Rückgeführte Hochdruck-Messung von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung

Die Dekarbonisierung führt im Bereich der gasförmigen Energieträger dazu, dass in den Transportnetzen eine größere Bandbreite an Gasen mit unterschiedlichen Dichten und Viskositäten vorzufinden sind. Damit stellt sich die Frage nach dem Messverhalten der Durchflussmesstechnik in Abhängigkeit von den Gasen stärker als früher, was Untersuchungen mit einer entsprechenden Prüfinfrastruktur erfordert.

Die Forschungsfrage in einem von DNV [1] organisierten Joint Industry Project lautete: Ob und inwieweit wird das Messverhalten von Industriegaszählern durch Wasserstoff/Erdgas-Gemische und andere unkonventionelle Gase beeinflusst? Um diese Frage zu beantworten, wurde ein Referenzsystem benötigt, das für jedes Gas, unabhängig von seiner Zusammensetzung, zuverlässige Ergebnisse liefert.

Das für diese Fragestellung eingesetzte Referenzsystem besteht aus einer Reihenschaltung dreier Messtechnologien: Turbinenradgaszähler, Coriolis-Zähler und kritisch betriebene Venturidüsen. Jedes dieser drei Teilsysteme hat zudem eine eigene Rückführung auf die SI-Einheiten. Bei den Venturidüsen wurde die Rückführung auf die Normale für Luft bei der PTB und auf eine geometrische Vermessung, bei den Turbinenradgaszählern auf das harmonisierte Referenzniveau für Hochdruck-Erdgas und bei den Coriolis-Zählern auf eine Wasserkalibrierung bei einem akkreditieren Flüssigkeitslabor realisiert.

Die Modelle der PTB für die Durchflusskoeffizienten der Venturidüsen [2] und für das Messverhalten von Turbinengaszähler [3] wurden für die Kompensation der unterschiedlichen thermodynamischen Eigenschaften der Gase und Gasgemische herangezogen während bei den Coriolis-Zählern die Korrekturen des Herstellers bezüglich gasförmiger Medien zur Anwendung kamen. Mit diesen Kompensations- und Korrekturmaßnahmen funktioniert das System unabhängig vom Druck und von der Gaszusammensetzung.

Der Massendurchfluss des Referenzsystems wird über den mit den Unsicherheiten gewichteten Mittelwert aller drei Messgerätetypen gebildet. Da die drei Gerätetypen über völlig unabhängige Rückführungsketten verfügen, kann die Messunsicherheit des mittleren Durchflusses auf dieselbe Weise berechnet werden wie die Messunsicherheit des Referenzwertes bei einem Ringvergleich. Die mit diesem Ansatz resultierende Unsicherheit von 0,12 % entspricht aktuell den besten verfügbaren CMC-Einträgen auf dem Hochdruckkalibriermarkt.

Für die Untersuchungen wurden folgende Gase und Gasgemische verwendet: Stickstoff, Methan, niederkalorisches Erdgas, Erdgas angereichert mit bis zu 30 % Wasserstoff und Erdgas mit bis zu 20 % Kohlendioxid. Die Betriebsdrücke lagen bei 16 bar und 32 bar. Bei allen Tests wurden für jeden Messpunkt die Differenz zwischen dem oben beschriebenen Mittelwert der drei Messgeräte und jedem einzelnen Messwert der drei Messgerät mit der entsprechenden Unsicherheit ermittelt. Der Quotient aus dieser Differenz und der Unsicherheit des jeweiligen Gerätes wird als normalisierte Abweichung |En| bezeichnet. Aus dem üblichen statistischen Vertrauensniveau für die Angabe von Messunsicherheiten von 95% leitet sich ab, dass mindestens 95 % der normalisierten Abweichungen zwischen 0 und 1 liegen müssen. Da dieses Ziel erreicht wurde, siehe Tabelle 1, kann dem hier vorgestellten Referenzsystem attestiert werden, dass es für alle geprüften Gase zuverlässig funktioniert. Für die Zukunft sind weitere Versuche mit anderen Gasgemischen geplant. Details zu den Tests und der Auswertung sind in [4] veröffentlicht.

Tabelle 1: Anzahl und Prozentsatz der En-Betragswerte in den Stufen bis 0,5; 0,5 - 1 und größer 1. 

Bild: Nozzle skid.

Literatur:

[1] DNV-Projekt: Influence of renewable gases on gas flow meters; Link

[2] B. Mickan, J. v. d. Grinten, T. Kappes: Primary and secondary flow standards for a wide variety of gas compositions - a solid base for reliable traceability facing the energy transition. 38th North Sea Flow Measurement Workshop, Virtual Conference, 27-29, October, 2020, Link

[3] Böckler, H.-B.: "Messrichtigkeit von mechanischen Gasmessgeräten bei Verwendung von unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten", Band 101 von PTB-Bericht / Mechanik und Akustik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, ISSN 0179-0595; Fachverlag NW in Carl Ed. Schünemann KG, 2019

[4] Jos van der Grinten, Bodo Mickan, Henk Riezebos, Dennis van Putten (2021): Gas flow traceability for non-conventional and renewable gases, 39th International North Sea Flow Measurement Workshop, Tønsberg, Norway, 26 - 29 October 2021, Link

Ansprechpartner:

Jos van der Grinten, FB 1.4, E-Mail: jos.v.grinten(at)ptb.de

Bodo Mickan, FB 1.4