемых и строящихся измерительных комплексов на базе стандартных сужающих устройств должна соответствовать ГОСТ 8.586.(1-5)–2005. Для каждого такого измерительного комплекса рекомендуется разработать и аттестовать индивидуальную МВИ.
- В случае несоответствия конструкции действующего измерительного комплекса требованиям ГОСТ 8.586.(1-5)–2005 и нецелесообразности его реконструкции необходимо определить дополнительную неопределенность или корректирующие коэффициенты от несоответствия конструкции измерительного комплекса требованиям ГОСТ 8.586.(1-5)– 2005 на основе индивидуальных исследований. Для каждого измерительного комплекса, конструкция которого не соответствует требованиям ГОСТ 8.586.(1-5)–2005, необходимо разработать и аттестовать в установленном порядке МВИ с учетом дополнительной неопределенности от несоответствия требованиям нового стандарта.
- До момента принятия новых правил по надзору за применением и состоянием измерительных комплексов с сужающими устройствами метрологический контроль и надзор за применением и состоянием измерительных комплексов с сужающими устройствами осуществлять в соответствии с правилами по метрологии ПР 50.2.022–99 «ГСОЕИ. Порядок осуществления государственного метрологического контроля и надзора за применением и состоянием измерительных комплексов с сужающими устройствами» [16]. При этом согласно п. 2 приказа «Ростехрегулирования» №237-ст от 31.10.2006 о введении в действие межгосударственных стандартов:
- вместо положений ГОСТ 8.563.1–97 применять положения ГОСТ 8.586.1–2005, 8.586.2– 2005, 8.586.3–2005, 8.586.4–2005;
- вместо положений ГОСТ 8.563.2–97 применять положения ГОСТ 8.586.5–2005.
- Данные мероприятия осуществить не позднее срока окончания свидетельств о поверке, выданных ранее в соответствии с правилами по метрологии «ГСИОЕ. Порядок осуществления государственного метрологического контроля и надзора за применение и состоянием измерительных комплексов с сужающими устройствами» ПР 50.2.022–99 [16].
Для упрощения внедрения положений ГОСТ 8.586.(1-5)–2005 и при разработке МВИ, на стадии проектирования, монтажа и эксплуатации измерительных комплексов решаются задачи подбора средств измерений, определения геометрических характеристик сужающих устройств, расчета расхода и оценки соответствия суммарной погрешности измерения расхода среды при конкретных условиях эксплуатации предъявляемым нормативным требованиям.
Алгоритмы расчетов расхода и погрешности (неопределенности) измерений расхода и количества, описанные в ГОСТ 8.586.5–2005 [12], РД 50-411–83 [13] и ПР 50.2.019–2006 [14], значительно усложняются тем, что для расчета физических свойств измеряемой среды, коэффициентов влияния параметров среды на результат измерений искомого расхода применяются итерационные методы, которые не осуществить без программной реализации алгоритмов для проведения автоматизированных расчетов на персональном компьютере.
В связи с этим в ФГУП «ВНИИР» был разработан и аттестован программный комплекс «Расходомер ИСО», включающий в себя несколько программных модулей:
- Базовая программа «Расходомер ИСО», предназначена для проведения автоматизированных расчетов по ГОСТ 8.586.(1-5)–2005: а) расчет расхода различных газовых и жидких сред; б) расчет геометрических параметров сужающих устройств (далее обозначим как СУ); в) расчет верхнего предела преобразователя перепада давления; г) проверка и расчет длин прямых участков измерительного трубопровода (далее обозначим как ИТ); д) расчет неопределенности расхода среды.
- Модуль по расчету физических свойств сложных многокомпонентных газовых и жидких смесей. Все применяемые алгоритмы расчета физических свойств газов и жидкостей аттестованы в установленном порядке и имеют свидетельства об аттестации.
- Модуль по расчету суточного количества жидкостей и газов по результатам планиметрирования дисковых и ленточных диаграмм и показаний интеграторов.
- Модуль по расчету расхода, геометрических характеристик СУ, длин прямых участков ИТ на измерительных комплексах на базе специальных СУ по РД 50-411–83 [13].
- Модуль по расчету метрологических характеристик и расхода с помощью турбинных, ротационных и вихревых счетчиков по ПР 50.2.019–2006 [14].
В данный момент ведутся активные работы по разработке модулей по расчету расхода и геометрических параметров усредняющих трубок, модуля по расчету расхода и геометрических параметров СУ на измерительных комплексах с ИТ внутренний диаметр которых превышает 1000 мм по перерабатываемой МИ 2588–2000 [17], а также работы по усовершенствованию уже разработанных программ, путем добавления дополнительных алгоритмов расчета физических свойств газов и жидкостей, внешнего интерфейса программ и дополнительных алгоритмов расчета, таких как расчет внутреннего диаметра и количества ИТ, расчет геометрических характеристик СУ с целью обеспечения минимальной неопределенности расхода, расчет по подбору количества и верхних пределов преобразователей перепада давления.
Проводятся работы по усовершенствованию программ при обращении со стороны пользователей, таким образом программный комплекс постоянно совершенствуется и для обеспечения своевременного обновления программы был разработан сайт www.vniir5.ru, через который осуществляется как регистрация программы, так и получение обновлений. На сайте также выкладывается информация о состоянии дел «вокруг» измерения расхода методом переменного перепада давления и информация о текущей версии и последних изменениях прошедших в программном комплексе «Расходомер ИСО».
Программный комплекс «Расходомер ИСО» работает на базе современных операционных систем MS Windows 2000/NT/XP/ Vista имеет интуитивно понятный пользовательский интерфейс, простую систему регистрации программы. Программа и все ее модули позволяют сохранять и загружать введенные исходные данные, сохранять, загружать и распечатывать файл отчета, формировать и распечатывать паспорт измерительного комплекса, опросный лист для проведения расчетов по программному комплексу «Расходомер ИСО», акт измерений внутреннего диаметра ИТ, паспорт СУ, акт установки СУ и другие документы в соответствии с ПР 50.2.022–99 [16].
Программный комплекс при проведении расчетов осуществляет проверку исходных данных и в случае выхода какого-либо параметра за допускаемые границы, программа выдает сообщение об ошибке и диапазон допускаемых значений этого параметра. При проведении расчетов длин прямых участков ИТ программа выдает оптимальные значения с целью минимизации длин с одной стороны и соответствия требованиям нормативных документов с другой стороны.
При проведении проверки длин прямых участков ИТ программа проверяет взаимное влияние местные сопротивлений (далее МС), дает рекомендации при классификации МС. В случае, если длины прямых участков не соответствуют требованиям нормативной документации, то появляется сообщение с рекомендациями:
- провести реконструкцию измерительного комплекса, в таком случает программа выдает необходимые значения длин прямых участков ИТ;
- провести индивидуальную метрологическую экспертизу по определению дополнительной неопределенности коэффициента истечения и разработать индивидуальную МВИ, в которой будет законодательно утверждено несоответствие требованиям нормативной документации и введена дополнительная неопределенность коэффициента истечения.
После определения дополнительной неопределенности коэффициента истечения программа позволяет ввести это значение при расчете итоговой неопределенности расхода. В соответствии с постановлением заседания научно-технической комиссии по метрологии и измерительной технике Ростехрегулирования (выписка из протокола №3 от 01.03.2007) с весны 2007 года на базе ФГУП ВНИИР и Казанского государственного технологического университета проводятся сличения программ ряда российских производителей реализующих алгоритмы ГОСТ 8.586.(1-5)– 2005, в том числе и программный комплекс «Расходомер ИСО».
Сейчас эти программы прошли успешные сличения и остались редко встречающиеся и трудно реализуемые примеры, по которым в данный момент и проводятся сличения и консультации. Так как в России отсутствует обязательная единая система аттестации программных комплексов, то необходимо доверять прежде всего результатам расчетов программ, прошедших сличения и имеющих свидетельство о метрологической аттестации выданное национальными метрологическими институтами — разработчиками нормативных документов.
