Методи та пристрої зменшення впливу кліматичних факторів на облік газу в комунально-побутовій сфері

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Широке застосування природного газу як енергоносія в комунально-побутовому секторі в зв'язку з перерозподілом структури споживання газу між промисловістю і населенням ставить додаткові вимоги до підвищення точності його обліку.

Вимогою до витратовимірювальної техніки є незалежність результатів вимірювань від впливових факторів і збереження працездатності і заданих характеристик після дії цих факторів. Для того, щоб облік газу був точним, вимірювання об'єму газу за допомогою лічильника необхідно здійснювати в стандартних умовах (при стандартному значенні температури і тиску), або приводити виміряний лічильником об'єм газу до стандартних умов. На даний час, в комунально-побутовій сфері лічильники вимірюють дійсні об'єми газу з реальними тисками і температурами, а коли вони значно відрізняються від значень тиску і температури за стандартних умов, це призводить до виникнення додаткової похибки вимірювань і, як наслідок, до недостовірного обліку спожитого газу. Відомі на даний час математичні методи уточнення облікованого в побуті об'єму газу вимагають додаткового вимірювання тиску і температури газу і вже потім подальшого його приведення до стандартних умов.

У промисловій сфері об'єми газу, виміряні лічильниками в реальних умовах, приводять до стандартних умов за допомогою електронних коректорів об'єму газу. У комунально-побутовій сфері ці коректори не знайшли застосування із-за відносної дороговизни. Натомість, останнім часом росте попит на побутові лічильники газу з елементами температурної компенсації (в першу чергу мембранні). Газозбутові організації при використанні побутових лічильників без елементів компенсації, в холодну пору року зазнають втрат порядку 5-8% від всього об'єму спожитого газу в комунально-побутовій сфері. Встановлення таких лічильників є необхідним з точки зору зменшення втрат цих організацій. Однак, поза увагою залишається тиск газу, який суттєво залежить від атмосферного тиску. Компенсація впливу атмосферного тиску на обліковані в побуті об'єми газу, також є необхідною, в зв'язку з наявністю в Україні високогірних населених пунктів, споживачі газу в яких несуть значні збитки із-за того, що атмосферний тиск в цих районах значно менший від тиску за стандартних умов. Але як вітчизняні так і закордонні виробники засобів обліку газу не обладнують побутові лічильників газу пристроями компенсації тиску.

Також актуальним напрямком є розроблення простих математично-статистичних методів приведення облікованого об'єму газу до стандартних умов шляхом введення поправочних коефіцієнтів до показів побутових лічильників газу без проведення додаткових вимірювань тиску та температури газу, за допомогою яких можна було би покращити точність обліку газу в комунально-побутовій сфері. Тому проблема дослідження можливостей вдосконалення існуючих та розроблення нових методів і пристроїв компенсації тиску та температури газу облікованого в комунально-побутовій сфері є актуальною, а її вирішення - важливою частиною задачі прикладних та наукових досліджень у галузі обліку газу.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розробці пристроїв і методів для підвищення точності обліку газу в комунально-побутовій сфері.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- здійснити класифікацію та порівняльний аналіз існуючих методів та пристроїв уточнення об'єму газу із врахуванням параметрів газового потоку;

- розробити математичні моделі процесів теплообміну та впливу атмосферного тиску, що відбуваються при транспортуванні газу комунально-побутовим споживачам;

- розробити прості математично-статистичні методи та механічні пристрої приведення об'єму газу до стандартних умов;

- обґрунтувати доцільність та перспективність практичного застосування механічних пристроїв та приладів для компенсації впливу тиску та температури газу на обліковані об'єми газу в комунально-побутовій сфері.

1. Стан обліку газу в комунально-побутовій сфері

Показано, що облік газу в побуті ведеться, в основному, мембранними та роторними лічильниками газу з робочими параметрами газу, тобто без його приведення до стандартних умов. Внаслідок цього похибка обліку газу збільшується на 5-8%, на відміну від похибки обліку, який ведеться за стандартних умов.

Проведена класифікація методів уточнення об'єму газу із врахуванням параметрів газового потоку дала змогу окреслити коло проблем, пов'язаних із необхідністю застосування електронних та механічних засобів приведення виміряного лічильниками об'єму газу до стандартних умов. Здійснено порівняльний аналіз розрахункових, електронних та механічних способів приведення об'єму газу до стандартних умов, що дало змогу оцінити найбільш адекватну сферу їх використання при обліку газу. Запропоновано у галузі вимірювання витрати газу для побутових потреб використовувати механічні коректори об'єму газу із-за їхньої відносної дешевизни. Доцільним є розроблення нових методів приведення об'єму газу до стандартних умов, використання яких виключало б необхідність проведення вимірювань тиску та температури газу в газопроводі, на якому встановлений побутовий лічильник газу.

В цьому ж розділі визначено та обґрунтовано напрям досліджень.

2. Результати теоретичних досліджень впливу кліматичних факторів на достовірність обліку газу в побуті, в першу чергу, температури повітря навколишнього середовища та атмосферного тиску

Побутовими лічильниками газу обліковується газ, температура і тиск якого відрізняються від значень цих фізичних величин за стандартних умов. Експериментальне визначення цих величин, тобто їх вимірювання первинними перетворювачами температури та тиску не знайшло застосування в побуті із-за необхідності використання відносно дорогих коректорів чи обчислювачів об'єму газу. Альтернативним методом є визначення, шляхом теоретичних досліджень, величини температури і тиску газу, що обліковується в побуті. Точкою, з якої варто розпочати дослідження є газорозподільні станції, де проводиться вимірювання витрати, тиску та температури газу. Під час руху реального газу в газопроводі його температура змінюється за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем і термодинамічної не ідеальності газу. Теплообмін пов'язаний з температурним полем, яке створюється навколо газопроводу. Теплові режими газопроводів були обчислені за формулою Шухова для двох областей України: Сумської, клімату якої притаманні найнижчі значення середньомісячних температур та АР Крим, де спостерігаються найвищі середньомісячні температури.

Одержані дані розрахунків свідчать про те, що уже на відстані 15 м від газорозподільної станції в теплу пору року (серпень) і 45 м в холодну пору року (лютий), температура газу в підземному газопроводі менше як на 0,5 С відрізняється від температури ґрунту. У такому випадку, згідно нормативних документів [Р 50-071-98] вплив температури такої величини на точність вимірювання об'єму газу можна не враховувати. Відповідно до вимог державних будівельних норм [ДБН В.2.5-20-2001] газорозподільні станції розміщуються на відстані не менше як 15 м від найближчого житлового приміщення. Отже, з достатньою імовірністю можна стверджувати, що при розрахунках температуру газу, що поставляється в комунально-побутову сферу підземними газопроводами можна приймати рівною температурі ґрунту на глибині прокладання газопроводу.

Аналогічно розраховані температурні режими надземного газопроводу, по якому газ подається в приміщення. Одержані дані розрахунків свідчать про те, що уже на відстані 2-2,5 м від місця виходу газопроводу із землі температура газу в надземному трубопроводі практично досягає температури повітря навколишнього середовища. Звідси можна зробити висновок, що газ в житлове приміщення входить з температурою повітря навколишнього середовища. Тому, у випадку встановлення лічильника газу надворі, температура облікованого ним газу теж буде рівна температурі повітря навколишнього середовища. Температура газу, облікованого лічильником, що знаходиться в опалювальному приміщенні, визначалася наступним чином. Відповідно до вимог міжнародних нормативних документів з метрології [OIML 31], характерною температурою газу, що обліковується, є його температура на виході із лічильника газу. На вхід газопроводу, розміщеного в опалювальному приміщенні, газ поступає із температурою рівною температурі повітря навколишнього середовища. Тому досліджувалась система, що складається із ділянки трубопроводу та лічильника газу. На основі формул, що описують процеси теплообміну в трубопроводах [Ходанович И.Е., Кривошеин Б.Л., Бикчентай Р.Н., 1971] та тонких стінках геометричних тіл (лічильник) [Уоинг Х., 1979], а також з використанням результатів експериментальних досліджень з визначення коефіцієнтів теплообміну виведена формула для визначення температури газу, облікованого побутовими лічильниками газу, яка має вигляд:

, (1)

де - температура середовища (повітря) навколо лічильника газу, - температура повітря навколишнього середовища, - об'ємна витрата газу, - зовнішній діаметр трубопроводу, підведеного до лічильника, - довжина цього трубопроводу, - коефіцієнт теплообміну між газом в лічильнику та повітрям навколо лічильника, - площа поверхні теплообміну в лічильнику, - густина газу, - питома теплоємність газу.

Формула (1) є математичною моделлю залежності температури газу від температури повітря навколишнього та робочого середовища для побутових лічильників газу.

Іншим, суттєвим, фактором, що впливає на достовірність обліку газу є абсолютний тиск газу, складовими якого є атмосферний та надлишковий тиск. Для України вплив атмосферного тиску на обліковані об'єми газу має суттєве значення із-за різного географічного розміщення населених пунктів над рівнем моря. Для ізотермічної атмосфери залежність атмосферного тиску від висоти над рівнем моря описується барометричною формулою:

, (2)

де - атмосферний тиск на висоті, прийнятій за початок відліку, - молярна маса повітря, - прискорення вільного падіння, - універсальна газова стала, - температура атмосферного повітря.

У формулі (2) величини , , є сталими і тоді її можна записати так:

, (3)

де .

Як видно із формули (3) для достовірного визначення тиску крім значення висоти над рівнем моря необхідно мати дані про температуру атмосферного повітря на цій висоті, що викликає певні труднощі, оскільки, порівняно із постійною величиною , значення температури змінюється у великому діапазоні в залежності від пори року та погодних умов. Оскільки висоти населених пунктів над рівнем моря порівняно менші за висоту повітря всієї атмосфери, то експоненціальна залежність формули (3), в діапазоні географічних висот розміщення населених пунктів в Україні, матиме практично лінійний характер, тому автором розроблено нову математичну модель, яку отримано шляхом апроксимації архівних даних Українського гідрометеорологічного центру реальних значень атмосферних тисків населених пунктів розташованих на різних висотах над рівнем моря і яка представляється такою аналітичною залежністю:

, (4)

де К і N - сталі коефіцієнти.

У формулі (4) відсутня така фізична величина, як температура атмосферного повітря . Ця перевага дає можливість використовувати формулу (4) для розрахунків атмосферного тиску реальної (неізотермічної) атмосфери, маючи, як вихідні дані, тільки значення висот населених пунктів над рівнем моря.

Обчислені значення середньоквадратичних відхилень відомої (формула (3)) та розробленої (формула (4)) моделей від експериментальних даних становлять 64 та 31 Па відповідно. Таким чином розроблена модель краще описує зміну атмосферного тиску в регіонах України, в залежності від висоти їх розміщення над рівнем моря і може служити основою для розрахунків при приведені облікованого в побуті газу до стандартних умов.

В загальному, для всіх варіантів встановлення лічильника газу (надворі, в опалювальному приміщені), математична модель впливу кліматичних факторів на обліковані об'єми газу в побуті матиме вигляд:

, (5)

де - об'єм газу за стандартних умов [ГОСТ 2939-63], - об'єм газу, обчислений за показами лічильника, - надлишковий тиск газу, - сталі коефіцієнти.

Формула (5) є узагальненою математичною моделлю впливу кліматичних факторів на обліковані об'єми газу в побуті. Ця модель зручна для розрахунків спожитого об'єму газу тим, що дані, які необхідні для розрахунків, в основному, всі довідкові (). Крім того немає необхідності у вимірюванні основних інформативних параметрів газу: його тиску і температури. Для приведення облікованого об'єму газу до стандартних умов необхідно здійснити вимірювання температури повітря в приміщенні, де встановлений лічильник газу, довжини газопроводу від входу в приміщення до вхідного штуцера лічильника та діаметр газопроводу. За показами лічильника газу в звітний період (наприклад, місяць), можна обчислити відповідно до формули (5) облікований об'єм газу за стандартних умов.

Найбільшою і найменшою температура газу на виході із лічильника газу буде у випадку встановлення лічильника газу надворі, або в неопалювальному приміщенні. Однак таке встановлення лічильників в Україні не знайшло широкого застосування. Характерним в Україні є встановлення побутових лічильників газу в опалювальних приміщеннях, температура в яких становить близько 20 °С. В роботах [4,5] проведені дослідження процесів теплообміну між газом, що обліковується побутовими лічильниками та повітрям в приміщенні.

Середнє значення температури газу (14 °С) ближче до 15 °С, ніж до 20 °С. В чинних нормативних документах [ГОСТ 2939-63] наведене значення температури газу за стандартних умов, яке становить 293,15 К (20 °С). При приведенні об'єму газу до умов, коли стандартна температура буде становити 15 °С, втрати газу зменшаться від 0,5 до 4,4 % (зміна температури газу на 1 °С призводить до зміни його об'єму на 0,34 %). На даний час в більшості країн Європи прийнята за стандартну саме температура 15 °С. Тому актуальним є питання перегляду діючих нормативних документів [ГОСТ 2939-63] на предмет зміни номінального значення температури газу за стандартних умов.

3. Моделювання методів та розробці на їх основі пристроїв компенсації впливу атмосферного тиску і температури повітря навколишнього середовища на облікований об'єм газу в побуті

Розроблено метод механічної корекції об'єму газу, яка здійснюється способом регулювання подачі газу з вхідного газопроводу в лічильник, з врахуванням змін температури та тиску газу, відбиранням (або додаванням) частини об'єму газу з (або до) потоку, що поступає в лічильник таким чином, щоб відліковий пристрій лічильника газу відображав об'єм, який рівний об'єму газу за стандартних умов, при цьому кількість газу, яка поступає на газоспоживальне обладнання, залишається незмінною.

Вхідними величинами є об'єм та тиск газу, який поступає на вхід лічильника та температура газу на виході лічильника. Вихідною величиною є об'єм газу, приведений до стандартних умов. Тиск газу безпосередньо діє на сильфон, який змінює своє положення в залежності від величини тиску. Температура газу, який поступає з виходу лічильника, діє на біметалічну пластину, яка змінює своє положення в залежності від величини температури. В результаті поступального руху сильфона і біметалічної пластини регульована засувка буде на певну величину відкривати трубку для подавання чи відбирання газу.

Розроблено математичну модель механічного коректора об'єму газу яка має вигляд:

, (6)

де - витрата газу, що протікає по трубках механічного коректора для відбирання з входу чи подачі газу на вхід лічильника газу, - різниця між об'ємом газу, виміряним лічильником і об'ємом газу за стандартних умов, - час протікання об'єму , - перепад тиску на кінцях трубки для подавання чи відбирання газу, - внутрішній радіус отвору трубки, - в'язкість газу, - довжина трубки, - площа сегменту, який в трубці відкриває засувка, - радіус отвору засувки, - загальне переміщення засувки, - конструктивні параметри сильфона, що використовуються при розрахунку величини його переміщення від дії тиску, - конструктивні параметри біметалічного компенсатора (пластини), що використовуються при розрахунку величини його переміщення від дії температури .

Розроблена модель дозволяє розрахунковим способом визначити геометричні параметри та технічні характеристики, які необхідні на стадії проектування механічного коректора об'єму газу.

На основі розробленого методу механічної корекції об'єму газу запропоноване технічне рішення - механічний коректор.

Для спрощення процесу обчислення температури газу за формулою (1) та абсолютного тиску газу за формулою (4) запропоновано використовувати номограми. Розроблена методика номографування цих формул.

Перш за все, залежність (1) приводять до номографічного виду і записують рівняння елементів номограми в декартовій системі координат. Для цього з формули (1) виділяємо одне із рівнянь:

, (7)

Для полегшення математичних перетворень та розрахунків, замінимо рівняння (7) на рівняння виду:

(8)

де:

(9)

Для подальшого спрощення прологарифмуємо обидві частини рівняння (9):

(10)

Виходячи із закону Гей-Люссака температурний поправочний коефіцієнт буде визначатися за формулою:

(11)

Оскільки k пропорційний Тлвих, то в цьому випадку можна використовувати номограму із здвоєних шкал.

Для розроблення номограм з визначення поправочного барометричного коефіцієнта була використана методика побудови номограм із вирівняних точок із паралельними шкалами. Аналогічно, як у формулі (11) поправочний коефіцієнт до показів лічильника газу по тиску, можна виразити як:

, (12)

де - абсолютний тиск газу, визначений за формулою (4).

В четвертому розділі наведені результати розроблення технічної та нормативної основи метрологічного забезпечення методів та пристроїв корекції виміряного побутовими лічильниками об'єму газу.

На основі запропонованої методики побудовані номограми для визначення поправочних коефіцієнтів до показів лічильників газу для різних типів та типорозмірів лічильників газу.

Отримані температурний та барометричний коефіцієнти перемножують на покази лічильника газу за звітний період і отримують значення облікованого об'єму за стандартних умов.

Для роботи із великою кількістю споживачів газу розроблена програма корекції показів побутових лічильників газу TempPressCorr. Програма містить бази з індивідуальними даними споживачів газу, бази з інформацією про технічні характеристики лічильників газу, занесених до Державного реєстру України, про характеристики газового обладнання та бази даних про атмосферні тиски та середньомісячні температури повітря навколишнього середовища. При введенні показів лічильників газу програма, оперуючи базами даних, визначає об'єми газу приведені до стандартних умов та формує бази даних про обліковані об'єми газу. Для повірки механічних коректорів об'єму газу розроблена повірочна установка, що є технічною основою їх метрологічного забезпечення в експлуатації.

Установка складається із робочого еталона дзвонового типу (ДВ), в якому є можливість регулювання величини надлишкового тиску під дзвоновим мірником в діапазоні робочих тисків в газопроводах (1,8-3 кПа), робочого еталона камерного типу (РЕ), діапазон вимірювання витрати якого відповідає діапазону роботи механічного коректора, датчиків тиску та температури (р,Т), термокамери (КТХ), запірного крана (КЗ) та крана регулювального (КР), теплообмінника (ТО). Розроблена повірочна установка призначена для визначення основної відносної похибки механічного коректора об'єму газу, визначення додаткової похибки коректора, що спричинена різницею робочих температур і температури газу за стандартних умов (що реалізується шляхом зміни температури в КТХ) та додаткової похибки, що спричинена різницею робочих тисків і тиску газу за стандартних умов (що реалізується шляхом зміни тиску під дзвоновим мірником).

В роботі сформовані вимоги до метрологічних характеристик механічних коректорів об'єму газу, які є базою для розроблення нормативної основи їх метрологічного забезпечення:

- границі основної відносної похибки не повинні перевищувати 0,5%;

- границі додаткової похибки коректора від впливу температури не повинні перевищувати від мінус 2,5% до 1,5% в діапазоні температур навколишнього і вимірюваного середовищ від мінус 25 °С до 50 °С, або 0,5% на кожні 10 °С зміни температури газу;

- границі додаткової похибки коректора від впливу тиску не повинні перевищувати від мінус 1,5% до 1,0% в діапазоні абсолютних тисків газу від 97,6 до 104,5 кПа, або 0,5% на кожні 3 кПа зміни тиску газу.

Висновки

теплообмін газовий механічний

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробленні нових методів та пристроїв зменшення впливу кліматичних факторів на облік газу в комунально-побутовій сфері, застосування яких дасть змогу покращити точність обліку газу та зменшити його втрати. При цьому отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. Встановлена залежність температури газу, що обліковується в побуті, від температури повітря навколишнього середовища та температури повітря в приміщенні, де встановлений лічильник газу, що дало можливість без вимірювання розрахунковим методом визначити цей параметр.

2. Встановлена залежність тиску газу від висоти розташування точки вимірювання об'єму газу над рівнем моря, яка на відміну від існуючих моделей не містить залежності від температури повітря навколишнього середовища та описується лінійною функцією.

3. Розроблена математична модель впливу кліматичних факторів на обліковані об'єми газу в побуті, яка дає змогу, оперуючи довідковими даними без вимірювання інформативних параметрів газу, приводити облікований лічильниками об'єм газу до стандартних умов.

4. Розроблений графічний спосіб корекції показів побутових лічильників газу з врахуванням впливу температури повітря навколишнього середовища та атмосферного тиску, який, на відміну від розрахункових методів, за допомогою номограм дозволяє швидко визначити об'єм газу, приведений до стандартних умов.

5. Розроблена математична модель механічного коректора об'єму газу, яка дозволяє розрахунковим способом визначити геометричні параметри та технічні характеристики механічного коректора.

6. Розроблений новий метод механічної корекції об'єму газу та виготовлений дослідний зразок механічного коректора, що працює в автономному режимі.

7. Розроблена програма корекції показів побутових лічильників газу TempPressCorr, що дозволить оперативно, використовуючи бази даних про споживання газу газовим обладнанням, працювати із великою кількістю споживачів газу та вести архіви про виміряні лічильниками та приведені до стандартних умов об'єми газу.

8. Розроблена установка для повірки механічних коректорів об'єму газу, що дозволить проводити державні приймальні випробування механічних коректорів газу, їх метрологічну атестацію та повірку.

9. Встановлені вимоги до метрологічних характеристик механічних коректорів об'єму газу, які будуть основою для розроблення нормативних та методичних документів з метрологічної атестації та повірки коректорів.

Література

1. Кузь М.В. Результати експериментальних досліджень впливу атмосферного тиску на достовірність обліку газу в побуті // Методи та прилади контролю якості. - 2004. - №12.- С. 63-65.

2. Петришин І.С., Кузь М.В. Вплив атмосферного тиску на достовірність обліку газу в побуті // Нафтова і газова промисловість.- 2004.- №4.-С. 54-55.

3. Петришин І.С., Кузь М.В. Визначення поправочного барометричного коефіцієнта до показів побутових лічильників газу графічним методом// Прилади та методи контролю якості. - 2005. - №13.-С. 59-61.

4. Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І. Вплив температурного фактора навколишнього та робочого середовища на достовірність обліку газу в комунально-побутовій сфері // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ. - 2002.-№1.-С. 22-26.

5. Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І. Експериментальні дослідження процесів теплообміну робочого та навколишнього середовищ при обліку газу в побуті // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ.- 2002.-№2.-С. 39-41.

6. Пат. 70683, МПК 7 G01 F1/00 G01 F5/00. Спосіб приведення об'єму газу до стандартних умов/ Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І., Панасюк В.Л. Заявлено 23.12.2003; Опубл. 15.02.2006, Бюл. № 2.

7. Пат. 75801, МПК 7 G01 F1/00 G01 F5/00. Коректор об'єму газу/ Петришин І.С., Кузь М.В. Заявлено 16.08.2004.

Размещено на Allbest.ru