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Neuer Hochdruck-Erdgas-Prüfstand erfordert ein neues Primärnormal

26.08.2020

Für die Rückführung der Hochdruck-Erdgas-Messungen arbeitet die PTB schon mehr als 25 Jahre mit dem Kooperationspartner Opens external link in new windowpigsar, einer Prüfstands-Infrastruktur des Gastransportunternehmens OpenGrid Europe (OGE), zusammen. Anfang nächsten Jahres wird pigsar eine neue Anlage für die Gaszähler-Kalibrierung mit Hochdruck-Erdgas in Betrieb nehmen - die neue Closed Loop pigsar [1]. Hierbei wird der bisherige Maximaldurchfluss von 6500 m³/h auf 22000 m³/h und der Maximaldruck von 50 bar auf 65 bar erhöht. Um trotz des erweiterten Messbereichs die Messunsicherheiten auf dem geforderten Niveau zu halten, hat die PTB ein neues Primärnormal entwickelt - den Hochdruck-Komparator. 

Das heutige Hochdruck-Primärnormal der PTB ist eine Rohrprüfstrecke aus Edelstahl mit einem Kolben, der von dem strömenden Gas bewegt wird. Das Rohr wurde gehont, ein mechanischer Vorgang, der bewirkt, dass der Innendurchmesser über die gesamte Rohrlänge um weniger als 20 Mikrometer variiert, weniger als die Dicke eines menschlichen Haares. Mit der Rohrprüfstrecke wird ein maximaler Durchfluss von 480 m³/h und eine Messunsicherheit von 0,065% erreicht. Indem mehrere kalibrierte Messgeräte (sogenannte Transfernormale) zusammen verwendet werden, kann in einem mehrstufigen Prozess, eine Messunsicherheit von 0,16 % bei 6500 m³/h gewährleistet werden [1].  Mit der Erweiterung bei pigsar von 6500 m³/h auf 22000 m³/h werden die Messunsicherheiten erst um einige Hundertstel Prozent zunehmen. Um diese Unsicherheiten wieder zu reduzieren, und die Rückführungskette zu verkürzen, wurde ein Primärnormal mit einem höheren Durchfluss entwickelt. 

Bild 1: Kolbenplatte mit Ventilen auf dem Linearverschiebtisch. Quelle: Hersteller

Der neue Hochdruck-Komparator wurde dazu für Durchflüsse bis 1850 m³/h und mit einem aktiven Antrieb konzipiert. Der Kolben des Komparators hat die Form einer flachen Scheibe, die aktiv von einem Linearverschiebetisch durch ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 600 mm geführt wird, siehe Bild 1. Die Ansteuerung und Regelung des Lineartisches sorgt dafür, dass sich der Kolben ohne Ausbildung einer Druckdifferenz auf der Vorder- und Rückseite mit der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes bewegt. Die projektierte Messunsicherheit ist mit 0,10 % zwar etwas höher als die Unsicherheit der Rohrprüfstrecke, aber aufgrund des größeren Durchflussbereiches des Primärnormals und der damit verbundenen Verkürzung der Rückführungskette für den Maximaldurchfluss von 22.000 m³/h ist dies eine Verbesserung für die Closed Loop pigsar [1]. Die detaillierten Aufbauten der Rohrprüfstrecke und des Hochdruck-Komparators werden in [2] ausführlich erläutert. Der folgende Infokasten verdeutlicht außerdem den Bedarf nach kleinen Messunsicherheiten in der Erdgaswirtschaft. 

        

Messunsicherheit und Erdgaswirtschaft
Die Messunsicherheit ist die Reihe von Werten, die vernünftigerweise der Messgröße zugeordnet werden können. So sind bei einer Länge von 1000 mm ± 1 mm, alle Werte zwischen 999 mm und 1001 mm möglich. Die 1 mm Unsicherheit ist in diesem Fall 0,1%.
In Deutschland werden pro Jahr circa 85 Milliarden m³ Erdgas verbraucht. Zusätzlich fließen als Transitvolumen über deutschen Boden ca. 100 Milliarden m³. Diese Volumina werden in der Regel mehr als einmal gemessen und abgerechnet. Ausgehend von einem Endkundenpreis von ca. 0,5 €/m³ ergäbe sich bei einer einmaligen Messung/Abrechnung für diese einfache Überschlagsrechnung bereits ein Handelsvolumen von 92 Mrd. Euro.
Die Gastransport- und Gasversorgungsbetriebe versuchen, die Differenz zwischen eingekauftem und geliefertem Gas auf 0,1% zu begrenzen.  

      

Das Funktionsprinzip des Hochdruck-Komparators soll am Beispiel der Kalibrierung eines Turbinenradgaszählers (TGZ) erläutert werden, siehe Bild 2. Am Anfang der Kalibrierung strömt der eingestellte Durchfluss durch den geöffneten Bypass. Anschließend wird der geschlossene Kolben von der Startposition stromauf auf die mit dem Durchfluss verbundene Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt und der Bypass geschlossen. Bei idealer Übereinstimmung der Geschwindigkeiten beträgt der Differenzdruck über den Kolben ΔpK null. Über die Kolbengeschwindigkeit und den bekannten Querschnitt des Rohrinnern wird das Messvolumen bestimmt. Der Messhub des Komparators beträgt 4,5 m bei einem Kolbengesamthub von 6 m. Am Ende des Messvorganges wird der Bypass wieder geöffnet, der Kolben abgebremst, die Kolbenventile geöffnet und der Kolben wieder in seine Startposition gefahren. Die Messabweichung der TGZ zum Komparator wird auf Basis der Massenerhaltung bestimmt. Instationäre Effekte auf Grund der Kompressibilität des Gases werden mittels einer Korrektur kompensiert, mögliche Leckströme über den Kolben und das dynamische Verhalten des TGZs werden ebenfalls korrigiert [3], um Messabweichungen minimieren zu können.

Bild 2: Kalibrierung eines Turbinenradzählers (TGZ) mit dem Hochdruck-Komparator

Der Hochdruck-Komparator wird zukünftig als integraler Bestandteil der nationalen Rückführungskette einen Beitrag zur Reduzierung der Messunsicherheitswerte auf der Ebene der Weitergabe der Einheiten leisten [1]. Dazu werden auch in der Zukunft beide Primärnormale nebeneinander betrieben. Darüber hinaus ist eine Teilnahme an internationalen Ringvergleichen unter den Primärnormalen für die Hochdruck-Erdgasmessung [4] geplant. Neben dem Betrieb mit Erdgas wird auch ein metrologisch abgesicherter Betrieb mit Wasserstoff-/Erdgasgemischen vorgesehen.

 

Literatur:

[1] Jos van der Grinten, Detlef Vieth and Bodo Mickan, The new Closed Loop pigsar high-pressure gas flow calibration facility and its projected CMC, 36th International North Sea Flow Measurement Workshop, Aberdeen, 22 – 24 October 2018. Opens external link in new windowLink

[2] B. Mickan, Th. Kappes, S. Singh, Hochdruck-Gas: Neue Technologien für Rückführung auf die SI-Einheiten bei großen Durchflüssen, 10. Workshop Gasmengenmessung - Gasanlagen - Gastechnik, 4. / 5. März 2020, Kötter, Rheine, Germany, pp 7-40.

[3] Böckler, H.-B., Messrichtigkeit von mechanischen Gasmessgeräten bei Verwendung von unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2019, ISBN 978-3-95606-493-7.

[4] Jos G.M. van der Grinten, Arnthor Gunnarsson, Mijndert van der Beek and Bodo Mickan, An intercomparison between primary high-pressure gas flow standards with sub-permille uncertainties, 35th International North Sea Flow Measurement Workshop, Tønsberg, Norway, 22 - 24 October 2019. Opens external link in new windowLink

Ansprechpartner:

Jos van der Grinten, FB 1.4, AG 1.43, E-Mail: Opens window for sending emailjos.v.grinten@ptb.de