Tömegáramlási sebesség térfogatárammá: Átalakítási útmutató mérnökök számára

Egy kelet-kínai petrolkémiai üzem két áramlásmérőt üzemeltetett sorba kapcsolva ugyanazon a telített gőzfejen: egy örvénymérőt lefelé és egy Coriolis tömegáram-mérőt az áramlás irányában. Egy teljes hónapon keresztül a műszerek két százalékon belül követték egymást. Aztán az üzem eltolta a gőzterhelést, a fejléc nyomása közel négy barral csökkent egy hétvége alatt, és a két leolvasás tizenegy százalékkal tért el. Az örvénymérő, egy térfogatmérő készülék, az üzembe helyezéskor beprogramozott fix sűrűséget alkalmazott. A Coriolis-mérő közvetlenül mérte a tömeget. Egyik mérő sem volt hibás. A hiba fogalmi volt: az üzem úgy kezelte a térfogat-leolvasást, mint egy tömegleolvasást, anélkül, hogy újra megvizsgálta volna a sűrűséget.

Minden mérnök, aki áramlási műszerekkel dolgozott, találkozott a probléma valamilyen változatával. A tömegáram és a térfogatáram közötti kapcsolat megtévesztően egyszerűnek tűnik: egy egyenlet, egy sűrűségérték. De a sűrűség ritkán felel meg az adattáblának. A rossz átalakítás torzítja az anyagmérleget, aláássa a gőz- és energiaelszámolást, energiát pazarol, és szélsőséges esetekben egy folyamatot a nem biztonságos működési állapot felé tolhat.

Ez a cikk elmagyarázza, hogy az egyes áramlási sebességek valójában mit mondanak el, hogyan lehet átváltani közöttük, mi történik a sűrűséggel valós folyamatkörülmények között, mely műszertechnológiák mérik közvetlenül a tömeget és melyik mérik a térfogatot helyette, és hogyan válasszuk ki a megfelelő szolgáltatást. A konklúzió előre: a tömegáram az a fizikailag megőrzött mennyiség, amelyre a folyamatgazdaságosság és a biztonság épül; A volumetrikus áramlás egy kényelmes proxy, amely csak akkor megbízható, ha a sűrűség ismert, stabil és helyesen alkalmazott.

Tömegáramlási sebesség és térfogatáram: amit az egyes mennyiségek valójában elmondanak

A tömegáramlási sebesség az egységnyi idő alatt egy adott keresztmetszeten áthaladó folyadék tömege. Az ipari gyakorlatban kilogramm/óra, tonna/óra vagy font/perc mértékegységben fejezik ki. A tömeg minden hétköznapi folyamat során megőrződik: nem keletkezhet vagy semmisíthető meg nyomás-, hőmérséklet- vagy fázisváltozás hatására. Ha úgy tűnik, hogy egy folyamat veszít vagy gyarapodik a tömege, akkor valójában a készlet változását látod, nem pedig magában a tömegszámban.

A térfogatáram az egységnyi idő alatt egy keresztmetszeten áthaladó folyadék térfogata köbméter per óra vagy liter per perc. A hangerő nincs megőrizve. Ugyanaz a kilogramm gáz, amely légköri nyomáson egy köbmétert foglal el, nagyobb nyomáson ennek a térfogatnak a töredékét foglalja el. Egy fordulatonként állandó térfogatot szállító szivattyú nagyon eltérő tömegáramot ad le a belélegezett folyadék sűrűségétől függően.

A gyakorlati következmény egyszerű, és gyakran figyelmen kívül hagyják: ha a folyamatkérdést úgy fogalmazzák meg, hogy "mennyi anyagot állítanak elő, fogyasztanak el vagy szállítanak át", a válasz tömeges alapra vonatkozik. Amikor az a kérdés, hogy "milyen gyorsan töltődik meg ez a tartály" vagy "milyen az áramlás ebben a vízcsőben", a térfogati alap természetes és megfelelő. A kettő összekeverése nem egységek problémája; ez jelentésprobléma.

A két mennyiséget a sűrűség köti össze. A térfogatáramból származó tömegáram meghatározásához szorozza meg a folyadék sűrűségével a mérő működési körülményei között. A térfogatáram tömegáramból való kiszámításához ossza el ugyanazzal a sűrűséggel. Az aritmetika triviális. A mérnöki probléma a használandó sűrűségérték meghatározása, és itt kezdődik a legtöbb valós hiba.

Az átalakítási képlet: egy egyenlet, egy fogás

Ahol ṁ a tömegáram, Q a térfogatáram, és ρ a folyadék sűrűsége, az összefüggés a következő:

ṁ = Q × ρ , és ezért Q = ṁ / ρ

Először dolgozzon át egy folyékony példát. A 20 °C-os víz sűrűsége körülbelül 998 kg/m ³ . 20 m-t szállító zsinór ³ /h víz tehát 20 × 998 = 19 960 kg/h, vagyis nagyon közel 20 tonna óránként. Mivel a víz sűrűsége lassan változik a hőmérséklettel, ez az átalakítás évekig érvényben marad, amikor a hőmérséklet stabil.

Most vegyünk egy gáz példát. A levegő sűrűsége 25 °C-on és légköri nyomáson nagyjából 1,18 kg/m ³ . 20 köbméter óránként ebből a levegőből csak körülbelül 24 kg/óra. Sűrje össze ugyanazt a levegőt 6 bar abszolút nyomásra, és a sűrűség körülbelül 7,1 kg/m-re emelkedik ³ ; ugyanaz a térfogatáram most körülbelül 142 kg/h. A mennyiség nem változott, de a szállított tömeg hatszorosára nőtt. Bárki, aki az első feltételt a második sűrűséggel konvertálja, vagy fordítva, több száz százalékot veszítene.

Ez a rész címében rejlő fogás: a konverziós tényező maga is egy változó. Folyadékoknál lassan változik. A gázok esetében a nyomás és a hőmérséklet minden változásával változik. Gőz esetén drasztikusan változhat egy szerény nyomástartományon belül.

A jelentéstételi konvenciókhoz kapcsolódik egy második fogás is. A földgáz és a sűrített levegő gyakorlatában az áramlásokat gyakran normál köbméter per óra (Nm) egységben adják meg ³ /h) vagy szabvány köbméter óránként (Sm ³ /h). Ezek nem valódi térfogati áramlási sebességek vonali feltételek mellett. Ezek a tömegáramok olyan térfogatban kifejezve, amelyet a gáz rögzített referenciafeltételek mellett elfoglalna: 0 °C és 1,01325 bar normál köbméter esetén, vagy 15 °C vagy 20 °C azonos nyomás mellett normál köbméter esetén. Ez a szám 10 000 Nm ³ /h nagyjából 7500 kg/h tömegáram egy tipikus földgáz összetételnél, függetlenül a csőben lévő tényleges nyomástól. Ezért a tényleges térfogat, a normál térfogat és a tömeg közötti átváltáshoz mind a referencia-, mind a tényleges működési állapot helyes megadása szükséges.

Sűrűség: A híd, amely mozog

A sűrűség az egységnyi térfogatra jutó tömeg. Viselkedése folyamatkörülmények között meghatározza, hogy mekkora hibát vesz fel, ha térfogati leolvasást használ a tömeghez. A különböző folyadékcsaládok nagyon eltérően viselkednek, és ez a különbség vezérli a cikkben később ismertetett teljes műszerkiválasztási logikát.

A folyadékok szinte összenyomhatatlanok, de termikusan kitágulnak. A víz Celsius-fokonként nagyjából 0,03 százalékot veszít sűrűségéből a 10-60 °C tartományban; a teljes tartomány 10 °C-ról 50 °C-ra körülbelül 1,2 százalékkal változtatja meg a sűrűséget. Ez kicsinek hangzik, és gyakran az is. De egy 1000 m-en ³ /h vízvezeték, 1,2 százalékos sűrűségi hiba 12 tonna óránként rejtett hiba. A szénhidrogének jobban kitágulnak: a könnyű dízel 15 °C és 40 °C között valamivel több mint 2 százalékkal változtatja meg a sűrűséget. A folyékony tüzelőanyagok letétbe helyezésénél a 2 százalékos hiba teljes mértékben anyagi jellegű, ezért a sűrűséget mérik, nem pedig az adagolócsúcsokban.

A gázok első közelítéssel az ideális gáztörvény szerint viselkednek: ρ = P × M / (R × T), ahol P az abszolút nyomás, T az abszolút hőmérséklet, M a moláris tömeg és R az univerzális gázállandó. Az abszolút nyomás megkétszerezése megkétszerezi a sűrűséget. Az abszolút hőmérséklet 280 K-ról 320 K-ra emelése 12,5 százalékkal csökkenti a sűrűséget. Egy valós gáz eltér az ideális törvénytől, és ezt az eltérést a Z összenyomhatósági tényező rögzíti, de a minőségi következtetés változatlan marad: a gáz sűrűsége nagymértékben változik a nyomás vagy a hőmérséklet változásával.

A Steam különleges eset. A telített gőz sűrűsége a nyomás meredek függvénye. 5 bar abszolút és 10 bar abszolút között a telített gőz sűrűsége csaknem megduplázódik, körülbelül 2,67-ről körülbelül 5,15 kg/m-re ³ . Az alacsonyabb állapotra kalibrált volumetrikus gőzmérő csaknem 50 százalékkal alábecsüli a tömegáramot, amikor a magasabb állapot megérkezik.

A minta következetes. Folyadékok esetében a rögzített sűrűség elfogadható lehet egy szűk hőmérsékleti ablakban. A gázok és gőzök esetében gyakorlatilag soha.

Miért épülnek az ipari folyamatok a tömegáramra?

Ha megvizsgálja azokat a mérnöki számításokat, amelyek egy tipikus feldolgozó üzemet támogatnak, akkor szinte mindegyik tömegalapú. Kivételt képez az a néhány alkalmazás, amelyet a következő részben tárgyalunk, amelyekben a mennyiség a természetes kereskedelmi egység. Annak megértése, hogy miért uralja a tömeg az áramlásmérést, megmagyarázza, hogy a műszer kiválasztása gyakran a tömeg közvetlen mérése vagy a térfogat alapján történő rekonstrukció kérdése.

Az égés és az energiafelszabadulás a legvilágosabb példa. Egy kazánnak, egy kemencének vagy egy gázturbinának szabályozott levegő-tüzelőanyag arányra van szüksége, és ez az arány a tömegek, nem pedig a térfogatok aránya. A tüzelőanyag-gáz nyomásának észrevétlenül bekövetkező változása megváltoztatja az azonos térfogati leolvasáshoz szállított üzemanyag tömegét, eltolja a sztöchiometriát, megváltoztatja a láng hőmérsékletét, növeli a károsanyag-kibocsátást és csökkenti a hatékonyságot. Azok a kezelők, akik csak az égési levegő és az üzemanyag térfogatáramát követik nyomon, gyakorlatilag nem látják ezeket az eltolódásokat.

A gőzrendszerek elosztják az energiát, és a gőzben lévő energiát a tömege hordozza. Óránként egy tonna 8 bar nyomású telített gőz kondenzálásakor körülbelül kétharmad megawatt hasznos folyamathő szabadul fel. A gőztömegáram-leolvasás 10 százalékos hibája tehát 10 százalékos hiba az erőmű energiamérlegében, ami megmagyarázhatatlan hiányosságként jelenik meg a kazán hatásfok-jelentéseiben vagy a kondenzátum visszavezetési mérlegben.

A kémiai reakció sztöchiometria egy harmadik okot ad. A két különálló áramból álló reaktor betáplálását mólarányok szerint keverik össze. A mólokat a tömeg osztva a molekulatömeggel. Ha a betápláló rendszer egy komponenst térfogat szerint mér, és a sűrűség eltolódik, a mólarány megváltozik, és a reaktor a specifikációtól eltérő terméket állíthat elő, drága katalizátort veszíthet el, vagy veszélyes mellékreakciókat tehet lehetővé.

Az anyagmérlegekhez, a hozamelszámoláshoz és a veszteségszabályozáshoz is tömeg kell. A havi tömegmérlegeket lezáró üzem a teljes összegeket a szivárgások, lopások, folyamatzavarok és könyvelési hibák észlelésére használja. Ezek a mérlegek tömegeket egyeztetnek, nem térfogatokat, mert csak a tömeg marad meg. A térfogati leolvasás, amely érvényes sűrűség nélkül lép be a mérlegbe, fantomnyereséget vagy veszteséget eredményez, amely napokig tartó vizsgálatot igényel.

Végül a biztonsági rendszerek tömeg szerint vannak méretezve. A nyomáscsökkentő szelepeknek és a fáklyafejeknek kezelniük kell azt a tömegáramot, amelyet a legrosszabb hihető forgatókönyv generálhat. A tehermentesítő eszközök térfogati leolvasások alapján történő méretezése pontos sűrűség nélkül gyors utat jelent az alulméretezett tehermentesítő rendszerhez, és komoly hiányosságokat jelent a létesítmény védelmi rétegeiben.

Amikor a térfogatáram a megfelelő mérés

A tömegáram nem mindig a szükséges mennyiség. A legitim volumetrikus alkalmazások felismerése megakadályozza a tömegműszerekre való túlköltekezést, és becsületesen tartja a tervezést.

A víz- és szennyvízhálózat a legnagyobb kategória. Az elosztórendszerek számlázása térfogat szerint történik, a tartályok méretét térfogat szerint, a szivattyúgörbéket pedig térfogat alapján teszik közzé. A vízsűrűség változása a normál működési tartományon belül elég kicsi ahhoz, hogy figyelmen kívül hagyjuk a legszigorúbb tömegmérlegek kivételével. A települési víz-, hűtővíz- és szennyvízvezetékeket jól szolgálják az elektromágneses vagy ultrahangos mérőórák, amelyek közvetlenül a térfogatot leolvassák.

A sarzsfeltöltés és adagolás egy második kategóriát képez. Amikor a cél egy edény egy bizonyos szintig való megtöltése vagy meghatározott térfogatú folyadék reaktorba juttatása, maga a térfogat-leolvasás a folyamat célja. A sarzs tömege utólag kiszámítható az elkészített keverék sűrűségéből.

A harmadik kategória a gázáramlás azokban a szolgáltatásokban, ahol a nyomást és a hőmérsékletet szabályozzák. Azok a sűrített levegős rendszerek, amelyek szabályozott nyomáson vevőről működnek, szinte állandó sűrűséggel rendelkeznek órákon át. Egy turbinás mérő vagy örvénymérő egyetlen alapjel sűrűségű értékkel teljesen megfelelő felügyeleti információkat szolgáltathat egy légkompresszor hálózathoz.

LWQ sorozatú gázturbinás áramlásmérő a stabil száraz gázáramláshoz A tiszta, száraz gázokra állandó körülmények között tervezett turbinás mérő megismételhető térfogati leolvasást biztosít alacsony nyomásveszteséggel, és támogatja a kompenzált áramlást, ha hőmérséklet- és nyomásérzékelőkkel kombinálják. Termék megtekintése →

A VNER LWQ gázturbinás áramlásmérője a tiszta, száraz gázáramláshoz állandó körülmények között megmutatja az egyszerű mérés értékét: alacsony nyomásveszteség, ismételhető térfogat-leolvasások és minimális karbantartás. Ha a folyamat stabil nyomást és hőmérsékletet garantál, a vezérlőrendszerben alkalmazott egyetlen sűrűségérték a leolvasott térfogatot megfelelő pontossággal tömeggé alakítja a felügyeleti célokra. A kulcsmondat a „stabil körülmények”. Abban a pillanatban, amikor a gázellátási nyomás változik, az egysűrűségű átalakítás érvényessége megszűnik.

Közvetlen tömegmérés Coriolis áramlásmérőkkel

Ha a sűrűséghiba költsége magas, a legtisztább megoldás a tömeg közvetlen mérése. A Coriolis áramlásmérő a közvetlen tömegmérés ipari szabványa.

Hogyan működik a Coriolis mérő

A Coriolis mérő egy vagy két ívelt vagy egyenes csövet tartalmaz, amelyeken keresztül a folyadék áramlik. A csöveket a saját frekvenciájukon vibrál egy elektromágneses meghajtó. Amikor a folyadék egy rezgő csövön keresztül mozog, Coriolis-gyorsulást tapasztal, amely a tömegárammal arányos módon torzítja a cső rezgését. A cső két pontján lévő érzékelők érzékelik ezt a fáziseltolódást, és tömegleolvasássá alakítják át. A mérés fizikája nem függ a folyadék sűrűségétől, hőmérsékletétől, nyomásától vagy áramlási profiljától, ez teszi a technológiát eleve tömegalapúvá.

Ugyanez az oszcillációs frekvencia a cső belsejében lévő tömeget is feltárja, ami melléktermékként folyamatos sűrűségű kimenetet ad a mérőnek. Ez a sűrűségkimenet gyakran néhány tized százalék pontosságú, és önmagában is felhasználható koncentráció-figyelésre, termékváltozás kimutatására, vagy a mért tömegáram térfogatárammá alakítására vonali körülmények között.

Erősségek és korlátok a gyakorlatban

A Coriolis mérők erősségei magyarázzák széleskörű alkalmazásukat az őrzési átvitelben és a kritikus folyamatok szolgáltatásában: nincsenek mozgó alkatrészek, nincs szükség az upstream vagy downstream egyenes lefutásra, széles lefutási arány, és a jól alkalmazott ipari mérőórák tipikus 0,1-0,2 százalékos pontossága. Folyadékokkal, iszapokkal és sűrű gázokkal egyaránt otthon vannak.

A korlátozások kevésbé a mérésre, hanem inkább az alkalmazásra vonatkoznak: a Coriolis mérő nyomásesést okoz, mivel az áramlást egy korlátozáson keresztül kényszerítik; a költségek meredeken emelkednek a vonal méretével; és a mérőtestet megfelelően alá kell támasztani, hogy elkerüljük a külső rezgés átvitelét a mérésbe. A magas hőmérsékletű szolgáltatásoknál az áramlási cső anyagának és elektronikájának gondos specifikációja szükséges.

AC sorozatú Coriolis tömegáramlásmérő közvetlen tömeg- és sűrűségméréshez Ez a Coriolis mérő valódi tömegáramot, sűrűséget és hőmérsékletet biztosít egyetlen műszerről, így alkalmas vegyszeradagolásra és folyamatszabályozásra ott, ahol a sűrűségre vonatkozó feltételezések meghiúsulnak. Termék megtekintése →

A VNER AC sorozatú Coriolis tömegárammérője jól szemlélteti ennek a technológiának a praktikus formáját a modern üzemekben. Valódi tömeg-, sűrűség- és hőmérséklet-leolvasást biztosít egyetlen műszerről, és általában olyan vegyi adagolási, folyamatszabályozási és üzemanyag-mérési alkalmazásokhoz használják, ahol a sűrűségfeltevés téves. A mérési elv részletesebb magyarázata itt érhető el cikk a Coriolis tömegárammérők működéséről .

A cikk elején leírt gőzvezeték-eltérésekkel foglalkozó mérnök számára a Coriolis-mérő a forrásnál kiküszöböli a problémát: nem feltételezünk sűrűséget, mert nincs szükség a tömegszámításhoz. Ha később térfogati számra van szükség a jelentéshez, a mérő sűrűségkimenete végrehajtja a fordított konverziót. Egy műszer lefedi a tömeg-térfogat viszony mindkét irányát.

Térfogatmérés hőmérséklet- és nyomáskompenzációval

A Coriolis-mérők sok alkalmazásnál gazdaságilag indokoltak, de nem minden esetben. Nagy vízvezetékhez, kiterjedt légelosztó hálózathoz, vagy néhány százalékos pontosságú folyamathoz nincs szükség az alternatívánál sokszorosan drágább tömegmérőre. Ezekben a szolgáltatásokban a térfogatmérő és a sűrűségszámítás a hagyományos megoldás.

A koncepció egyszerű: a mérő méri a térfogatot, két vagy három távadó méri a tényleges nyomást és hőmérsékletet a mérőnél, egy áramlási számítógép vagy vezérlőrendszer pedig ezekből az értékekből számítja ki a sűrűséget. Gáz esetében a számítás a következő:

ṁ = Q × P × M / (Z × R × T)

a mérő helyén mért és abszolút mértékegységekre átszámított P-vel és T-vel. Gőz esetén a sűrűséget egy gőztáblázatos összetétel adja, amely telített gőz esetén a mért nyomást, túlhevített gőz esetén pedig nyomást és hőmérsékletet használ.

Mennyire jó ez a megközelítés? Jól karbantartott örvény- vagy örvénymérővel, 0,5 százaléknál jobbra kalibrált nyomástávadóval, egy kelvin alatti hibával rendelkező hőmérsékletszondával és állandó folyadékösszetétellel a kapott tömegáramlási bizonytalanság jellemzően a leolvasott érték 1,5-3 százaléka. Ez megfelelő a belső hatékonyságfigyeléshez, a folyamategységek közötti allokációhoz és a legtöbb szabályozási jelentéshez. Nem megfelelő a fiskális letéti átruházáshoz, ahol általában 0,5 százalék körüli bizonytalanságra van szükség.

A feltételezések számítanak. A folyadéknak egyfázisúnak és homogénnek kell lennie: a nedves gőz teljesen megszakítja a sűrűségszámítást. A számítás során használt nyomásnak a térfogati elem nyomásának kell lennie, nem pedig egy 50 méterrel az áramlásirányban egy szabályozószelep melletti leágazási ponton. A hőmérséklet-érzékelőt a megfelelő mélységig kell behelyezni. Az összetételt pedig ellenőrizni kell, mert az M moláris tömeg közvetlenül megjelenik a sűrűségképletben.

SA80T-TP sorozatú örvénylő áramlásmérő integrált kompenzációval Ez az örvénylő áramlásmérő hőmérséklet- és nyomásérzékelőket integrál egyetlen testbe, lehetővé téve a valós idejű sűrűségkompenzációt a kimenő tömegáramhoz a gőz- és sűrítettgáz-energia mérési alkalmazásokban. Termék megtekintése →

A VNER az SA80TTP sorozatú, hőmérséklet-nyomás-kompenzált örvényáram-mérőjével az integrációs kihívást választja. Az örvénymérő a térfogatáramot egy örvény precesszióján keresztül méri, az SA80TTP változat pedig egy integrált nyomáscsonkot és egy hőmérséklet-érzékelőt ad ugyanabban a testben, így a kompenzáció számítása a mérési pont aktuális folyamatkörülményeit használja. Az egyik műszer a vezetékbe csatlakozik, és kompenzált tömegáramot ad le a külön szerelt távadók és impulzusvezetékek szokásos foltozása nélkül. Az olyan szolgáltatásokban, mint a telített gőzelosztás és a sűrítettgáz-hálózatok, ez a típusú mérő az üzemi energiaelszámolás munkagépévé vált.

Hogyan válasszunk: közvetlen tömeg vagy kompenzált térfogat

A tömeg közvetlen mérése és a térfogat kompenzációval történő mérése közötti választás egy kis kérdéscsoportra redukálódik. A vásárlás előtti megválaszolással elkerülhető a két leggyakoribb specifikációs hiba: tömegmérő vásárlása olyan szolgáltatáshoz, amelyiknek nincs rá szüksége, és sima térfogatmérő vásárlása olyan szolgáltatáshoz, amelyiknek szüksége van rá.

1. Mi a folyadék, és mennyit változhat a sűrűsége a működési burokban? Stabil hőmérsékletű víz: közel nulla kockázat. Telített gőz 3-10 bar nyomáson: óriási.
2. Milyen pontosságot követel meg valójában az alkalmazás? A kazán égéslevegő-ellenőrzőjének 5 százalékos tűréshatára eltér a termékterhelés 0,3 százalékos követelményétől.
3. Mi a tévedés következménye? A torz jelentések és az eredménytelenség egy dolog; az alulméretezett segélyszámítás vagy az elutasított felügyeleti átruházás más.
4. Mi a teljes tulajdonlási költség, beleértve a nyomásveszteséget, a kalibrálást és a karbantartást, nem csak a vételárat?

Két további kritérium tartozik a specifikációs folyamathoz. Először is, a kalibrációs képesség: a tömegmérő csak annyira jó, mint amennyire hitelesítették. Másodszor, mérnöki támogatás: az a szállító, aki a tényleges folyamatadatok alapján méretezi a műszereket, nem pedig egy katalógustáblázat alapján, lényegesen nagyobb valószínűséggel szállít olyan mérőt, amely megfelel a megadott pontosságnak üzem közben. A VNER ismerteti a mérnöki alapú méretezési megközelítését Az oldalról , és a gyakorlati érték olyan részletekben jelenik meg, mint a megfelelő áramlási szakasz kiválasztása, az alacsony áramlási határérték beállítása és a megfelelő sűrűségmodell megadása a kompenzációs számításhoz.

Kidolgozott példák: Volumen konvertálása tömeggé a valós szolgáltatásokban

Numerikus példák rögzítik a fogalmakat. Az alábbi három eset az üzemi gyakorlatban a leggyakoribb átalakítási feladatokat mutatja be.

Telített gőz

Egy telített gőzvezetéken lévő örvénymérő 8000 m-t mutat ³ /h 7 bar abszolút nyomáson. A telítési hőmérséklet körülbelül 165 °C, a gőzasztal sűrűsége pedig 3,67 kg/m ³ . A tömegáram 8000 × 3,67 = 29 360 kg/h. Ha a növény 2,16 kg/m fix sűrűséget tartott volna ³ egy korábbi 4 bar üzemi pontból a számított tömegáram 17 280 kg/h lenne, ami 41 százalékkal alulbecsüli a valós tömeget. Az erre a számra épített gőzegyensúly hatalmas, lehetetlen veszteséget mutatna.

Földgáz megemelt nyomáson

A DN100 méteres távon 20 bar abszolút nyomáson és 25 °C-on szállítják a földgázt. Az átlagos sebesség 10 m/s. A keresztmetszeti terület π × (0,1)² / 4 = 0,00785 m², tehát a térfogatáram 10 × 0,00785 × 3600 = 283 m ³ /h. 17,2 kg/kmol moláris tömeggel, 20 bar nyomáson és 25 °C-on 0,92 Z összenyomhatósági tényezővel és 8,314 J/(kmol·K) univerzális gázállandóval a sűrűség (20 × 10⁵ × 17,2) / (0,92 × 8,314 × 17,2) / (0,92 × 8,314 × 1,5) 2,1 kg ³ . A tömegáram 283 × 15,1 = 4273 kg/h. Normál köbméterben ez 4273 / 0,72 ≈ 5900 Nm ³ /h. Az elkerülendő hiba, hogy a tényleges térfogatot megszorozzuk a normál sűrűséggel: 283 × 0,72 = 204 kg/h, ami több mint 95 százalékos hiba.

Folyékony szénhidrogén meleg hőmérsékleten

Egy turbinamérő 120 m ³ /h gázolaj 35 °C-on. A sűrűség 15 °C-on 840 kg/m ³ ; 35 °C-on körülbelül 824 kg/m ³ . A valódi tömegáram 120 × 824 = 98 880 kg/h. A rögzített 15 °C-os sűrűség használata 100 800 kg/h-t adna, ami 1,9 százalékos túlzás. Több mint 10 000 tonna havi átutalás, azaz nagyjából 190 tonna számlázási hiba egyik vagy másik irányba, attól függően, hogy a kereskedelmi szerződés milyen sűrűséget ír elő.

Gyakori buktatók, amelyek az ellenőrzések és a hibaelhárítás során jelentkeznek

Az évek óta tartó üzemi auditok ugyanazokat az átalakítási hibákat tárják fel a telephelyeken. Ha egyszer felismeri őket, könnyű megelőzni őket.

• Rögzített sűrűség, amelyet az üzembe helyezéskor programoztak, és soha nem vizsgálták újra. A gőz- és gázszolgáltatások leggyakoribb hibaforrása. Az üzemi nyomás felfelé kúszik, a folyadék sűrűsége követi, és a tömegleolvasás a régi értékhez kötődik.
• Mérőnyomás, ahol abszolút nyomásra van szükség. A sűrűségegyenlet abszolút nyomásra épül. A 7 bar-os eljárásban a túlnyomás alkalmazása nagyjából 14 százalékkal túlértékeli a sűrűséget, mivel hiányzik a légköri alapvonal.
• A referenciafeltételek keverednek a jelentésekben. A normál köbméterek (0 °C, 1,01325 bar) és a normál köbméterek (15 °C vagy 20 °C) hasonlónak tűnnek a DCS-címkén, de a köztük lévő különbség körülbelül 5 tömegszázalék azonos számérték mellett.
• Rossz helyen mért nyomás. Ha a távadó egy vezérlőszelep vagy egy szűrő után van, a sűrűségszámítás olyan nyomást használ, amely nem képviseli a mérőelemnél lévő folyadékot.
• A kompozíció eltolódása figyelmen kívül hagyva. A biogáz, a rothasztógáz és a finomítói fűtőgáz összetétele idővel megváltozik. A sűrűségszámításban rögzített moláris tömeg csendben torzítja a tömegáramot.
• Telített gőzként kezelt nedves gőz. A 90 százalékos minőségű gőz nagyjából 10 százalékkal kisebb sűrűségű, mint a tiszta telített gőz azonos nyomáson. A tiszta gőz táblázat értékének használata körülbelül 10 százalékkal túlértékeli a tömegáramot.
• A Z összenyomhatósági tényezőt emelt nyomáson kihagytuk. 60 bar nyomáson a legtöbb szénhidrogén gáz Z értéke 0,85 és 0,92 között van. Ha Z 1-gyel egyenlő, akkor a hiba 8-15 százaléka hozzáadódik minden más számításhoz.

Mindegyik buktatónak van egy közös gyökere: a számítást felállító mérnök feltételezte, hogy a sűrűség nem változik. A javítás az, hogy a sűrűséget élő változóként kezeljük, és rendszeresen ellenőrizzük.

A gyakorlatban bevált módszer a megfelelő átalakításhoz

Alakítsa át ezeket a fogalmakat megismételhető munkafolyamattá. A következő sorozatot több tucat üzemben tesztelték az üzembe helyezési, hibaelhárítási és auditálási munkák során.

1. Határozza meg, hogy a műszer valójában mit ad ki. Olvassa el a mérőcímkét, a kézikönyvet és a DCS konfigurációt. Egyes mérőórák "áramlás" feliratú kimeneti térfogat; mások kimeneti tömege; néhány kimenet mindkettőt. Mielőtt bármilyen matematikát végezne, erősítse meg.
2. Határozza meg a folyadék állapotát a mérőnél. Jegyezze fel a hőmérsékletet, az abszolút nyomást a mérőelemnél, a fázist és az összetételt az ellenőrzés időpontjában.
3. Válasszon a folyadéknak megfelelő sűrűségforrást. Stabil hőmérsékletű folyadékhoz elegendő egy sűrűségi táblázat. Gáz esetén használja az állapotegyenletet reális Z-tényezővel. Gőzhöz használjon jóváhagyott gőztáblázatos készítményt mért nyomással vagy hőmérséklettel.
4. Konvertálás és keresztellenőrzés. Megszorozzuk a térfogatáramot a kiválasztott sűrűséggel, hogy megkapjuk a tömegáramot. Ha lehetséges, hasonlítsa össze az eredményt egy növényi szintű tömegmérleggel, egy mérleggel vagy egy másik, eltérő elven működő műszerrel.
5. Automatizálja az átalakítást. A táblázatokban a kézi átalakítások átírási hibákat okoznak, és ritkán ismétlődnek a megfelelő gyakorisággal. Helyezze be a sűrűségszámítást az áramlási számítógépbe vagy a DCS-be élő nyomás és hőmérséklet bemenetekkel.
6. Jelentse az egységben az üzleti igényeket. Tömeg az anyagmérleghez, normál térfogat a gázszerződésekhez, tényleges térfogat a vezetékkapacitáshoz. Adja meg a referenciafeltételt a szám mellett!
7. Időközönként ellenőrizze újra. Kalibrálja a nyomás- és hőmérséklet-távadókat ugyanabban az ütemezésben, mint magát az áramlásmérőt. A kompenzált volumetrikus rendszer csak annyira pontos, amennyire a legkevésbé pontos bemenete.

Stabil sűrűségű, mérsékelt pontosságú folyadék esetén a 3. és 4. lépés percekig tart. Változó feltételekkel rendelkező gáz- vagy gőzhálózat esetén ugyanezek a lépések indokolják a kompenzációs hardverbe vagy a sűrűségproblémát teljesen megszüntető közvetlen tömegmérőbe való befektetést.

Térjen vissza még egyszer a gőzvezeték két méteréhez. Az üzem háromféleképpen kezelhette volna ezt az eltérést: újrakalibrálja az örvénymérőt, és ismét adja meg a rögzített sűrűségét, ami egy rövid távú folt; szereljen fel nyomás- és hőmérséklet-kompenzációt a térfogatmérőre, amely tartós megoldás a minőségi pontosság ellenőrzésére; vagy cserélje ki Coriolis tömegmérőre, amely a végleges megoldás, ha a tömegpontosság kritikus. Mindhárom jogos mérnöki válasz. A helyes választás a mérés céljától függ.

Ez a cikk központi gondolata. A tömegáramról térfogatáramra való átalakítás egy szorzás, a fordítottja pedig egy osztás. A nehézség nem az aritmetika; ez a sűrűség. Az a folyamatmérnök, aki ismeri a tényleges sűrűséget a mérőnél, aki érti, hogy a nyomás, a hőmérséklet és az összetétel hogyan mozgatja ezt a sűrűséget, és aki olyan műszert választott, amely vagy közvetlenül méri a tömeget, vagy szolgáltatja az adatokat a rekonstrukcióhoz, megbízható számokat fog készíteni nap mint nap. A ma kapható műszerek kiváló diagnosztikával rendelkeznek, de nem tudják kompenzálni azt a koncepciót, amely a konfigurálás napján hibás volt.

A VNER mindkét műszercsaládot gyártja, az AC sorozatú Coriolis tömegáram-mérőktől a kompenzált örvény- és örvénymérőkig, és mérnökei rutinszerűen segítenek az EPC-vállalkozóknak, az üzemek üzemeltetőinek és az OEM-eknek eldönteni, hogy melyik megközelítés illik egy adott folyamathoz. A döntés, ahogy kell, az üzemre vonatkozó egyetlen kérdéssel kezdődik: mit kell tudnia ennek a folyamatnak, tömeget vagy térfogatot?