چکیده

به دلیل محدود بودن حجم ذخایر گاز و نیز هزینه بالاي استحصال وانتقال وتوزیع و همچنین تعیین خط مشی تولید و توزیع و برنامه ریزي میزان مصرف و برآورد میزان دقیق فروش ،به خصوص پس از افزایش بهاي حامل هاي انرژي در سال ۸۹ و افزایش قابل توجه

بهاي گاز در صنایع ، وجود یک سیستم اندازه گیري جریان گاز (میترینگ) نوین در ایستگاهها از اهمیت ویژه اي برخوردار است.در
این مقاله سیستم هاي اندازه گیري رایج موجود در صنایع و مزیت ها و مشکلات هریک بررسی می شود .
روش مطالعه بهره گیري از تجارب عملی در زمینه طراحی شبکه و ایستگاههاي گاز و تجهیزات اندازه گیري می باشد . همچنین در
آخرین همایش واحد هاي اندازه گیري و توزیع ، شرکت هاي گاز استانی کل کشور در آبان ماه ۹۲ ، مشکلات متعددي در زمینه
ایستگاههاي میترینگ از طرف شرکت ها مطرح شد ، که در این مقاله یکی از مهمترین معیار هاي تحقیق ارائه راهکارهایی در
خصوص حل آخرین مشکلات موجود می باشد .
با تحلیل آمار مصرف صنایع عمده به ویژه نیرو گاهها و شرکت هاي پتروشیمی ( مورد مطالعه) به کمک نرم افزار هاي موجود ، اهمیت
داشتن یک سیستم میترینگ بهینه و با خطاي حداقل مشخص می گردد ، در ادامه فناوري هاي نوین در صنعت میترینگ و تکنولوژي
التراسونیک به عنوان یک سیستم بهینه میترینگ در کشور ، با ذکرمشکلات و محدودیت هاي آن تشریح می شود . و در پایان روشهایی
به منظوربهینه سازي سیستم هاي میترینگ ارائه می گردد.

کلمات کلیدي: گاز طبیعی- اندازه گیري – میترینگ – بهینه سازي ‐کنتور توربینی- کنتور التراسونیک

.۱ مقدمه

کشور جمهوري اسلامی ایران با بیش از ۱۳/۶ تریلیون متر مکعب ذخایر گاز طبیعی شناخته شده، یکی از غنیتـرین کشـورهاي جهان ازنظر ذخایر گاز طبیعی میباشد. این مقدار گاز که معادل ۱۷ درصد کل ذخایر شناخته شدة گاز طبیعی در جهان اسـت، ایران را در رتبه دوم جهان قرار می دهد.

امروزه یکی از بزرگترین منابع انرژي بعد از انرژي نفت و زغال سنگ, انرژي گاز طبیعی است. فراوانی در طبیعت، سهولت هدایت، ارزش حرارتی خوب، پاکیزگی مصرف و نیز کمی آلودگی زیست محیطی, موجب گردیده است که این منبع انرژي بسیار مورد توجه قرار گیرد و علی رغم خطرات احتمالی آن درفرایندانتقال و مصرف از استقبال خوب مصرف کنندگان برخوردار باشد.

با توجه به نیاز و همچنین روند افزایش مصرف انرژي در کشور ، گاز طبیعی در تامین انرژي مورد نیاز بخشهاي صنعتی، تجاري و خانگی کشور نقش بسزایی دارد.که به تبع آن استفاده از سیستمهاي هوشمند به منظور ارتقـاء سـطح تکنولـوژي سـنجش و اندازه گیري گاز در تمامی نقاط مصرف وحتی در تولید و انتقال از اهمیت بالایی برخوردار مـی باشـد .

۱

در این مقاله رو شهاي اندازه گیري حجم گاز و آخرین چالشها ومشکلات موجود در سیستم هاي اندازه گیري موجود تشریح می گردد و در نهایت روشهایی به منظور طراحی بهینه سیستم هاي میترینگ ارائه می شود.

.۲ مبانی طراحی دستگاه هاي اندازه گیري سنجش جریان

اصول و مبانی طراحی و ساخت دستگاه هاي سنجش جریان یک سیال بستگی به نوع سیال, ویسکوزیته, فشار و درجه حـرارت آن دارد .همچنین دقت مورد نیاز و صرفه اقتصادي یکی از مهمترین فاکتورهاي طراحی می باشد.

.۱-۲ انواع سیستم هاي رایج اندازه گیري جریان

جریان سنج هاي گردابی- ۱ جریان سنج هاي روزنه اي-۲ جریان سنج هاي توربینی-۳جریان سنج هاي التراسونیک ۴

به منظور اندازه گیري حجم گازمصرفی صنایع، در شرکت ملی گاز ایران در حال حاضر، عموما” از دو نوع کنتور تـوربینی والتراسونیک استفاده میشود که این مقاله نیز تنها به بررسی این دو نوع کنتور می پردازد.

.۲-۲ کنتور توربینی

استاندارد شمارهIGS-IN-102 شرکت ملی گاز ایران در مورد کنتور توربینی می باشد . [۱]

خطاي مجاز در این کنتورها کمتر از ۲ %بوده و عموما” در ایستگاههاي صنعتی کم مصرف ( کمتر از۵۰۰۰۰ متر مکعب

در ساعت) و ایستگاههاي درون شهري استفاده می شود. اساس کارکنتورهاي توربینی مشابه برخی روشهاي دیگر اندازه گیري جریان گاز، اندازه گیري سرعت است بطوریکه جریان گاز که از فضاي بین پره هاي کنتور عبور می کند سرعت زاویه اي به پروانه می دهد که متناسب با سرعت جریان گاز می باشد. در این جریان سنج ها گاز توسط یک هادي به داخل یک توربین

هم محور با جریان گاز هدایت می شود. عبور گاز از توربین موجب چرخش آن می گردد. سرعت دوران توربین متناسب با
شدت عبور گاز می باشد. یک مکانیزم مکانیکی ساده (ترکیب چرخ دنده) حرکت محوري را به حرکت عمودي تبدیل نموده و
این حرکت توسط یک کوپلینگ مغناطیسی به خارج از بدنه انتقال می یابد. تعداد دوران توسط یک شمارشگر که بر روي
بدنه کنتور نصب شده ثبت می گردد. و با انتقال پالس به تصحیح کننده الکترونیکی حجم و دریافت دما و فشار ازمحل نصب
کنتور ،حجم استاندارد محاسبه می شود.

.۱-۲-۲ معادلات حرکت براي جریان دوبعدي بین پره ها [۲] و [۳]

فرضیات:

-۱ جریان دائمی -۲ تراکم ناپذیر -۳ جریان دوبعدي

. Voretx Flow Meter (VFM) ١ . Orifice Gas Meter ٢ Turbine Gas Meter .٣

. Ultra sonic Gas Meter) (USM) ٤

۲

شکل – . ۱ شماي یک کنتور توربینی

-۱ معادله پیوستگی

(۱) -۲ معادله مومنتوم :

: U سرعت جريان گاز

 : چگالی گاز

 :زاويه پره با جھت محوری

(۲)

بر اساس رابطه فوق می توان گفت:

شکل – ۲ دیاگرام سرعت درپره هاي توربین

U1dAU2xdAU1U2x

(U2yr)U1dA(U1yr)U1dAdFyU2yU1dAdFy

Fy  U1 U2 y A  U1 (U1 tan  r)A

١Fy – نیرویی است که از طرف سیال به روتور وارد می شود که در حالت کارکرد دائم که روتور به یک سرعت ثابت می رسد ، بایستی با نیروي اصطکاك وارد بر پروانه برابر باشد.

۳

-۲ در حالت ایده آل که از اصطکاك صرفنظر می شود بایستی نیروي Fy نیز برابر با صـفر باشـد کـه درنتیجـه U 2 y نیـز
بایستی صفر باشد. پس مثلثهاي سرعت ورودي و خروجی با هم برابر می شوند.
با توجه به شکل ۲ در حالت ایده آل روابط زیر راداریم:
: U1 سرعت ورودی جريان گاز tan  idrU1
 :زاويه پره با جھت محوری Q  AU

: Q فلوی جريان
: id سرعت زاويه ای پروانه در حالت ايده آل Q tan 
(۳) KQ id

r  A
الالغلاال
.۲-۲-۲ مزایا و معایب کنتور توربینی

– .۱-۲-۲- ۲ مزایا :

-۱ دقت بالا ١

-۲ دامنه پذیري: ۲ این پارامتر در کنتورهاي توربینی در شرایط اتمسفریک، ۲۰/۱ می باشد و با افزایش فشارگاز عبوري میزان این پارامتر در کنتورهاي توربینی افزایش یافته و ممکن است به ۲۰۰/۱ نیز برسد.

-۳ عدم نیاز به طول هاي زیاد لوله قبل از کنتور به منظور موازي کردن جریان گاز هدایت شده به داخل کنتور می باشد. وجود مستقیم کننده جریان در داخل کنتور قبل از رسیدن گاز به پره هاي توربین موجب ایجاد جریان مستقیم و یکنواخت می گردد و طول هاي پیشنهادي لوله قبل و بعد از کنتور در حدود ۵-۳ برابر قطر لوله می باشد .

-۴ قیمت مناسب

– .۲-۲-۲- ۲معا یب :

.۱وجود قطعات مکانیکی حساس: بزرگترین ضعف جریان سنج هاي توربینی وجود قطعـات متحـرك نظیـر محورهـا و چـرخ دنده ها می باشد که به طور معمول مانند هر قطعه ي مکانیکی عمر معینی دارد. بنابراین در این بخـش نگهـداري و سـرویس، بسیار با اهمیت می باشد و قطعات مکانیکی نیاز به سرویس و نگهداري دارد.

-۲ خرابی کنتور بر اثر وجود ناخالصی ها: وجود مایعات و ذرات جامد در گاز موجب کاهش عمر قطعات مکانیکی جریان سـنج می گردد به ویژه این ذرات با سرعتی برابرسرعت جریان گاز با قطعات مکانیکی کنتور برخورد می نمایند .
-۳ ضعف در برابر سرعت بیش از حد روتور:۳

چنانچه ملاحظه شد سرعت زیاد محورتوربین ، موجب ایجاد نیروهاي شعاعی بیش از حد شده که موجب صدمات جدي به مکانیزم و محورهاي توربین می گردد.امروزه مطابق استانداردهاي ساخت جریان سنج ها, قابلیت تحمل جریان کنتورها را تا

% ۲۰ در نظر می گیرند ولی سازندگان توانسته اند این توان را تا %۶۰ بیش از جریان ماکزیمم افزایش دهند.

: Accuracy.1
به صورت درصد بوده و میزان دقت اندازه گیري جریان را نسبت به حد اکثر جریان اندازه گیري کنتور بیان می دارد.

:Range ability.2

قابلیت تعیین دامنه اندازه گیري دستگاه را مشخص می نماید .بدین معنی که وقتی گفته می شـود Rangeability یـک کنتـور ۲۰/۱
می باشد یعنی این که می تواند تا ۱/۲۰ جریان ماکزیمم خود با دقت خوبی اندازه گیري نماید.

۴

Over Speed-3

. ۳-۲-۲ روشهایی براي طراحی بهینه ایستگاههاي میترینگ داراي کنتورهاي توربینی

-۱ به منظور جلوگیري از سرعت بیش از حد روتور بایستی درطراحی ایستگاه, بادر نظر گرفتن حداقل و حداکثرمقدار جریان

کنتور مناسب انتخاب شود.
-۲ به منظور حذف ناخالصی ها و ذرات جامد موجود در گاز از سیستم فیلتراسیون مناسب استفاده شود که طبق آخرین

تحقیقات به عمل امده در شرکت ملی گاز، مجموعه فیلتراسیون ترکیبی که اندازه ذرات خروجی برابر ۵ میکرون است از کارایی خوبی برخوردار می باشد.
-۳ استفاده از مخازنی در فاصله بین ایستگاه میترینگ و کمپرسور جایگاههاي سی ان جی به منظور جلوگیري از اثر جریانات
پالسی ناشی از عملکرد کمپسور رفت و برگشتی که بعد از کنتور توربینی نصب شده و باعث ایجاد جریانات برگشتی و ایجاد
خطاي قابل ملاحظه اي می گردد که مقدار خطا بسته به ظرفیت ایستگاه ، طول لوله خروجی ، ظرفیت و مدل کمپرسور
متفاوت است. نصب این مخازن باعث ایجاد جریان یکنواخت و عملکرد صحیح کنتور نیز می گردد.
-۴ در سایز هاي هاي ۸ اینچ به بالا حتی الامکان از کنتور التراسونیک استفاده گردد .طبق نتایج واقعی از تعویض کنتور
توربینی با کنتور التراسونیک ۱۰ اینچ، در یکی از شرکت پتروشیمی (با ظرفیت ایستگاه ۱۰۰۰۰۰ متر مکعب در ساعت) ، در
حدودمبلغ هفت میلیارد ریال در ماه تفاوت وجود داشته است .

. ۳-۲ کنتور التراسونیک

استاندارد شمارهIGS-IN-104 شرکت ملی گاز ایران در مورد کنتور ا لتراسونیک می باشد . ]٤[

این نوع کنتورجدیدترین فن آوري در فرایند اندازه گیري شرکت هاي گاز استانی بوده که از استقبال بالایی جهت استفاده

درنیروگاهها ، شرکت هاي پتروشیمی و ایستگاههاي صنعتی پر مصرف ( بیشتر از ۵۰۰۰۰ متر مکعب در ساعت) برخوردار

شده است .و به عنوان یک سیستم میترینگ بهینه در سطح کشور از جایگاه ویژه اي برخوردار می باشد. مهمترین مزیت آن دقت بالا وداشتن خطا ي کمتر از % ۰,۵ می باشد.

.۱- ۳-۲ اصول کار کنتور التراسونیک ]٥[۶], [

بدنه کنتور التراسونیک ، لوله اي است که از فولاد آلیاژي مقاوم در برابر خوردگی ساخته شده است . ترانسدیوسر هایی بر روي بدنه کنتور تعبیه شده که بر اساس خاصیت پیزو الکتریک پالس ایجاد می کنند .
کنتور هاي التراسونیک از نظر عملکرد به دو نوع کلی ترانزیت تایم ١و داپلر٢ تقسیم می شوند.
.۲- ۳-۲ کنتور التراسونیک ترانزیت تایم
در این نوع ترانسدیو سرها ، هم فرستنده و هم گیرنده امواج التراسونیک هستند ،در این حالت ترانسدیوسرها امواج را به
درون لوله می فرستند . یکی از ترانسدیوسرها امواج را در جهت جریان سیال و دیگري در خلاف جهت جریان ارسال می کند .
مدت زمان لازم براي ارسال و دریافت امواج با یکدیگر متفاوت است ، این اختلاف زمان محاسبه شده در ترانسدیوسرها
متناسب با سرعت سیال است . با داشتن سرعت و سطح مقطع کنتور فلوي جریان محاسبه می شود.
در شکل ۳ دو عدد ترانسدیوسر را مشاهده می کنید ، براي محاسبه فلوي جریان داریم :
GAS
B L A

شکل -۳ وضعیت دو ترانسدیوسر که زاویه بین آنها صفر درجه است

۵

. Transit time ١ .Doppler ٢

(۴) ( ۱  ۱ ) L  V L  & t L tAB 
BA VGAS ) (C 
tBA tAB 2 GAS (C VGAS )

: t زمان ارسال موج
C :سرعت موج
: V سرعت جريان گاز
اگر دو ترانسدیوسر نسبت به هم زوایه  داشته باشند .آنگاه :

شکل -۴ وضعیت دو ترانسدیوسر با زاویه 

(۵) ( ۱  ۱ ) L VGAS
tBA tAB 2COS

(۶) D2/ ۴ QV
: Q فلوی جريان GAS

.۳- ۳-۲ کنتور التراسونیک داپلر
این نوع کنتور درشرکت هاي گاز استانی کاربرد نداشته و در فرایندها یا جاهایی که سیالات کثیف وجود دارد از آن استفاده
می شود. در این مدل امواج التراسونیک به درون لوله ارسال می شود ولی به جاي این که توسط یک ترانسدیوسر دیگردریافت گردد و زمان ارسال موج محاسبه شود،امواج به ذرات موجود در سیال برخورد کرده و برگشت داده می شوند.از آنجایی که ذرات با سرعتی معادل سرعت سیال در حرکت هستند. جابجایی فرکانسی مربوط به موج برگشتی ،متناسب با سرعت متوسط سیال است.

حداقل تعداد چهار جفت ترانسدیوسر نیاز است تا کنتور التراسونیک الزامات استاندارد را تامین کرده و در مبادلات خرید و فروش گاز از آن استفاده نمایند١. درغیر این صورت تنها در فرایندها قابل استفاده می باشند.

۶

Custoday Transfer ١

.۴- ۳-۲ مزایا

-۱ دقت اندازه گیري بالا: خطا کمتر از %۰,۵

-۲ بالا بودن میزان دامنه پذیري: ۱۰۰/۱ و حتی گاهاً تا ۲۰۰/۱ قابلیت کاربري این نوع جریان سنج را در میان انواع جریان سنج ها بسیار افزایش داده است.
– ۳ کاربري ساده و مانیتورینگ آسان

-۴ تحمل سرعت جریان گاز بالا تا حدود ۴۰ m/s

-۵ مقاوم در مقابل آلودگی هاي موجود در گاز نظیرمیعانات گازي, آب و ذرات جامد
– ۶ آسان بودن تعویض سنسورها بدون نیاز به کالیبراسیون مجدد
۷ – نداشتن قطعات متحرك
۸ – عدم افت فشار گاز در عبور از کنتور
۹ – قابلیت تشخیص معایب در خود

.۵- ۳-۲ معایب :
– ۱ قیمت بالاوعدم تولید آن در داخل کشورو وجود مشکلات تحریم -۲
نیاز به داشتن طول مستقیم قبل از کنتور و به میزان ۱۰ برابر قطر لوله ، به منظور ایجاد جریان مستقیم و یکنواخت. -۳
حساسیت به پارازیت و بروز خطا در اندازه گیري ، و به این دلیل نباید پس از رگلاتور نصب گردد.
.۶- ۳-۲ حجم تصحیح شده و ا ستاندارد :
در کنتورها ي التراسونیک و توربینی، حجم گازدر فشار و دماي خط اندازه گیري می شود که به آن حجم تصحیح نشده
می گویند .با توجه به اینکه که فروش بایستی براساس شرایط استاندارد (دماي ۱۵,۵۶درجه سانتیگراد و فشار یک
اتمسفر درسطح دریا) باشد، به کمک فلو کامپیوتر یا تصحیح کننده الکترونیکی ، فرایند تبدیل به حجم استاندارد صورت
می پذیرد . سنسورها یا ترانسمیتر ها، دما وفشار خط و همچنین در صورت وجود آنالایزر گاز ترکیبات گاز به فلو کامپیوتر
یا تصحیح کننده انتقال یافته و با فرمول زیر حجم استاندارد محاسبه می شود.
(۷) ( Zb  Tb  Pa Vb Vm (