научная статья по теме НОВЫЕ РЕШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПЛОТНОСТИ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ Метрология

Текст научной статьи на тему «НОВЫЕ РЕШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПЛОТНОСТИ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ»

МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА

531.758/528.563

Новые решения метрологического обеспечения измерений плотности сжиженных

углеводородных газов

А. В. ДОМОСТРОЕВ

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева,

C.-Петербург, Россия, e-mail: a.v.domostroev@vniim.ru

Рассмотрены недостатки метрологического обеспечения средств измерений плотности сжиженных углеводородных газов, основанных на расчетном методе определения по компонентному составу с использованием табличных значений плотности индивидуальных компонентов. Предложены новый метод с применением государственных стандартных образцов плотности этих газов, прослеживаемый по поверочной схеме к государственному эталону, и установка для их аттестации, а также установка для измерения плотности жидкой фазы при рабочих условиях.

Ключевые слова: плотность, масса, объем, метрологическое обеспечение, коммерческий учет, пропан, бутан, жидкая и паровая фазы, емкость, плотномер, массомер.

Disadvantages of metrological assurance of density measuring instruments, based on calculation method of liquitied hydrocarbon gases density determination by component composition with use of table values of individual components densities are considered. The new method metrological assurance using the state of these gases density standards traceable by verification scheme to state density standard and the installation for their certification as well as the installation liquid phases density measurements in working conditions are suggested.

Key words: density, mass, volume, metrological assurance, commercial аccounting, propane, butane, liquid and vapor phases, capacity, densitometer, massmeter.

Возможность длительного хранения без дополнительных затрат энергии на охлаждение сжиженных углеводородных газов (СУГ), а также сравнительная дешевизна и экологическая чистота продуктов сгорания по сравнению с традиционными жидкими углеводородными топливами, такими как бензины и дизельные топлива, обеспечили возрастающую потребность в СУГ в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания, газовых котельных, бытовых газовых плит и т. п. В настоящее время одной из ключевых проблем при организации коммерческого учета СУГ является отсутствие метрологического обеспечения средств измерений (СИ) плотности жидкой фазы газа. Значения плотностей жидких фаз СУГ и их смесей, пригодных для хранения и транспортировки в сжиженном состоянии при температурах от -40 до +50 °С, что соответствует реальным температурам окружающего воздуха для большинства регионов Земли, находятся в диапазоне 500 — 600 кг/м3 [1].

В связи с положительной динамикой производства и потребления СУГ внутри страны за последние годы, а также ростом объемов их поставки на экспорт с использованием газоналивных судов и железнодорожного транспорта возникла необходимость достоверного учета количества СУГ на всех этапах передачи от производителя до конечного потребителя.

В нашей стране учет жидкого углеводородного топлива традиционно ведется в единицах массы, для СУГ используют прямые статические и динамические методы измерений массы, а также косвенные объемно-статические и объемно-динамические методы [2].

При нахождении в емкостях СУГ представляет замкнутую двухкомпонентную систему жидкость — пар, и фактический объем жидкой фазы зависит от температуры и давления газа, изменения которых влекут за собой постоянные перераспределения массы газа между паровой и жидкой фазами. Поэтому наиболее эффективен прямой массовый статический метод учета, т. е. взвешивание емкости на весах

до и после слива (заполнения) [2]. В этом случае определяют всю массу газа в емкости независимо от ее распределения между фазами. Данный метод широко применяют при поставках газа железнодорожными и автомобильными цистернами, а также при продаже газа бытовыми газовыми баллонами. Но и здесь имеются проблемы, связанные с невозможностью обеспечить всех потребителей автомобильными и железнодорожными весами. Тогда количество слитого из цистерны СУГ устанавливают объемно-динамическим или объемно-статическим методами, для реализации которых требуются данные, в том числе и о плотностях как жидкой, так и паровой фазы этих углеводородов [3].

Для учета СУГ, отгружаемых в танки газоналивных судов, а также в железнодорожные и автомобильные цистерны, служит прямой динамический метод при помощи поточных массомеров кориолисового типа. Здесь есть свои особенности, обусловленные необходимостью определять массу газа, возвращаемую из наполняемых емкостей по линиям паровозврата. Кроме того, существует проблема, связанная с калибровкой массомеров. В соответствии с методиками калибровку массомеров зачастую выполняют с использованием воды в качестве жидкости-компаратора, особенно при измерениях больших расходов. Для массомеров, служащих в качестве измерителей массы нефти или нефтепродуктов, разработаны методики поверки и калибровки, в которых роль жидкости-компаратора играет та же нефть или нефтепродукт. При калибровке массомера для учета сжиженного газа с использованием воды существуют определенные сомнения в достоверности его показаний. Внедрение методов калибровки массомеров с СУГ-компараторами сдерживается отсутствием достоверных методов измерения плотности жидкой фазы этих углеводородов.

Для учета СУГ в резервуарных парках применяют объемно-статический метод. Из-за описанных выше особенностей нахождения СУГ в герметичных емкостях (одновременное присутствие жидкой и паровой фазы, постоянное изме-

нение соотношения масс этих фаз при изменении температурного режима, изменение соотношения компонентов в жидкой и паровой фазах газовых смесей при заполнении или сливе емкости, связанное с различными значениями давления насыщенного пара компонентов), обусловливающих изменение плотности фаз [3], объемно-статический метод — наиболее технологически сложный. Достоверные результаты измерения массы СУГ в резервуаре можно получить только при измерениях плотностей жидкой и паровой фаз в режиме реального времени.

Наименее достоверным представляется учет СУГ, отпускаемых в топливные баки автомобилей, оснащенных газобаллонным оборудованием. При этом используют объемный динамический метод по показаниям газонаполнительных колонок (ГНК) автомобильных газовых заправочных станций (АГЗС). Конечный потребитель оплачивает количество приобретенного топлива, измеренное, как правило, в единицах объема. Как известно, СУГ имеют значительно большую зависимость плотности от температуры, чем, например, бензин, причем их плотность зависит также от соотношения компонентов в смеси. Для пропана в жидком состоянии температурный коэффициент линейного расширения (ТКПР) при

20 °С составляет 0,3 "С-1, а для бутана — 0,2 "С-1 [1]. Таким образом, только из-за суточного перепада температуры в 10 "С при соотношении пропана и бутана 1:1 плотность жидкой фазы СУГ в наземном резервуаре будет меняться в пределах 3 % [2]. В итоге при заправке автомобиля одинаковым количеством (в кубических дециметрах) этого топлива на одной и той же АГЗС и одной и той же ГНК потребитель получает различное количество килограммов СУГ (соответственно, калорий) в зависимости от времени суток.

Значительно повысить точность учета на АГЗС позволит переход на отпуск СУГ в единицах массы. Для этого необходимо устанавливать плотномеры не только в емкость с газом, но и на подающий трубопровод ГНК.

Подводя итоги сказанному выше, можно сделать вывод, что результаты измерения плотности применяются в случае учета СУГ в значительно меньшей степени, чем при учете нефти или нефтепродуктов. Сложившаяся ситуация не связана с отсутствием СИ плотности СУГ. На сегодняшний день на рынке представлено достаточно много моделей плотномеров вибрационного типа, сконструированных для установки и в резервуар, и непосредственно в трубопровод, а также ультразвуковых, поплавковых плотномеров для резервуаров, конструктивно допускающих измерения плотности как жидкой, так и паровой фазы этих углеводородов.

Ограниченное использование плотномеров связано, в первую очередь, с отсутствием действующего метрологического обеспечения таких СИ в диапазоне плотностей жидкой фазы СУГ. По этой же причине абсолютное большинство плотномеров при проведении испытаний с целью утверждения типа СИ не были исследованы в диапазоне измерений плотности 500 — 600 кг/м3 и формально не могут быть применены для измерения плотности СУГ. Имеются также отечественные разработки плотномеров ультразвукового типа и радиоволновые, предназначенные специально для установки в цистерны автогазовозов [4], но не сертифицированные по той же причине — из-за отсутствия метрологического

поддиапазон плотности Рис. 1. Диапазоны измерений плотности жидкостей и газов

обеспечения. Типичный диапазон измерений плотности для сертифицированных плотномеров жидкости как лабораторных, так и промышленных обычно составляет 700 — 1200 кг/м3 (рис. 1). Действительно, этот диапазон охватывает большую часть существующих в природе жидкостей, стабильных при нормальных условиях. Существует множество разработанных средств и методов метрологического обеспечения плотномеров, как эталонных СИ, так и жидкостей с аттестованными значениями плотностей — государственных стандартных образцов (ГСО), с использованием которых проводят поверку и калибровку рабочих плотномеров в данном диапазоне. Достоверность показаний таких плотномеров подтверждается прослеживаемостью от рабочих СИ к государственному эталону плотности в соответствии с требованиями поверочной схемы [5].

Совершенно иное положение складывается в области метрологического обеспечения измерений плотностей СУГ в диапазоне 500 — 600 кг/м3 [1]. На сегодняшний день нет ни утвержденных методов передачи единицы плотности от государственного эталона, ни эталонных СИ и средств передачи (ГСО). Единственным методом метрологического обеспечения является расчетный метод определения плотности СУГ согласно стандарту [6] с использованием табличных значений плотностей отдельных углеводородов, входящих в состав газовой смеси. Состав газовой смеси, в свою очередь, определя

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком