Wdrożenie wzorcowania gazomierzy sprężonym gazem ziemnym na potrzeby rozliczeń transgranicznych i spójności pomiarowej krajowego systemu przesyłowego

Informacja o efektach działalności naukowej mających znaczenie dla kreowania wpływu

Charakterystyka głównych wniosków z badań naukowych lub prac rozwojowych albo efektów działalności naukowej w zakresie twórczości artystycznej

W ramach badań naukowych i prac rozwojowych rozwiązano następujące problemy.

a) W wyniku badań parametrów pulsacji generowanych w rurociągach tłoczni gazu wykazano możliwość budowy stanowiska na terenie tłoczni i określono warunki optymalnej lokalizacji Laboratorium na jej terenie.

b) Stosując metody zarówno klasycznej, jak i numerycznej mechaniki płynów wsparte eksperymentami na fizycznym modelu w zmniejszonej skali, zminimalizowano zaburzenia profilu prędkości, objętość buforową oraz straty ciśnienia w pętli, czyli w efekcie moc niezbędną do napędzania dmuchawy.

c) Wykazano, że zamiast stosowania dwóch gazomierzy wzorcowych (roboczego i monitorującego) w każdym ciągu gazomierzy wzorcowych jest możliwość zastosowania jednego gazomierza monitorującego przy zastosowaniu odpowiedniej konfiguracji rurociągów na stanowiska pomiarowym (rozwiązanie opatentowane).

d) Wykazano, że w przypadku największych przepływów do wymuszenia przepływu jest korzystne zastosowanie maszyny tłoczni. Dzięki temu stworzono oryginalny układ pracujący przy mniejszych przepływach w pętli zamkniętej (z własną dmuchawą) oraz przy dużych przepływach (rozwiązanie opatentowane) w układzie otwartym z wykorzystaniem sprężarek tłoczni.

Rola podmiotu

Politechnika Warszawska dostarczyła know-how operatorowi gazociągów GAZ-SYSTEM S.A. w ramach umowy nr SEU1000011259 z dn. 09.10.2009r. zrealizowanej przez PW w okresie od 09.10.2009 r. do 30.07.2010r. — „Badania przemysłowe i prace rozwojowe w ramach projektu pn. Budowa Laboratorium Wzorcowania Gazomierzy przy ciśnieniu roboczym na terenie TJE Hołowczyce w zakresie opracowania koncepcji stanowiska". Na etapie opracowywania szczegółowych projektów wykonawczych przeprowadzono dodatkowe modelowe badania eksperymentalne w ramach umowy nr SEU1000008809 pt. „Eksperymentalna weryfikacja modelu CFD wybranych układów pomiarowych” dla ostatecznej weryfikacji przyjętych rozwiązań. Prof. Turkowski uczestniczył w całym procesie inwestycyjnym na etapie tworzenia dokumentacji projektowej i prowadzenia robót budowlanych, brał udział w posiedzeniach Rady Budowy oraz pełnił funkcję Inspektora Nadzoru w zakresie metrologii w fazie odbiorów i rozruchu stanowiska (pismo Gaz-Systemu z dn. 26.04.2019). 

Bibliografia

Turkowski, M. (2018). Metrologia przepływów. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. ISBN 978-83-7814-697-1

W monografii wykorzystano wiele wyników własnych badań przeprowadzonych w ramach projektu, szczególnie w rozdziałach „Wzorcowanie przepływomierzy”, „Pomiary przepływów nieustalonych” oraz „Zastosowanie numerycznej mechaniki płynów w metrologii przepływów”.

Turkowski. M., Dyakowska, E., Szufleński, P., Jakubiak, T. (2018). Construction of the new gas meter high pressure calibration facility – Technical and metrological problems. Flow Measurement and Instrumentation, 60, 57-66. DOI:10.1016/j.flowmeasinst.2018.02.004.

W artykule omówiono problem wynikłe w trakcie projektowania, budowy i eksploatacji stanowiska oraz sposoby ich rozwiązania metodami naukowymi.

Szczepaniak, B., Dyakowska, E., Szufleński, P., Turkowski, M., Zagożdżon, M., (2014). Stanowisko do wzorcowania gazomierzy gazem pod wysokim ciśnieniem (Gas meter calibration station using high-pressure gas) (Patent Polski nr PL 216249). Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej.

Zastrzeżono unikalne rozwiązanie łączące zalety stanowisk pracujących w układzie otwartym i zamkniętym, przy jednoczesnym wyeliminowaniu wad tych rozwiązań. Patent wykorzystano podczas projektowania i budowy Laboratorium Wzorcowania Gazomierzy w Hołowczycach.

Szczepaniak, B., Dyakowska, E., Szufleński, P., Turkowski, M., Zagożdżon, M., (2015). Stanowisko wzorcowania gazomierzy gazem pod wysokim ciśnieniem (Gas meter calibration station using high-pressure gas) (Patent Polski nr PL 219657). Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej.

Zastrzeżono oryginalne rozwiązanie polegające na zainstalowaniu na stałe w stanowisku gazomierzy – wzorców pośredniczących, co umożliwia łatwe i szybkie sprawdzanie i wzorcowanie gazomierzy – wzorców roboczych. Rozwiązanie wykorzystano podczas projektowania i budowy Laboratorium Wzorcowania Gazomierzy w Hołowczycach.

Szudarek, M., Turkowski, M., Twaróg, G. (2020): Test Stand for Studying Flowmeter Performance in Presence of Pulsatile Flow, W: R. Szewczyk, J. Krejsa, M. Nowicki, A. Ostaszewska-Liżewska Mechatronics 2019: Recent Advances Towards Industry 4.0. Advances in Intelligent Systems and Computing vol. 1044. (s. 157-163), Cham: Springer. ISBN 978-3-030-29992-7, DOI:10.1007/978-3-030-29993-4_20.

Doświadczenie i wiedza zdobyta w trakcie badan and wpływem pulsacji na ewentualne błędy wzorcowania stały się impulsem do kontynuacji takich badań. Zbudowano stanowisko, które w sposób kompleksowy umożliwi zajęcie się tym problemem.

Charakterystyka wpływu na społeczeństwo

Wpływ opracowanych rozwiązań w zakresie wzorcowania gazomierzy gazem ziemnym pod ciśnieniem ma charakter przełomowy, ponieważ narzuca nowe standardy dokładności przy rozliczeniu sprzedaży-zakupu gazu ziemnego. Dotychczas prowadzone wzorcowania powietrzem przy ciśnieniu atmosferycznym nie zapewniają wystarczającej dokładności, gdyż charakterystyki większości stosowanych gazomierzy w warunkach rzeczywistych – gaz ziemny przy wysokim ciśnieniu – różnią sią nawet o 1–2 % od tych uzyskanych na powietrzu atmosferycznym. Przy szybko rosnących cenach gazu takie błędy są niedopuszczalne. Laboratorium wzorcowania jest unikatowe w Polsce. Umożliwiło także dołączenie polskiej firmie GAZ-SYSTEM S.A. do grona operatorów systemów gazowniczych w Europie, którzy mogą samodzielnie zapewnić uznaną na świecie spójność pomiarową w zakresie rozliczeń przesyłu gazu. Obecnie w wykonanym laboratorium wzorcowane jest ok. 500 gazomierzy rocznie, co całkowicie zaspokaja potrzeby w tym zakresie, umożliwiając wzorcowanie gazomierzy należących do GAZ-SYSTEMU, jak też realizację zewnętrznych zleceń na wzorcowanie.

Wyniki przedstawionych badań naukowych można rozpatrywać w dwóch skalach: makro i mikro.

W skali makro wdrożone wyniki badań oddziałują na cały obrót, przesył i dystrybucję gazu ziemnego, także w skali międzynarodowej. Umożliwiają radykalną poprawę dokładności rozliczeń między operatorem sieci przesyłowej a podmiotami zlecającymi usługę przesyłową. Poprawiają zdecydowanie bilansowanie sieci przesyłowej, co za tym idzie umożliwiają identyfikację i eliminacje ewentualnych strat związanych np. z uchodzeniami gazu. W związku z szybko rosnącymi cenami gazu problem staje się coraz istotniejszy. W okresie od kwietnia 2020 do chwili obecnej cena (hurtowa) gazu na rynkach światowych wzrosła czterokrotnie i wynosi teraz 0,21 USD, czyli 0,83 PLN za 1 m³. Przy obecnym krajowym zużyciu gazu na poziomie 19 mld m³. Wartość tego gazu to ok. 16 mld PLN. Łatwo wyliczyć jaki jest roczny wpływ podniesienia dokładności chociażby o 0,1 %.

Wydawałoby się, że problem nie dotyczy małych, indywidualnych odbiorców, z których każdy ma swój gazomierz pracujący przy niskim ciśnieniu. Nie jest to do końca prawdziwe. Obecnie gospodarstwa domowe rozliczane są za energię zawartą w gazie, czyli za kWh a nie za m³. To znaczy, że zmierzona objętość jest mnożona przez współczynnik związany z wartością kaloryczną gazu. Obecnie do krajowego systemu wpływa gaz z wielu źródeł, m.in. transportowany w postaci skroplonej z różnych miejsc przez Gazoport w Świnoujściu. Te gazy mogą różnić się między sobą ciepłem spalania nawet o kilkanaście procent w zależności od składu (więcej metanu czy więcej wyższych węglowodorów). Niemożliwe jest zainstalowanie u każdego odbiorcy chromatografu lub chociażby miernika wartości opałowej. Tak więc współczynnik przez który mnoży się objętość jest obliczany poprzez symulację sieci gazowej, w oparciu o rozpływy w sieci, a te mierzone sią właśnie dużymi gazomierzami zainstalowanymi w sieci przesyłowej wysokiego ciśnienia. W efekcie poprawa dokładności pomiarów przekłada się na faktury dla milionów odbiorców indywidualnych. Koszty ponoszą oni, przy uwzględnieniu opłat przesyłowych, abonamentowych i dystrybucyjnych już ok. 2 PLN za 1 m³ gazu, a wiec ok. 2,5 razy więcej niż w hurcie.

Prezentowane osiągnięcie ma wpływ globalny, ponieważ uzyskane dokładności przy rozliczeniu sprzedaży-zakupu gazu ziemnego dotyczą międzynarodowej wymiany handlowej za pomocą systemu rurociągów przesyłowych surowców energetycznych. Wzorcowane w Polsce gazomierze zapewniają globalną spójność pomiarową i niezależność polskich operatorów w zakresie wzorcowania sprężonym gazem ziemnym. Laboratorium Wzorcowania Gazomierzy uczestniczy w międzynarodowych porównaniach międzylaboratoryjnych, co jest podstawowym narzędziem identyfikacji i korekcji błędów wzorcowania dla wszystkich uczestników porównań. Przed wybudowaniem laboratoriów Gaz-System ponosił wysokie koszty wzorcowania gazomierzy w zagranicznych laboratoriach, w zależności od średnicy od 1600 do 6950 EUR + koszty transportu. Przewyższa to niejednokrotnie cenę samego gazomierza.

Interdyscyplinarność

Czy interdyscyplinarność miała kluczowe znaczenie na powstanie wpływu działalności naukowej na otoczenie? - TAK

Charakterystyka interdyscyplinarności

Wpływ powstał w wyniku badań interdyscyplinarnych obejmujących następujące dyscypliny: inżynieria mechaniczna oraz automatyka, elektronika i elektrotechnika.

Stanowisko do wzorcowania przepływomierzy jest skomplikowanym systemem pomiarowym, w którym mierzonych jest kilkadziesiąt różnych wielkości oraz analizowanych jest ponad 100 sygnałów binarnych. 

W zakresie inżynierii mechanicznej zrealizowano badania umożliwiające optymalizację orurowania stanowiska stosując metody klasycznej i numerycznej mechaniki płynów. Wykonano też rutynowe obliczenia wytrzymałości rurociągów i połączeń kołnierzowych. Wiele analiz i badań poświęcono stabilizacji temperatury gazu krążącego w pętli pomiarowej, w której należało utrzymywać stałą temperaturę przy dopuszczalnych odchyłkach 0,1 °C. Z zastosowaniem zaawansowanych metod analizy termodynamiki układu wypełniono wysokie wymagania funkcjonalne określone dla stanowiska.

W zakres dyscypliny automatyki, elektroniki i elektrotechniki wchodziło opracowanie algorytmów sterowania kilkudziesięciu zaworów, zarówno odcinających, jak tez regulacyjnych, napędów dmuchawy, algorytmów sterowania całym stanowiskiem i algorytmów przetwarzania danych pomiarowych.

Reasumując, w trakcie budowy stanowiska współpracowali inżynierowie reprezentujący różne dyscypliny: mechanicy, automatycy i informatycy, nie licząc specjalistów z dziedziny budownictwa, wentylacji i klimatyzacji, którzy realizowali rutynowe zadania związane z budynkiem Laboratorium i jego otoczeniem.

Decyzja

Punktacja wynikająca z oceny eksperckiej

78

Punktacja za znaczenie wpływu

25

Premia punktowa z tytułu interdyscyplinarności badań

Tak

Punktacja za zasięg wpływu

40

Uzasadnienie

Osiągnięciem Jednostki naukowej jest udoskonalenie wzorcowania przepływomierzy gazu w warunkach wysokiego ciśnienia medium. Obejmuje ono zagadnienia inżynierii mechanicznej (dynamika przepływów nieustalonych płynu ściśliwego) oraz automatyki (analiza sygnału, algorytmy sterowania), ma zatem charakter interdyscyplinarny. Osiągnięcie naukowe udokumentowano w formie publikacji w czasopiśmie z listy JCR, monografii uczelnianej, rozdziału w monografii międzynarodowej (wydawnictwo Springer) oraz dwóch patentów krajowych. Wpływ zespołu z ewaluowanego podmiotu na krajowe otoczenie gospodarcze jest istotny i dobrze udokumentowany: przy ich wkładzie merytorycznym powstało laboratorium wzorcowania gazomierzy spółki Gaz-System, operatora sieci przesyłowej. Korzyści dla gospodarki płynące (nota bene) z dokładniejszego pomiaru przesyłanego gazu ziemnego, jak też dzięki możliwości wzorcowania przez operatora gazomierzy we własnym krajowym laboratorium, są znaczące. Mimo deklaracji podmiotu, międzynarodowy wpływ osiągnięcia nie został udokumentowany w opisie. Osiągnięcia naukowe przedstawione do oceny wnoszą znaczący wkład w rozwój dyscypliny inżynieria mechaniczna, w zakresie konstrukcji stanowiska badawczego do wzorcowania gazomierzy. Oryginalne algorytmy sterowania i ich implementacja w sprzętowej strukturze sterowania przepływami wnoszą wkład w rozwój dyscypliny automatyka, elektronika i elektrotechnika.

Komentarz PP:

Tu niestety zgadzam się z proponowaną punktacją.

Zasięg udokumentowany został jako krajowy, brak jest w opisie wykorzystania międzynarodowego.

Znaczenie jest istotne. Trudno mówić o przełomowości, gdyż tego typu urządzenia znane są na świecie od dawna. Można oczywiście tłumaczyć (jak to zostało zrobione) jakie oszczędności poczyniono dzięki dokładnym pomiarom, ale zapewne można było takie urządzenia kupić na rynkach zewnętrznych.