Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Nový způsob měření odběru zemního plynu

Automa 4/2001

Petr Bartošík, foto Vladimír Valenta

Nový způsob měření odběru zemního plynu

Od dubna 2001 přecházejí distribuční plynárenské společnosti na účtování spotřeby zemního plynu v kilowatthodinách, místo původních krychlových metrů. Co je důvodem této změny? České plynárenství postupně diverzifikuje své zdroje. Zatímco dříve byla Česká republika zásobována plynem převážně z ruských nalezišť, v současné době k nám na základě dlouhodobého kontraktu proudí plyn také z Norska. Energetický obsah plynu z jednoho zdroje je dosti stabilní, plyn z různých zdrojů však může mít různou kvalitu a spotřeba v objemových jednotkách potom nemusí přesně vyjadřovat energii, kterou spotřebitel z plynu skutečně získá. Druhým, neméně podstatným důvodem přechodu na jednotky energie je snaha korigovat údaj plynoměru na standardní podmínky: teplotu a tlak.

Obr. 1. Obr. 6.

Jednotlivé plynoměry budou však i nadále měřit spotřebované množství plynu v objemových jednotkách. Na jednotky energie bude změřený objem přepočítáván podle vzorce E=V·f·q

kde
E    je energie (kW·h)
V    naměřený objem (m3),
q    vážený průměr spalného tepla (kW·h/m3)
f     přepočítávací koeficient na vztažné podmínky.

rovnice

kde
pb    je korigovaný barometrický tlak místa měření (kPa),
pp    přetlak plynu (kPa),
pV    vztažný tlak (kPa),
Tp    teplota plynu při měření (K),
TV    v;ztažná teplota (K),
K     stupeň kompresibility (–).

Korigovaný barometrický tlak místa měření se spočítá podle vzorce pb=101,7 - 0,0125h kde h je nadmořská výška (m).

Teplota plynu při měření a přetlak plynu jsou stanoveny normami jednotlivých distribučních společností, které přesně stanoví, jak tyto hodnoty získat. Vztažný tlak je 101,325 kPa, teplota 15 °C. Co se tedy ve vzorci pro přepočítávací koeficient mění, je nadmořská výška rozvodny (a tím korigovaný barometrický tlak) a stupeň kompresibility. Ten se však mění pouze u přepočtu plynu při tlaku přes 100 kPa, jinak je roven jedné.

Obr. 2.

Vážený průměr spalného tepla se určuje pro každou distribuční oblast uzlového bodu jakosti. Pro malé odběratele se počítá jako vážený průměr za posledních dvanáct měsíců. Celý postup přepočtu je stanoven normami (ČSN 38 5510, TPG 901 01, ČSN EN ISO 6976).

Pro velké a některé střední odběratele není přepočítávání objemu na energii žádnou novinkou, neboť plynoměry s přepočítáváním na standardní podmínky již mají instalovány.

Proč se spalné teplo počítá jako vážený průměr? Je to proto, že plynovodní sítě lokálních distribučních společností s. p. Transgas, který spravuje dálkové vysokotlaké rozvody zemního plynu, jsou zásobovány z několika předávacích stanic (PRS). V těchto místech je instalováno také měření odebraného objemu plynu. Z odebraného objemu a spalného tepla změřeného v měřicí stanici příslušné k PRS (měřicí stanice a PRS nemusí být v jedné lokalitě, přiřazení PRS k měřicí stanici je dáno smlouvou mezi Transgasem a distribuční společností) se počítá vážený průměr, který se objeví na fakturách jednotlivých odběratelů.

Měřicí stanice
Přechod od měření v krychlových metrech na měření v kilowatthodinách je investičně mimořádně náročnou akcí především pro s. p. Transgas, který musí zajistit výstavbu a vybavení potřebných měřicích stanic. Příprava na tuto akci začala již v roce 1999. Bylo třeba určit, kolik měřicích stanic bude vybudováno a kde budou rozmístěny. Po jednáních s regionálními distribučními společnostmi bylo nakonec rozhodnuto o vybudování deseti stanic: Bylany, Limuzy, Olešná, Hospozín, Hájek (dočasná, bude nahrazena měřicí stanicí v dosud nevybudované předávací stanici Měcholupy), Zvěstov, Rozvadov, Mutěnice, Velké Němčice a Lobodice (obr. 1). Pro úplnost je třeba dodat, že Transgas má další tři měřicí stanice na podzemních zásobnících zemního plynu (Štramberk, Třanovice, Háje) a kvalita plynu se měří také v kompresorové stanici Kouřim a v hraničních předávacích stanicích Hora sv. Kateřiny a Lanžhot.

Vlastní budování měřicích stanic začalo, po fázi projektové přípravy, na jaře roku 2000. Z deseti stanic muselo být šest vybudováno na „zelené louce“, zbývající čtyři vznikly adaptací stávajících zařízení. Každá měřicí stanice obsahuje:

  • procesní chromatograf s řídicí jednotkou,
  • měřič vlhkosti zemního plynu,
  • uživatelský terminál (PC a dvě tiskárny),
  • tlakovou láhev s heliem (nosný plyn pro měřicí systém),
  • tlakovou láhev s kalibračním plynem o známém spalném teple,
  • zařízení pro filtraci, rozvod a dopravu měřeného plynu do chromatografu,
  • klimatizační zařízení,
  • analyzátor výskytu plynu v ovzduší,
  • elektrorozvodná zařízení,
  • řídicí a telemetrický systém včetně softwarového vybavení.

Hlavním zhotovitelem projektu se stala firma Remigas, a. s., která vykonala potřebné stavební práce, osadila regulační a odběrové skříně a namontovala neelektrická zařízení. Elektromontážní práce realizovala firma Senkel, s. r. o. Řídicí a telemetrické systémy pro přenos dat na dispečink Transgasu dodal a oživil ZAT, a. s.

Věnujme se nyní blíže některým částem projektu.

Chromatograf
Aby mohla být určena hodnota spalného tepla, je třeba nejprve znát složení plynu. Obecně je zemní plyn směs plynných uhlovodíků a nehořlavých složek, především dusíku a oxidu uhličitého. Běžně používaný zemní plyn typu H má více než 90 % metanu (ruský plyn má v průměru 98,4 % metanu, 0,8 % ostatních uhlovodíků a 0,8 % nehořlavých látek; u norského plynu je poměr 93 %, 4,9 % a 2,1 %). Kromě složení plynu je třeba určit také fyzikální vlastnosti: hustotu a hutnotu.

Obr. 3.

Přístroj k určení složení plynu se nazývá plynový chromatograf. V plynovém chromatografu se nejprve odebere vzorek plynu o stanoveném objemu (obr. 2). Ten je spolu s nosným plynem přiveden do kolony, kde se při průchodu absorbentem dělí podle rychlosti průchodu kolonou na jednotlivé složky. Ty postupně vystupují z kolony a jsou přivedeny na detektor (nejčastěji tepelněvodivostní). Výstupní napětí detektoru tvoří charakteristické vrcholy. Poloha vrcholu určuje druh analyzované látky; současně lze integrací plochy pod křivkou získat množství této látky ve vzorku.

V měřicích stanicích zemního plynu Transgas jsou použity chromatografy firmy Daniel, model 500. Transgas je vybíral z množiny těch provozních chromatografů, které splňují podmínky ČMI pro obchodní měření. Přístroje byly uváděny do provozu přímo pracovníky výrobce (v době zadávání zakázky to byla firma Daniel ještě jako samostatná firma, nyní je po akvizici začleněna do skupiny Fisher-Rosemount).

Chromatograf Daniel 500 (obr. 3) je určen pro analýzu C6+, při níž se určuje podíl jednotlivých uhlovodíků do šesti uhlíků v řetězci. Vyšší uhlovodíky se zahrnují do jediné skupiny označované C6+. Model 500 má dva kohouty a dvě kolony v jednom ohřívacím tělese, které zaručuje stálou teplotu kolon. Rychlost postupu analyzované látky kolonou je totiž závislá nejen na druhu látky, ale i na teplotě. Je proto nutné temperovat jak kolonu, tak měřený vzorek, který je do kolony přiváděn trubičkou o průměru 3 mm, v níž je teplota plynu udržována nad 10 °C. Vzhledem k tomu, že délka této trubičky může být až 160 m, není to snadný úkol. Jeden měřicí cyklus trvá dvanáct minut pro všechny čtyři vzorky. Jako hnací plyn se používá helium.

V první koloně se zpětným proplachováním se rozdělují lehčí (do pentanu) a těžší uhlovodíky. Poté, co kolonu opustí poslední zbytky lehčích uhlovodíků, jsou těžší uhlovodíky přesměrovány na detektor a po skončení celého cyklu je kolona propláchnuta. Chromatografy, které nemají kolonu s proplachováním, mohou dávat zkreslené údaje, neboť v nich mohou zůstávat zbytky těžších uhlovodíků. Druhá kolona rozlišuje dusík, metan, oxid uhličitý, etan, propan, butan a pentan od dalších složek.

K vyhodnocení měření je určena řídicí jednotka Daniel 2350 (obr. 4). Obsahuje šestibitový procesor (16 MHz) a 16 MB paměti. Jeden chromatograf může najednou analyzovat čtyři vzorky. Ke komunikaci s nadřízeným systémem jsou určeny čtyři sériové porty a čtyři verze sběrnice Modbus, z nichž se v aplikaci na měřicích stanicích využívá RS-485 a Modbus RTU. Kromě chemického složení se přenáší také signál o poklesu tlaku nosného plynu a signalizace poruchy. Další vstupy a výstupy, které řídicí jednotka chromatografu umožňuje přenášet (údaje o poloze kohoutů, jejich ovládání, binární a analogové vstupy a výstupy), nejsou využívány. Výsledky analýz jsou ukládány do paměti řídicí jednotky chromatografu, takže nejsou ztraceny ani při výpadku komunikace s řídicím systémem. V paměti chromatografu může být uloženo až 1 000 výsledků analýz.

Měření vlhkosti
Důležitým parametrem zemního plynu je také jeho vlhkost, obvykle udávaná jako teplota rosného bodu. Měří se vlhkoměry firmy Panametrics. Sondy těchto vlhkoměrů mají elektrodu potaženou vrstvou oxidu hlinitého. Vodní pára, která se v této vrstvě absorbuje, způsobuje změnu elektrického odporu, jež se ve snímači dále vyhodnocuje a zpracovává na výstupní signál. Vyhodnocovací jednotka měřiče Panametrics Moisture Image Series 1 je vidět na obr. 4.

Řídicí a telemetrický sytém
Společnost Transgas pro měřicí stanice zemního plynu vybrala řídicí systém ZAT 2000 MP. Je to otevřený automatizační systém, jenž je určen pro řešení množství různých úloh v energetice, průmyslu, dopravě a dalších odvětvích. Lze jej použít v malých i rozsáhlých aplikacích, včetně zařízení vyžadujících zvýšenou spolehlivost a redundanci struktury.

Obr. 4. Obr. 5.

Pro řídicí a telemetrický systém měřicích stanic zemního plynu (obr. 5) byl použit programovatelný automat v 19" rámu s CPU VSB32 a komunikačními deskami D-VDP (Profibus DP) a DVS (dva porty RS-232, dva RS-485). K základnímu automatu je dále připojen subsystém ZAT-D, který obsahuje vstupní a výstupní moduly pro napojení binárních a analogových signálů, jež informují o stavu ovládaného zařízení. Programovatelný automat s procesním chromatografem komunikuje, jak již bylo uvedeno, po komunikační lince RS-485 v protokolu Modbus RTU. Pomocí RS-232 je napojen na telefonní modem nebo modem GSM. Druhé rozhraní RS-232 je využíváno pro připojení zobrazovacího panelu (Siemens OP5).

Aktuální údaje o kvalitě plynu jsou získávány v hodinových intervalech a archivovány v řídicím a telemetrickém systému měřicí stanice po dobu minimálně pěti dnů. Přehled přenášených hodnot je v tab. 1. Řídicí systém také vypočítává denní průměry dat, archivuje je po dobu minimálně čtyřiceti dnů a zajišťuje jejich distribuci. Denní průměry jsou z chromatografu přenášeny vždy na začátku plynárenského dne. Vzhledem k archivaci nemohou být data ztracena ani při výpadku komunikačních sítí. V takovém případě po obnovení provozu telemetrický systém chybějící data doplní. Zároveň jsou archivovány změnové a poruchové stavy celé měřicí stanice (pokles tlaku nosného plynu, signalizace sdružené poruchy), opatřené časovými údaji jejich vzniku.

Tab. 1. Přehled přenášených hodnot

Analogové hodnoty
číslo označení název jednotky
1 C1 metan %
2 C2 etan %
3 C3 propan %
4 iC4 iso-butan %
5 nC4 n-butan %
6 iC5 iso-pentan %
7 nC5 n-pentan %
8 C6+ součet vyšších uhlovodíků %
9 N2 dusík %
10 CO2 oxid uhličitý %
11 Hs spalné teplo kW·h/m3
12 d hutnota
13 **rN hustota (za norm. podmínek) kg/m3
14 W Wobbeho index kW·h/m3
15 r. b. rosný bod °C
Binární hodnoty
    signalizace poklesu tlaku nosného plynu
    signalizace sdružené poruchy

Předávání a zpracování dat
Údaje z měřicích stanic je nutné předávat na dispečink Transgasu, regionálním distribučním společnostem a předávacím stanicím.

Pro přenos dat na dispečink je využívána přenosová síť Transgas, linky Telecomu nebo mobilní síť systému GSM. V pražském dispečinku je umístěn samostatný komunikační server (PEP), jehož funkcí je obvolávat stanice s chromatografy a ukládat sejmuté datové soubory na stanici NT Server. PEP v každém okamžiku komunikuje s jednou měřicí stanicí. Stanice jsou obvolávány v pořadí podle seznamu, který se vytváří automaticky. Pořadí stanic v seznamu lze změnit pokynem Žádost o data z ovládacího zobrazení v SCADA InTouch. Požádá-li obsluha o data z konkrétní stanice, je tato stanice automaticky přesunuta na první místo v seznamu.

Postup při přenosu dat je takovýto:

  • identifikační rámec,
  • nastavení času (tj. synchronizace NT Serveru a chromatografů),
  • nastavení povelů,
  • nastavení setpointů,
  • čtení nastavených setpointů,
  • čtení okamžitých binárních hodnot,
  • čtení okamžitých analogových hodnot,
  • čtení archivních binárních a analogových hodnot,
  • čtení okamžitých binárních hodnot,
  • čtení okamžitých analogových hodnot,
  • závěrečný rámec.

Po přenosu z PEP na NT Server jsou data uložena v databázi ZAT_DCL. V ní se ukládají nejen údaje o chemickém složení plynu, ale i údaje z obchodních měření jednotlivých předávacích stanic. V ZAT_DCL jsou data uložena vždy jeden měsíc. Poté jsou uložena na CD-ROM a prostor na disku je uvolněn pro aktuální údaje. Ze ZAT_DCL může uživatel získat data těmito postupy:

  • výstup okamžitých hodnot na pracovištích vybavených stanicí InTouch,
  • výstup v podobě tabulek v MS Excel.

InTouch je instalován na stanici dispečera, stanicích obchodního měření a na stanicích v jednotlivých lokalitách PLČ. Je v něm vytvořeno základní okno Chemické hodnoty – přehled, které obsahuje:

  • jméno lokality,
  • datum a čas úspěšného spojení,
  • číslo komunikačního kanálu,
  • tlačítko Žádost o data,
  • průběh spojení,
  • signalizaci poklesu tlaku nosného plynu,
  • signalizaci sdružené poruchy.

Výběrem konkrétní lokality se otevře okno s tabulkami hodnot pro každý vzorek plynu. Počet vzorků plynu na jednu lokalitu se pohybuje od jednoho do čtyř. Údaje jsou opatřeny časem posledního přenosu dat. I v tomto zobrazení jsou umístěny signalizace poruch zařízení, stavu komunikace a tlačítko žádosti o data.

Výstup v podobě tabulek v Excelu je určen pro ty uživatele, kteří nemají InTouch. Uživatel musí být registrován ve Správci uživatelů příslušné databáze.

Další, komu musí být data z měřicích stanic poskytnuta, jsou jednotlivé distribuční společnosti. Aby byla zajištěna závaznost dat z hlediska obchodního měření, přenášejí se hodinové průměry přímo z měřicích stanic, bez jakéhokoliv mezičlánku. Protože měřicí stanice nejsou k předávacím stanicím přiřazeny jednoznačně (přiřazení se podle uzavřených smluv mění s konfigurací plynovodní sítě i např. s ročním obdobím), je nutné zajistit přenos všech dat, která jsou nutná pro pokrytí všech možných konfigurací. Vzhledem k tomu, že dosavadní protokoly odběrů z PRS byly přenášeny po síti METNET, bude i pro přenos údajů z měřicích stanic využíván tento přenosový kanál. O data, připravená v databázi, žádá příslušná distribuční společnost a přenos dat je také v její režii. Data jsou přenášena také na ústřední dispečink, který je může využívat podle svého uvážení.

Obr. 7.

V dispečinku v Praze jsou příslušným regionálním distribučním plynárenským společnostem zpřístupněna také naměřená a softwarově zpracovaná data. Distribuční společnosti si je mohou vyžádat buď přímo z dispečinku, nebo prostřednictvím FTP. Přístup na server FTP je znám pouze oprávněným pracovníkům a je chráněn proti zneužití.

Data z měřicích stanic budou přenášena také na předávací stanice (PRS). Zatím je přenos realizován pouze na PRS vybavené systémem ZAT 2000. Data jsou určena pro místní kontrolu na panelu OP5 a pro orientační výpočet energetického odběru (vzhledem k časovému zpoždění mezi měřením složení a průtoku, které může být až dvě hodiny, nelze tento výpočet použít pro obchodní účely). Na stanicích vybavených průtokoměrem s automatickým přepočtem (Solartron 7915, Solartron 7951, Elcor) budou data použita jako vstupy průtokoměru pro interní orientační výpočet energetického odběru a kompresibility. Data z chromatografů jednotlivým PRS přiřazuje NT Server. Přiřazení je v daném okamžiku jednoznačné, ale musí být zachována možnost jej snadno, a to i za provozu, měnit podle momentální konfigurace sítě.

Zákaznický informační systém
Zásadní změny v měření odběru zemního plynu se promítnou i do způsobu fakturace odběru plynu konečným zákazníkům. Jednotlivé lokální distribuční společnosti, SČP, a. s., STP, a. s., VČP, a. s. a ZČP, a. s., v souvislosti s tím oslovily společnost Soluziona, tvůrce jejich zákaznických informačního systémů (ZIS), aby připravila podmínky pro změny smluv, generování záloh, evidenci objemových koeficientů a spalného tepla v rozvodnách a fakturaci v jednotkách energie.

Závěr
Transgas i regionální plynárenské společnosti věnují na zdokonalování přepravy i měření zemního plynu nemalé prostředky. Rozhodnutí přejít od objemového na energetické vyjádření spotřeby navazuje na obdobné rozhodnutí západoevropských plynařů a představuje významný pokrok v začleňování českého plynárenství do EU.

Děkuji za poskytnutí informací a pomoc s odbornou korekturou článku Ing. Vladimíru Valentovi (Transgas, s. p.), Ing. Františku Pintovi (ZAT, a. s.) a Ing. Silvě Jančové z Pražské plynárenské, a. s.

Literatura:

[1] SMRČEK, O.: Vykročení k měření dodávek plynu v kilowatthodinách. Plyn, LXXXI, č. 1, s. 4-6. Praha, Český plynárenský svaz 2001.

[2] PANAMETRICS: Moisture Series Analyzers. Waltham, 1995.

[3] DANIEL: On-line Gas/Liquid Chromatography Applications. Natural Gas Energy Measurement C6+ Analysis. http://www.daniel.com/public/iwae.exe/Chromatographs.datastore/953157811

[4] Východočeský plynárník. Zpravodaj Východočeské plynárenské a. s., ročník IV, mimořádné číslo. Hradec Králové 2001.

[5] MUSIL, L.: Představujeme vám zemní plyn. Propagační leták GAS s. r. o.