Measuring natural gas at 67 bar and with 1m diameter

Gasunie is responsible for the natural gas distribution network in the Netherlands. The main transport pipeline, which runs roughly around the IJsselmeer, is 1.06 m in diameter (42") and has a nominal pressure of 67 bar. Gasunie uses ultrasonic flow meters for flow measurement. What are the considerations for choosing an ultrasonic flow meter in this type of situation?

The reason for Gasunie to start looking for replacement meters in its main pipeline network was the so-called 'downscaling': pressure and flow are decreasing. As a result, the current flow meters do not have the correct range. This is an event where all options are considered again. Measuring natural gas flow is not that difficult, but in this case there are circumstances that make it a lot more difficult. So much so that it was decided to do a proof-of-concept initially.

In the main transmission grid, the flow is measured at metering stations. Given the enormous diameter of the pipes, these stations are built as compactly as possible. There is therefore no room for straight flow lengths. And ultrasonic flow meters are very sensitive to this. Preferably, you have at least 10 diameters of straight flow length. (We have written a piece about this before: "The Ultrasonic Cookbook") That comes down to a measuring street of about 20m. And that space is not available. Then you could opt for a flow conditioner with a shape that particularly removes the swirl from the flow profile that occurs after bends. But that would mean that the measuring street including the flow conditioner would have to be calibrated, which is not possible because there is no calibration facility that can calibrate such pipe diameters and high pressures.

The advantage is that in this application not such a high accuracy is required.

De huidige flowmeters

Ondanks recente uitbreidingen die hier op de foto's te zien zijn, is het hoofdtransportnet van de Gasunie voor het grootste deel een bestaand leidingnetwerk, met bestaande flowmeters. Alle flowmeters in het hele netwerk worden niet in 1 keer vervangen. Bovendien mag niets aangepast worden aan het huidige leidingnetwerk, dat ook nog eens volledig operationeel blijft. Daarom zijn de flowmeters gemonteerd met hot-taps. Zo kunnen de flowmeters onder druk getest en vervangen worden.

Omdat er structureel geen aanpassingen gedaan worden, moeten de nieuwe flowmeters passen in de bestaande hot-taps. Een flowmeter kiezen met deze randvoorwaarden is geen sinecure.

De huidige situatie in het kort:

• Enkel pad ultrasoon flowmeters
• Hot-tap montage methode
• Onder de grond
• ATEX goedgekeurd

De flowmeters die een optie zijn

Hoewel Gasunie direct een voorkeur had voor ultrasoon flowmeters gaan we hier toch even na welke opties er zijn in zo'n situatie. Per soort lichten we ze daarna toe.

1. Insteek turbine
2. Thermisch
3. Vortex
4. Verschildruk meters (pitot insteek flowmeters)
5. Ultrasoon

1. Insteek turbine flowmeter

• Mechanisch heeft een flowmeter met bewegende delen het zwaar in dit soort omstandigheden. De levensduur is dus te kort.
• Het is een puntmeting, wat de nauwkeurigheid te negatief zal beïnvloeden, ondanks de goede nauwkeurigheid van het meetprincipe.
• De flow varieert nogal, door de wisselende gasafname. De flowmeter zal last hebben van trillingen en uiteindelijk afbreken.

Foto: aanleg hoofdtransportleiding Gasunie, traject Beverwijk - Wijngaarden (bron: A. Hak)

2. Thermische flowmeters

• Bij een druk van ongeveer 70 bar en bij een flowsnelheid van circa 20m/s kom je op een flow van 1400 nm/s. Zo'n hoge flow heeft teveel afkoelend vermogen, waardoor een thermische flowmeter niet zal werken.

3. Inteek vortex flowmeters

• Steekt in de leiding.
• Ze zijn gekalibreerd met water en niet met gas.
• Het is een puntmeting.
• Daardoor een onnauwkeurigheid van ongeveer 10%.

4. Verschildruk flowmeter (pitotbuis)

• Deze toepassing kent een wisselende belasting (stroomsnelheid), vanwege de wisselende vraag naar aardgas. De turndown is dus groot. De flowmeter moet hele hoge én hele lage flows goed kunnen meten. En een pitotbuis verliest zijn nauwkeurigheid in het ondergebied (een eigenschap van verschildruk flowmeters in het algemeen).
• Zal afbreken in grote diameters leidingen door trillingen.

Logische afvallers

De volgende flowmeters kunnen sowieso niet gebruikt worden in deze situatie:

• Elektromagnetische flowmeters kunnen uitsluitend vloeistoffen meten die elektrisch geleidend zijn.
• Coriolis flowmeters kunnen alleen gebruikt worden als integraal onderdeel van de leiding en in dit geval moet gebruik gemaakt worden van insteek model flowmeters.

Foto: Aardgas buffer in Zuidwending (bron: Gasunie)

Ultrasoon flowmeters in deze toepassing

De voordelen van ultrasoon flowmeten in deze toepassing:

• Er zijn wel wetted parts, maar die hebben geen insteek diepte.
• Hoge rangebility, turndown
• Redelijke nauwkeurigheid, zelfs met een enkelpads meter, omdat het Reynolds getal heel hoog is.

Het Reynolds getal is de sleutel

Het Reynolds getal is hoog (in de miljoenen), doordat de viscositeit laag is, gecombineerd met een grote diameter.
Met andere woorden: het te meten gas is uiterst turbulent. Dat maakt dat er een vlak, regelmatig flowprofiel is.
Daarom is ultrasoon flowmeting een goede keuze, omdat het meetprincipe gevoelig is voor het flowprofiel. Ultrasoon flowmeters zijn gevoelig voor het flowprofiel omdat ze maar op een paar punten van de buis meten. Als een ultrasoon flowmeter net na een bocht gemonteerd wordt, dan is er sprake van een swirl in het flowprofiel. Onze flowspecialisten kijken niet raar op van een meetfout van zo'n 30% die door een ongunstig flowprofiel introduceert wordt.

Maar omdat de leiding een diameter heeft van 1,05m en de druk en flowsnelheid zo hoog zijn, kan er zelfs volstaan worden met maar 1 signaalpad. Er is een goede meting te behalen en er hoeft niet gecompenseerd te worden voor het flowprofiel.

De behaalde meetfout bedraagt ongeveer 5%, wat voldoende is. Je zou je kunnen afvragen waarom een meetfout van 5% volstaat als de commercieële belangen zo groot zijn. Dat moeten we even uitleggen.

Waarom is 5% nauwkeurigheid genoeg?

Kort gezegd: omdat in dit netwerk slechts gemonitord wordt. Er vinden geen afrekeningen plaats in het hoofdtransportnet.

Nederland speelt een belangrijke rol in het Europese aardgasnet. De infrastructuur van Gasunie vormt namelijk de ‘gasrotonde’ van Europa. Gas komt via een aantal belangrijke bronnen ons land binnen en daarmee is Nederland het "landingspunt" voor veel gas in Europa. Onze eigen gaswinning was in het verleden natuurlijk een belangrijke bron en dat was ook de reden dat we Europees-breed aangesloten zijn met ondermeer de North Stream pijpleiding via Duitsland naar Rusland en verbindingen naar Denemarken, Noorwegen, Engeland, Duitsland en België.

Om het hele systeem te kunnen monitoren heeft Gasunie metering stations, waar de 42” hoofdleiding wordt gesplitst in 4 leidingen van 24”, plus 1 bypass voor onderhoud. Het aantal meterruns is afhankelijk van de druk.
Om een hogere nauwkeurigheid te behalen meten de 4 meetstraten parallel.

Dus die opstelling levert al een aardige totale nauwkeurigheid op, omdat je de gemiddelde meetwaarde kunt berekenen. Maar er zit nog een staartje aan dit verhaal.

Zodra dit hoofdtransportnet afgetakt wordt voor distributie naar afnemers, gaat het over in kleinere diameters. In Nederland is dat als volgt geregeld:

Hooftransportnet

42", nominale druk: 67 bar

Regionaal transportnet

24", nominale druk: 40 bar

Lokaal gastransportnet

Diverse diameters, nominale druk: 8 bar

In de regionale en lokale transportnetten is het wél mogelijk om met flowmeters te werken die een obstructie vormen in de buis. In dit geval wordt overal gemeten met turbine flowmeters, vanwege hun betrouwbaarheid en nauwkeurigheid. Bij elkaar opgeteld geven de nauwkeurig gemeten flows in de aftakkingen aan wat de flow is in het hoofdtransportnet.

Foto: het hoofdtransportnet van Gasunie (bron: Gasunie)

Heeft deze flowmeet toepassing niet te maken met de MID?

Nee, dat heeft te maken met de schaalgrootte. We hadden al vastgesteld dat het hier gaat om monitoring en niet om custody transfer; geen ijkwaardige meeting dus. Maar stel dat het wel zo was: dan was het een terechte vraag. Die willen we hier toch even beantwoorden. De MID standaard geldt altijd voor vloeistoffen. Voor aardgas is de MID ook van toepassing, maar beperkt tot een maximum flow. Als de procesflow hoger is dan dat maximum, dan moeten bedrijven onderling regelen welke meetnauwkeurigheid nodig is. En de flow is in dit geval veel te hoog. (De MID kan je hier downloaden.)

Ultrasoon flowmeting is wel het meetprincipe dat in die gevallen heel vaak wordt gebruikt. Transus heeft hier speciale gecertificeerde 4-kanaals ultrasoon flowmeters voor. En zelfs dubbel uitgevoerde 4-kanaals flowmeters. Ze worden ook gebruikt onder cryogene toepassingen, bijvoorbeeld aan boord van FPSO's of LNG-tankers.

Een andere toepassing die we in deze categorie ook wel tegenkomen: het meten van Sungas. Dat is een mengsel CO en H2 - dat is een brandstof voor de opwekking van stoom.

De conclusie moet zijn dat ultrasoon flowmeten interessant is voor iedereen die te maken heeft met een meetsituatie waarin gemeten moet worden in grote diameters buizen, waar gas het te meten medium is en een hoge druk heerst. En soms dus zelfs maar met 1 kanaal. Alles hangt af van de configuratie en de benodigde nauwkeurigheid.

Foto: de montagewijze van de insteek ultrasoon transducers, ATEX approved.