Gas: come ridurre perdite e mancati conteggi

Il gas naturale perso e non conteggiato, in particolare nei punti di misura fiscale delle condutture, sta diventando un punto di interesse fondamentale per acquirenti e venditori, Descriviamo alcune ricerche e scoperte storiche sull'argomento delle pulsazioni. Inoltre si descrivono alcuni metodi di misurazione, monitoraggio e potenziale correzione di diversi tipi di pulsazioni, supportati da relativi esempi.

di Heros Gambini (*)

(*) Account Manager Instrumentation - Parker Hannifin Italy

Negli ultimi anni il Pipeline and Compressor Research Council (PCRC, Consiglio per la ricerca su condutture e compressori), oggi noto come GMRC (Gas Machinery Research Council, Consiglio per la ricerca sui macchinari per gas) e una succursale della Southern Gas Association (Associazione Gas del Sud), hanno commissionato e finanziato diversi progetti di ricerca sulle pulsazioni presso il Southwest Research Institute (SWRI, Istituto di ricerca del Sud Ovest) a San Antonio, Texas. I programmi di ricerca sponsorizzati dal PCRC hanno concluso che gli errori di misurazione causati da pulsazioni rientrano in due ampie categorie:

  1. errore principale: comprende l'errore quadratico medio (Square Root Error, SRE), errori inerziali e scostamenti nel coefficiente dell'orifizio.
  2. errore secondario: è costituito da distorsione e scostamento della linea di misura, indicati nell'insieme come errore della linea di misura (Gauge Line Error, GLE).

L'SRE ha una relazione diretta con l'errore di misurazione di portata e rappresenta quindi un argomento molto importante per chi acquista e vende gas naturale. Il presente documento si concentra sui metodi di misura e quantificazione dell'errore quadratico medio e del conseguente errore della linea di misura, consigliando al contempo alcune tecniche per ridurre gli effetti delle pulsazioni sulle misurazioni del gas naturale.

 

Errore quadratico medio

Negli Stati Uniti la maggior parte delle misure di portata del gas naturale viene effettuata misurando la caduta di pressione tra due punti (pressione differenziale) creata da una flangia modulatrice. La portata del gas (Q) viene calcolata utilizzando la formula di base Q = K√ΔPXP. Il coefficiente di orifizio fisso (K) si deriva da una formula presente nell'ultima edizione del Rapporto AGA Numero 3. La pressione differenziale ΔP e la pressione della linea P sono misurate utilizzando registratori meccanici o trasmettitori elettronici, montati in remoto o direttamente sulle prese di pressione, utilizzando una configurazione di valvole di misura, collettori e tubi.

In condizioni di portata stabili, le portate di gas possono essere misurate con precisione con apparecchiature avanzate, compresi trasmettitori di pressione ad alta precisione e misuratori di portata computerizzati. Nonostante l'alto grado di precisione dei dispositivi elettronici di misura attuali, si verificano ancora misurazioni imprecise quando ΔP viene modulata, o cambia, a una frequenza maggiore della frequenza con cui il sistema di misura estrae la radice quadrata di ΔP.

Questo tipo di errore di misura si chiama errore quadratico medio (SRE, Square Root Error) e rappresenta il calcolo di una portata instabile utilizzando la radice quadrata di P media rispetto alla media dei valori della radice quadrata di ΔP istantanea. Le pulsazioni derivanti da compressori di gas, valvole di controllo, regolatori di pressione e alcune configurazioni delle condutture sono una fonte di modulazione frequente di ΔP. La figura … illustra l'ampiezza e la frequenza delle pulsazioni generate da un compressore alternativo e da una valvola di controllo. Nel sistema si verificano tre picchi di pulsazioni diversi.

In genere il tecnico sul campo che aziona l'indicatore di SRE è in grado di isolare le fonti di pulsazioni utilizzando nuovi software di filtraggio e modificando le condizioni di campo per generare nuove risposte. Ciò consente all'operatore di effettuare le modifiche sul campo necessarie per migliorare la precisione delle misurazioni.

 

Altri errori principali

SRE è il componente più importante dell'errore principale causato dalle pulsazioni. Tuttavia, in condizioni di pulsazioni estreme, l'errore inerziale e lo scostamento del coefficiente aumentano di importanza. Di seguito una breve spiegazione:

Errore inerziale

Il flusso di gas pulsante tende a restare in movimento a causa dell'inerzia. Ne risulta che i cambiamenti di portata sono in ritardo rispetto ai cambiamenti di ΔP. Gli errori inerziali sono insignificanti fino a quando ampiezza e frequenza delle pulsazioni non sono relativamente elevate.

 

Cambiamenti del coefficiente

Sebbene difficile da quantificare, i dati dei test indicano che i livelli di pulsazioni superiori a un SRE dell'1,5% contribuiscono ai cambiamenti del coefficiente dell'orifizio.

 

Misurazione di %SRE

%SRE si misura in condizioni operative e viene utilizzato per approssimare l'errore principale indotto dalle pulsazioni e determinare se sono necessarie azioni correttive.

L'errore quadratico medio percentuale (%SRE) si misura con un dispositivo prodotto e commercializzato da Parker noto come indicatore di errore quadratico medio (SRE). Questo strumento analitico utilizza un trasduttore di ΔP con risposta ad alta frequenza e un software per calcolare %SRE secondo la formula sviluppata da SWRI, illustrata in precedenza nel presente documento.

L'indicatore SRE viene utilizzato dai tecnici sul campo per misurare la gravità delle pulsazioni e calcolare %SRE. I risultati possono essere utilizzati per determinare se sono necessarie azioni correttive. Tuttavia, poiché altri errori principali (errore inerziale e cambiamenti di coefficiente) non vengono misurati direttamente, %SRE non deve essere utilizzato per correggere le letture della misura di portata.

 

Riduzione delle pulsazioni

Gli errori di misurazione causati da pulsazioni nei punti di misura fiscale possono creare importanti discrepanze economiche tra acquirenti e venditori di gas naturale. Di conseguenza, molti contratti di acquisto di gas naturale contengono clausole che impostano limiti per %SRE (a volte fino a un SRE pari allo 0,20%) e solitamente assegnano l'onere della riduzione o eliminazione delle pulsazioni al venditore.

Il metodo più semplice per ridurre l'SRE indotto da pulsazioni è aumentare ΔP cambiando la flangia modulatrice. Sfortunatamente ciò può anche limitare l'intervallo operativo del sistema di misura.

In alcuni casi per ridurre l'SRE è possibile modificare il sistema di tubazioni oppure spostare la fonte di pulsazioni. Tale operazione può essere lunga e costosa.

Un'altra azione correttiva diffusa per un alto SRE è rappresentata dall'installazione di un dispositivo, quale un orifizio di riduzione, tra la fonte di pulsazioni e la stazione di misurazione. Tuttavia, tali dispositivi di riduzione possono causare maggiore costo di compressione e un intervallo di portata limitato. È possibile ridurre %SRE anche installando un filtro acustico per eliminare la maggior parte delle pulsazioni. Sebbene più costoso di un dispositivo di riduzione, un filtro acustico progettato adeguatamente funziona su un intervallo di portata molto maggiore con una minore caduta di pressione.

 

Errore della linea di misura

L'errore della linea di misura (GLE, Gauge Line Error) si presenta quando la pressione differenziale (ΔP) sulle punte non è uguale alla pressione differenziale (ΔP) sull'estremità delle linee di misura. Solitamente il GLE è causato da pulsazione o altri fenomeni relativi alla portata.

La linea di misura inizia sulle prese dell'orifizio e termina sul trasmettitore, sul computer di portata o sui collegamenti del registratore. Comprende raccordi per tubing, valvole, manifolds, air distribution manifolds e condensate pot che possono essere installati tra le prese dell’orifizio e il dispositivo di misura.

Ricerche condotte da SWRI hanno determinato che l'errore della linea di misura è costituito da due componenti: la distorsione della linea di misura e lo spostamento della linea di misura.

Misurazione degli errori della linea di misura

Parker ha sviluppato il primo indicatore di GLE nel 1990, quindi nel 1996 e nel 2005. L'indicatore di SRE/GLE attuale include la capacità di effettuare test su %SRE e GLE, misurando e quantificando l'errore della linea di misura e l'errore quadratico medio.

L'indicatore GLE confronta la pressione differenziale sulle prese dell'orifizio con la pressione differenziale sull'estremità delle linee di misura. Qualsiasi differenza tra i due segnali viene associata a un errore della linea di misura.

 

Eliminazione o riduzione al minimo del GLE

Ampi test sul campo con l'indicatore GLE hanno confermato la ricerca condotta presso il Southwest Research Institute (SWRI) da PCRC. Gli esempi dei test di laboratorio offrono una migliore comprensione dei problemi del GLE e di misura risultanti da errate pratiche di montaggio del trasmettitore.

Come indicato in precedenza, numerosi contratti relativi al gas comprendono clausole sull'ampiezza delle pulsazioni e molte società di trasmissione richiedono l'installazione di filtri acustici per ridurre al minimo i livelli di pulsazioni e %SRE. Tuttavia, i test sul GLE indicano che l'errore della linea di misura può restare presente anche dopo l'installazione di un filtro acustico e nonostante letture di %SRE pari a 0,1%.

La complessità dei sistemi e numerose variabili dipendenti, compresi livelli delle pulsazioni, lunghezza della linea di misura, diametri della linea di misura, pressione d'esercizio, peso specifico del gas e velocità del gas rendono estremamente difficile osservare un punto di misura e prevedere quale errore della linea di misura sia presente. Attualmente i test del GLE sono l'unico metodo riconosciuto per la determinazione della presenza di un errore della linea di misura.

L'opzione migliore è rappresentata da una corretta installazione del trasmettitore e/o del misuratore di portata elettronico (EFM) in modo che l'errore della linea di misura sia ridotto al minimo o eliminato eliminando la maggiore quantità possibile di variabili dipendenti. Tra le pratiche migliori si trovano:

  •  accoppiare a stretto contatto il dispositivo di misura della pressione differenziale (trasmettitore o misuratore di portata elettronico/computer) con i raccordi dell'orifizio
  •  rimuovere o ridurre al minimo le vibrazioni dell'impianto che possano influenzare la misura o il dispositivo di misura
  •  utilizzare lunghezze uguali di tubi con foro di grandi dimensioni (diametro interno di 0,375" o superiore)
  •  mantenere lo stesso foro di grandi dimensioni (D.I. 0.375") su tutti i tubi, le valvole e i collettori tra il dispositivo di misura e il raccordo dell'orifizio
  •  utilizzare valvole per strumenti invece di valvole a sfera ad un quarto di giro. L'apertura e la chiusura di valvole a sfera ad un quarto di giro facilita molto l'applicazione di shock su un lato del dispositivo di misura con pressione di linea completa. Qualsiasi shock di pressione può creare un cambiamento statico significativo nella taratura del trasmettitore non rilevabile nelle normali procedure di taratura.

L'utilizzo di una lunghezza ridotta dei tubi dello strumento con D.E. da 1/2" e una valvola a sfera ad un quarto di giro con apertura completa tra il raccordo dell'orifizio e lo strumento di misura crea numerosi accoppiamenti di raccordi NPT femmina e piccole "camere di volume" che possono creare cambiamenti nella linea di misura (effetti di rettifica delle pulsazioni). Le pratiche migliori suggeriscono l'utilizzo di un sistema che si monti direttamente ed accoppi a stretto contatto il dispositivo di misura e le prese dell'orifizio. Questo metodo continua ad ottenere vasta accettazione nel settore, dimostrata da oltre 10.000 installazioni attualmente in servizio.

 

Riepilogo

Le pulsazioni create da compressori, valvole di controllo della portata, regolatori ed alcune configurazioni delle condutture possono creare livelli inaccettabili dell'errore quadratico medio (%SRE) e/o del risultante errore della linea di misura (GLE). Le pulsazioni sul misuratore dell'orifizio rappresentano una fonte importante di perdita e mancato conteggio di gas naturale, che possono creare grandi perdite o guadagni economici per acquirenti e venditori rispetto a un impianto di tubazioni per gas naturale.

%SRE e GLE si possono misurare e quantificare utilizzando un indicatore di SRE/GLE per verificare la precisione delle misure in un punto e in un momento specifici. Le pulsazioni e il risultante %SRE elevato creano un'alta probabilità di presenza di GLE. Le camere di volume su numerosi strumenti di misura collegati allo stesso insieme di prese di orifizio possono comporre o creare GLE.

I trasmettitori di EFM devono essere accoppiati in prossimità delle prese dell'orifizio con linee di misura di lunghezza uguale, foro di grandi dimensioni (D.I. 0,375" o superiore) e diametro costante per ridurre al minimo o eliminare il GLE; tuttavia questo processo non riduce o elimina %SRE. Per ridurre le pulsazioni e %SRE conseguente, la fonte di pulsazioni deve essere eliminata, si devono modificare i sistemi di condutture, si deve aumentare ΔP, si deve installare un dispositivo di riduzione o un filtro acustico dimensionato adeguatamente.

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