Tốc độ dòng khối thành tốc độ dòng thể tích: Hướng dẫn chuyển đổi dành cho kỹ sư

Một cơ sở hóa dầu ở miền đông Trung Quốc vận hành nối tiếp hai đồng hồ đo lưu lượng trên cùng một ống góp hơi bão hòa: một đồng hồ đo dòng xoáy ở hạ lưu và một đồng hồ đo lưu lượng khối Coriolis ở thượng nguồn. Trong suốt một tháng, các công cụ theo dõi nhau trong khoảng 2%. Sau đó, nhà máy thay đổi tải hơi, áp suất đầu giảm gần 4 bar trong một ngày cuối tuần và hai số liệu chênh lệch nhau 11%. Máy đo dòng xoáy, một thiết bị đo thể tích, đang áp dụng mật độ cố định đã được lập trình khi đưa vào vận hành. Máy đo Coriolis đang đo khối lượng một cách trực tiếp. Cả hai máy đo đều không bị lỗi. Lỗi mang tính khái niệm: nhà máy đã xử lý số đọc thể tích như thể nó là số đọc khối lượng mà không kiểm tra lại mật độ.

Mọi kỹ sư từng làm việc với thiết bị đo lưu lượng đều gặp phải một số dạng của vấn đề này. Mối quan hệ giữa tốc độ dòng khối và tốc độ dòng thể tích có vẻ đơn giản: một phương trình, một giá trị mật độ. Nhưng mật độ hiếm khi đúng như những gì bảng tên nói. Việc chuyển đổi sai sẽ làm sai lệch cân bằng vật chất, làm suy yếu việc tính toán năng lượng và hơi nước, lãng phí năng lượng và trong những trường hợp cực đoan có thể đẩy một quy trình tới trạng thái vận hành không an toàn.

Bài viết này giải thích ý nghĩa thực sự của mỗi tốc độ dòng chảy, cách chuyển đổi giữa chúng, điều gì xảy ra với mật độ trong các điều kiện quy trình thực tế, công nghệ dụng cụ nào đo khối lượng trực tiếp và công cụ nào đo thể tích thay thế cũng như cách đưa ra lựa chọn phù hợp cho dịch vụ của bạn. Kết luận trước mắt: dòng khối là đại lượng được bảo toàn về mặt vật lý mà tính kinh tế và an toàn của quá trình được xây dựng trên đó; dòng thể tích là một đại diện thuận tiện chỉ đáng tin cậy khi mật độ được biết, ổn định và được áp dụng chính xác.

Tốc độ dòng khối và tốc độ dòng thể tích: Mỗi số lượng thực sự cho bạn biết điều gì

Tốc độ dòng khối là khối lượng chất lỏng đi qua một mặt cắt nhất định trong một đơn vị thời gian. Trong thực tế công nghiệp, nó được biểu thị bằng kilôgam trên giờ, tấn trên giờ hoặc pound trên phút. Khối lượng được bảo toàn trong bất kỳ quá trình thông thường nào: nó không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy bởi những thay đổi về áp suất, nhiệt độ hoặc pha. Nếu một quy trình dường như đang giảm hoặc tăng khối lượng, thì điều bạn thực sự đang thấy là sự thay đổi về lượng tồn kho chứ không phải sự thay đổi về số khối.

Tốc độ dòng thể tích là thể tích chất lỏng đi qua một mặt cắt ngang trên một đơn vị thời gian, tính bằng mét khối trên giờ hoặc lít trên phút. Khối lượng không được bảo toàn. Cùng một kg khí chiếm một mét khối ở áp suất khí quyển chiếm một phần thể tích đó ở áp suất cao hơn. Một máy bơm cung cấp thể tích không đổi trên mỗi vòng quay sẽ cung cấp tốc độ dòng khối rất khác nhau tùy thuộc vào mật độ của chất lỏng đi vào nó.

Hậu quả thực tế rất đơn giản và thường bị bỏ qua: khi câu hỏi về quy trình được đặt ra là “có bao nhiêu nguyên liệu được sản xuất, tiêu thụ hoặc chuyển giao”, thì câu trả lời thuộc về đại chúng. Khi câu hỏi là "bình này đổ đầy nhanh như thế nào" hoặc "dòng chảy trong ống nước này là bao nhiêu", cơ sở thể tích là điều tự nhiên và phù hợp. Việc nhầm lẫn cả hai không phải là vấn đề về đơn vị; đó là một vấn đề về ý nghĩa.

Hai đại lượng được kết nối bởi mật độ. Để thu được lưu lượng khối từ lưu lượng thể tích, hãy nhân với mật độ của chất lỏng ở điều kiện vận hành của đồng hồ. Để thu được lưu lượng thể tích từ lưu lượng khối, hãy chia cho cùng mật độ đó. Số học là tầm thường. Vấn đề kỹ thuật là xác định giá trị mật độ nào sẽ sử dụng và đó là nơi bắt đầu của hầu hết các lỗi trong thế giới thực.

Công thức chuyển đổi: Một phương trình, một lần bắt

Trong đó ṁ là tốc độ dòng khối, Q là tốc độ dòng thể tích và ρ là mật độ chất lỏng, mối quan hệ là:

ṁ = Q × ρ , và do đó Q = ṁ / ρ

Trước tiên hãy làm việc với một ví dụ về chất lỏng. Nước ở 20°C có mật độ xấp xỉ 998 kg/m ³ . Một dây dài 20m ³ /h nước do đó mang 20 × 998 = 19.960 kg/h, hay gần 20 tấn mỗi giờ. Vì mật độ nước thay đổi chậm theo nhiệt độ nên sự chuyển đổi này vẫn có giá trị trong nhiều năm khi nhiệt độ ổn định.

Bây giờ lấy một ví dụ về khí. Không khí ở 25°C và áp suất khí quyển có mật độ khoảng 1,18 kg/m3 ³ . Hai mươi mét khối một giờ của không khí đó chỉ tương đương với khoảng 24 kg/h. Nén cùng một không khí đến 6 bar tuyệt đối và mật độ tăng lên khoảng 7,1 kg/m3 ³ ; cùng một lưu lượng thể tích hiện nay là khoảng 142 kg/h. Số lượng không thay đổi, nhưng khối lượng vận chuyển tăng gấp sáu lần. Bất kỳ ai chuyển đổi điều kiện đầu tiên sang mật độ thứ hai hoặc ngược lại sẽ bị sai lệch hàng trăm phần trăm.

Đó là điểm hấp dẫn trong tiêu đề của phần này: hệ số chuyển đổi bản thân nó là một biến. Đối với chất lỏng nó thay đổi chậm. Đối với chất khí, nó thay đổi theo mọi thay đổi về áp suất và nhiệt độ. Đối với hơi nước, nó có thể thay đổi đáng kể trong phạm vi áp suất khiêm tốn.

Có một nhược điểm thứ hai liên quan đến các quy ước báo cáo. Trong thực tế về khí tự nhiên và khí nén, lưu lượng thường được biểu thị bằng mét khối thông thường trên giờ (Nm ³ /h) hoặc mét khối tiêu chuẩn trên giờ (Sm ³ /h). Đây không phải là tốc độ dòng thể tích thực sự ở điều kiện đường dây. Chúng là tốc độ dòng khối được biểu thị bằng thể tích mà khí sẽ chiếm ở điều kiện tham chiếu cố định: 0 °C và 1,01325 bar đối với mét khối thông thường, hoặc 15 °C hoặc 20 °C ở cùng áp suất đối với mét khối tiêu chuẩn. Một con số được báo cáo là 10.000 Nm ³ /h là lưu lượng khối lượng khoảng 7.500 kg/h đối với thành phần khí tự nhiên điển hình, bất kể áp suất thực tế trong đường ống. Do đó, việc chuyển đổi giữa thể tích thực, thể tích bình thường và khối lượng yêu cầu phải nêu chính xác cả điều kiện tham chiếu và điều kiện vận hành thực tế.

Mật độ: Cây cầu di chuyển

Mật độ là khối lượng trên một đơn vị thể tích. Hoạt động của nó trong các điều kiện xử lý sẽ xác định mức độ lỗi mà bạn gặp phải khi sử dụng số đo thể tích làm giá trị thay thế cho khối lượng. Các họ chất lỏng khác nhau hoạt động rất khác nhau và sự khác biệt đó thúc đẩy toàn bộ logic lựa chọn thiết bị được mô tả ở phần sau của bài viết này.

Chất lỏng gần như không thể nén được nhưng lại giãn nở vì nhiệt. Nước mất khoảng 0,03 phần trăm mật độ của nó trên mỗi độ C trong khoảng 10 đến 60 °C; toàn bộ khoảng nhiệt độ từ 10 °C đến 50 °C sẽ thay đổi mật độ khoảng 1,2%. Điều đó nghe có vẻ nhỏ, và thường là như vậy. Nhưng trong 1.000 m ³ /h đường nước, sai số mật độ 1,2 phần trăm là sai số ẩn 12 tấn/giờ. Hydrocarbon giãn nở nhiều hơn: dầu diesel nhẹ thay đổi mật độ hơn 2% một chút trong khoảng từ 15 °C đến 40 °C. Đối với việc chuyển giao quyền giám sát nhiên liệu lỏng, sai số 2 phần trăm hoàn toàn là trọng yếu, đó là lý do tại sao mật độ được đo chứ không phải giả định trong các phiếu đo đếm.

Các chất khí hoạt động theo định luật khí lý tưởng theo giá trị gần đúng đầu tiên: ρ = P × M / (R × T), trong đó P là áp suất tuyệt đối, T là nhiệt độ tuyệt đối, M là khối lượng mol và R là hằng số khí phổ quát. Tăng gấp đôi áp suất tuyệt đối thì mật độ tăng gấp đôi. Tăng nhiệt độ tuyệt đối từ 280 K lên 320 K sẽ làm giảm mật độ 12,5%. Một chất khí thực lệch khỏi định luật lý tưởng và độ lệch đó được tính bằng hệ số nén Z, nhưng kết luận định tính vẫn không thay đổi: mật độ khí thay đổi rất nhiều bất cứ khi nào áp suất hoặc nhiệt độ thay đổi.

Steam là một trường hợp đặc biệt. Mật độ hơi bão hòa là một hàm dốc của áp suất. Giữa 5 bar tuyệt đối và 10 bar tuyệt đối, mật độ hơi bão hòa gần gấp đôi, từ khoảng 2,67 lên khoảng 5,15 kg/m3 ³ . Đồng hồ đo thể tích hơi nước được hiệu chỉnh ở điều kiện thấp hơn sẽ giảm lưu lượng khối gần 50% khi đến điều kiện cao hơn.

Mô hình này nhất quán. Đối với chất lỏng, mật độ cố định có thể được chấp nhận trong cửa sổ nhiệt độ hẹp. Đối với khí và hơi nước, điều đó hầu như không bao giờ xảy ra.

Tại sao các quy trình công nghiệp được xây dựng trên dòng chảy lớn

Nếu bạn kiểm tra các tính toán kỹ thuật hỗ trợ một nhà máy xử lý điển hình, gần như tất cả chúng đều dựa trên khối lượng. Ngoại lệ là một số ít ứng dụng, được thảo luận trong phần tiếp theo, trong đó khối lượng là đơn vị thương mại tự nhiên. Hiểu được lý do tại sao khối lượng chi phối phép đo lưu lượng giải thích tại sao việc lựa chọn thiết bị thường là quyết định đo khối lượng trực tiếp hoặc xây dựng lại khối lượng từ thể tích.

Sự đốt cháy và giải phóng năng lượng là những ví dụ rõ ràng nhất. Nồi hơi, lò đốt hoặc tua-bin khí cần có tỷ lệ không khí-nhiên liệu được kiểm soát và tỷ lệ đó là tỷ lệ khối lượng chứ không phải thể tích. Một sự thay đổi về áp suất khí nhiên liệu mà không được chú ý sẽ làm thay đổi khối lượng nhiên liệu được cung cấp cho cùng một chỉ số thể tích, làm thay đổi phép cân bằng hóa học, thay đổi nhiệt độ ngọn lửa, tăng lượng khí thải và giảm hiệu suất. Những người vận hành chỉ theo dõi lưu lượng thể tích của không khí đốt và nhiên liệu sẽ không nhận ra những thay đổi này.

Hệ thống hơi nước phân phối năng lượng và năng lượng trong hơi nước được mang theo bởi khối lượng của nó. Một tấn hơi bão hòa mỗi giờ ở áp suất 8 bar giải phóng khoảng 2/3 megawatt nhiệt hữu ích trong quá trình khi nó ngưng tụ. Do đó, sai số 10 phần trăm trong việc đọc lưu lượng khối hơi là sai số 10 phần trăm trong cân bằng năng lượng của nhà máy, sai số này sẽ xuất hiện như một khoảng cách không thể giải thích được trong các báo cáo hiệu suất lò hơi hoặc trong cân bằng thu hồi nước ngưng.

Phép cân bằng hóa học phản ứng hóa học đưa ra lý do thứ ba. Nguồn cấp cho lò phản ứng được tạo thành từ hai dòng riêng biệt được trộn theo tỷ lệ mol. Số mol là khối lượng chia cho trọng lượng phân tử. Nếu hệ thống cấp liệu đo lường một thành phần theo thể tích và mật độ trôi đi, tỷ lệ mol thay đổi và lò phản ứng có thể tạo ra sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, lãng phí chất xúc tác đắt tiền hoặc tạo ra các phản ứng phụ nguy hiểm.

Cân bằng vật chất, tính toán lợi nhuận và kiểm soát tổn thất cũng đòi hỏi khối lượng. Một nhà máy đóng số dư khối lượng hàng tháng sử dụng tổng số để phát hiện rò rỉ, trộm cắp, rối loạn quy trình và lỗi kế toán. Những cân bằng đó điều hòa khối lượng chứ không phải thể tích, vì chỉ có khối lượng được bảo toàn. Giá trị thể tích được đưa vào cân mà không có mật độ hợp lệ sẽ tạo ra mức tăng hoặc giảm ảo khiến mất nhiều ngày điều tra.

Cuối cùng, hệ thống an toàn có quy mô lớn. Van giảm áp và đầu đốt phải xử lý lưu lượng lớn mà kịch bản đáng tin cậy nhất có thể tạo ra. Định cỡ các thiết bị hỗ trợ từ các số đo thể tích mà không có mật độ chính xác là con đường nhanh chóng dẫn đến hệ thống hỗ trợ có kích thước thấp và là lỗ hổng nghiêm trọng trong các lớp bảo vệ của cơ sở.

Khi lưu lượng thể tích là phép đo phù hợp

Lưu lượng lớn không phải lúc nào cũng là số lượng bạn cần. Việc nhận biết các ứng dụng đo thể tích hợp pháp sẽ ngăn chặn việc chi tiêu quá mức cho các thiết bị đo đại chúng và giữ cho kỹ thuật luôn trung thực.

Mạng lưới nước và nước thải là loại lớn nhất. Hệ thống phân phối được tính phí theo thể tích, kích thước bể chứa theo thể tích và đường cong bơm được công bố dựa trên thể tích. Sự thay đổi mật độ nước trong phạm vi hoạt động bình thường đủ nhỏ để có thể bỏ qua đối với tất cả các trường hợp cân bằng khối lượng nghiêm ngặt nhất. Nước thành phố, nước làm mát và đường nước thải được phục vụ tốt bằng đồng hồ điện từ hoặc siêu âm đọc trực tiếp về thể tích.

Đổ đầy và định lượng hàng loạt là loại thứ hai. Khi mục tiêu là đổ đầy bình đến một mức nhất định hoặc cung cấp một thể tích chất lỏng xác định cho lò phản ứng thì việc đọc thể tích chính là mục tiêu của quy trình. Khối lượng của mẻ có thể được tính toán sau đó từ mật độ của hỗn hợp đã chuẩn bị.

Loại thứ ba là dòng khí trong dịch vụ nơi áp suất và nhiệt độ được kiểm soát. Hệ thống khí nén hoạt động từ một máy thu ở áp suất được điều chỉnh có mật độ gần như không đổi trong nhiều giờ mỗi lần. Đồng hồ đo tuabin hoặc đồng hồ đo xoáy có giá trị mật độ điểm đặt duy nhất có thể cung cấp thông tin giám sát hoàn toàn đầy đủ cho mạng máy nén khí.

Đồng hồ đo lưu lượng tuabin khí dòng LWQ cho dòng khí khô ổn định Được thiết kế cho các loại khí khô, sạch trong điều kiện ổn định, đồng hồ tuabin này cung cấp các chỉ số thể tích có thể lặp lại với tổn thất áp suất thấp và hỗ trợ lưu lượng bù khi kết hợp với cảm biến nhiệt độ và áp suất. Xem sản phẩm →

Đối với dòng khí khô, sạch ở điều kiện ổn định, đồng hồ đo lưu lượng tuabin khí LWQ của VNER chứng tỏ giá trị của việc duy trì phép đo đơn giản: tổn thất áp suất thấp, số đọc thể tích có thể lặp lại và bảo trì tối thiểu. Khi quy trình đảm bảo áp suất và nhiệt độ ổn định, một giá trị mật độ duy nhất được áp dụng trong hệ thống điều khiển sẽ chuyển đổi số đọc thể tích đó thành khối lượng với độ chính xác chấp nhận được cho mục đích giám sát. Cụm từ chính là "điều kiện ổn định." Thời điểm áp suất cung cấp khí thay đổi, việc chuyển đổi mật độ đơn sẽ không còn hiệu lực.

Đo khối lượng trực tiếp bằng máy đo lưu lượng Coriolis

Khi chi phí của sai số mật độ cao, giải pháp rõ ràng nhất là đo khối lượng trực tiếp. Đồng hồ đo lưu lượng Coriolis là tiêu chuẩn công nghiệp để đo khối lượng trực tiếp.

Máy đo Coriolis hoạt động như thế nào

Máy đo Coriolis chứa một hoặc hai ống cong hoặc thẳng để chất lỏng chảy qua. Các ống được rung ở tần số tự nhiên bằng bộ điều khiển điện từ. Khi chất lỏng di chuyển qua một ống rung, nó chịu một gia tốc Coriolis, làm biến dạng dao động của ống theo cách tỷ lệ thuận với tốc độ dòng khối. Các cảm biến tại hai điểm trên ống phát hiện sự dịch pha này và chuyển nó thành số đọc khối lượng. Tính chất vật lý của phép đo không phụ thuộc vào mật độ, nhiệt độ, áp suất hoặc đặc tính dòng chảy của chất lỏng, điều này làm cho công nghệ này vốn dựa trên khối lượng.

Tần số dao động tương tự cũng cho thấy khối lượng bên trong ống, tạo cho đồng hồ đo mật độ đầu ra liên tục như một sản phẩm phụ. Kết quả mật độ này thường chính xác đến vài phần mười phần trăm và bản thân nó có thể được sử dụng để theo dõi nồng độ, phát hiện sự thay đổi của sản phẩm hoặc để chuyển đổi lưu lượng khối lượng đo được thành lưu lượng thể tích ở điều kiện đường dây.

Điểm mạnh và hạn chế trong thực tế

Điểm mạnh của đồng hồ đo Coriolis giải thích việc sử dụng rộng rãi chúng trong dịch vụ chuyển giao quyền giám sát và quy trình quan trọng: không có bộ phận chuyển động, không yêu cầu chạy thẳng ngược dòng hoặc xuôi dòng, tỷ lệ quay vòng rộng và độ chính xác điển hình từ 0,1 đến 0,2% tốc độ trong các đồng hồ đo công nghiệp được áp dụng tốt. Chúng đều thoải mái như nhau với chất lỏng, chất bùn và chất khí đậm đặc.

Các hạn chế ít hơn về phép đo mà nhiều hơn về ứng dụng: máy đo Coriolis gây ra hiện tượng giảm áp suất do dòng chảy bị ép phải đi qua một hạn chế; chi phí tăng mạnh theo kích thước đường dây; và thân máy đo phải được đỡ đúng cách để tránh truyền rung động bên ngoài vào phép đo. Trong các dịch vụ nhiệt độ cao, cần phải có thông số kỹ thuật cẩn thận về vật liệu ống dòng và thiết bị điện tử.

Máy đo lưu lượng khối Coriolis dòng AC để đo khối lượng và mật độ trực tiếp Máy đo Coriolis này cung cấp lưu lượng khối lượng, mật độ và nhiệt độ thực sự từ một thiết bị, khiến nó phù hợp cho việc định lượng hóa chất và kiểm soát quy trình khi các giả định về mật độ không thành công. Xem sản phẩm →

Đồng hồ đo lưu lượng khối Coriolis dòng AC của VNER minh họa hình dạng thực tế của công nghệ này trong các nhà máy hiện đại. Nó cung cấp số đọc khối lượng thực, số đọc mật độ và số đọc nhiệt độ từ một thiết bị duy nhất và nó thường được chỉ định cho các ứng dụng định lượng hóa chất, kiểm soát quá trình và đo lường nhiên liệu trong đó giả định mật độ được biết là sai. Giải thích chi tiết hơn về nguyên tắc đo lường có sẵn trong tài liệu này. bài viết về cách thức hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng khối Coriolis .

Đối với kỹ sư đang xử lý sự khác biệt của đường ống hơi nước được mô tả ở đầu bài viết này, máy đo Coriolis sẽ loại bỏ vấn đề ngay tại nguồn: không giả định mật độ nào vì không cần mật độ nào để tính toán khối lượng. Nếu sau này cần số thể tích để báo cáo thì đầu ra mật độ của máy đo sẽ thực hiện chuyển đổi ngược lại. Một công cụ bao gồm cả hai hướng của mối quan hệ khối lượng với khối lượng.

Đo thể tích bằng bù nhiệt độ và áp suất

Máy đo Coriolis phù hợp về mặt kinh tế cho nhiều ứng dụng, nhưng không phải cho tất cả. Một đường nước lớn, mạng lưới phân phối không khí rộng khắp hoặc một quy trình có độ chính xác cần thiết là vài phần trăm không cần một máy đo khối lượng có giá thành cao hơn nhiều lần so với các thiết bị thay thế. Trong các dịch vụ đó, máy đo thể tích cộng với tính toán mật độ là giải pháp thông thường.

Khái niệm này rất đơn giản: đồng hồ đo thể tích, hai hoặc ba máy phát đo áp suất và nhiệt độ thực tế tại đồng hồ và máy tính lưu lượng hoặc hệ thống điều khiển tính toán mật độ từ các giá trị đó. Đối với chất khí, phép tính là:

ṁ = Q × P × M / (Z × R × T)

với P và T được đo tại vị trí của đồng hồ và được chuyển đổi thành đơn vị tuyệt đối. Đối với hơi nước, mật độ xuất phát từ công thức bảng hơi sử dụng áp suất đo được đối với hơi bão hòa hoặc áp suất và nhiệt độ đối với hơi quá nhiệt.

Cách tiếp cận này tốt như thế nào? Với máy đo xoáy hoặc xoáy được bảo trì tốt, bộ truyền áp suất được hiệu chỉnh tốt hơn 0,5% nhịp, đầu dò nhiệt độ có sai số dưới 1 kelvin và thành phần chất lỏng không đổi, độ không đảm bảo đo của lưu lượng khối thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 3 phần trăm số đọc. Điều đó đủ để giám sát hiệu quả nội bộ, phân bổ giữa các đơn vị quy trình và hầu hết các báo cáo theo quy định. Nó không phù hợp cho việc chuyển giao quyền giám hộ tài chính, nơi thường yêu cầu mức độ không chắc chắn ở mức 0,5%.

Các giả định quan trọng. Chất lỏng phải là một pha và đồng nhất: hơi nước ướt sẽ phá vỡ hoàn toàn việc tính toán mật độ. Áp suất được sử dụng trong tính toán phải là áp suất tại phần tử thể tích, không phải tại điểm lấy nước cách van điều khiển 50 mét về phía hạ lưu. Cảm biến nhiệt độ phải được lắp vào đúng độ sâu. Và thành phần phải được xác minh, vì khối lượng mol M xuất hiện trực tiếp trong công thức mật độ.

Đồng hồ đo lưu lượng xoáy dòng SA80T-TP có bù tích hợp Lưu lượng kế dạng xoáy này tích hợp các cảm biến nhiệt độ và áp suất trong một thân máy, cho phép bù mật độ theo thời gian thực cho lưu lượng khối đầu ra trong các ứng dụng đo năng lượng hơi nước và khí nén. Xem sản phẩm →

VNER giải quyết thách thức tích hợp với đồng hồ đo lưu lượng xoáy bù áp suất nhiệt độ dòng SA80TTP. Máy đo độ xoáy đo lưu lượng thể tích thông qua tuế sai của dòng xoáy và biến thể SA80TTP bổ sung cổng áp suất tích hợp và cảm biến nhiệt độ trong cùng một thân máy, do đó, phép tính bù sử dụng các điều kiện quy trình thực tế tại điểm đo. Một thiết bị được lắp vào đường dây và cung cấp đầu ra lưu lượng khối lượng được bù mà không cần sự chắp vá thông thường của các máy phát và đường xung được gắn riêng biệt. Trong các dịch vụ như mạng lưới phân phối hơi bão hòa và khí nén, loại đồng hồ này đã trở thành công cụ đắc lực trong việc tính toán năng lượng của nhà máy.

Cách chọn: Khối lượng trực tiếp hoặc Khối lượng bù

Việc lựa chọn giữa đo khối lượng trực tiếp và đo khối lượng có bù sẽ giảm xuống còn một tập hợp nhỏ các câu hỏi. Việc trả lời chúng trước khi mua sẽ ngăn ngừa hai lỗi thông số kỹ thuật phổ biến nhất: mua máy đo khối lượng cho dịch vụ không cần đến nó và mua máy đo thể tích đơn giản cho dịch vụ có dịch vụ đó.

1. Chất lỏng là gì và mật độ của nó có thể thay đổi bao nhiêu trên đường bao vận hành? Nước ở nhiệt độ ổn định: rủi ro gần như bằng không. Hơi nước bão hòa từ 3 đến 10 bar: rất lớn.
2. Ứng dụng thực sự yêu cầu độ chính xác như thế nào? Dung sai 5 phần trăm đối với thiết bị giám sát không khí đốt của nồi hơi khác với yêu cầu 0,3 phần trăm đối với tải sản phẩm.
3. Hậu quả của việc làm sai là gì? Các báo cáo bị bóp méo và kém hiệu quả là một chuyện; một tính toán cứu trợ chưa đủ quy mô hoặc việc chuyển giao quyền giám hộ bị từ chối là một cách khác.
4. Tổng chi phí sở hữu, bao gồm tổn thất áp suất, hiệu chuẩn và bảo trì, không chỉ giá mua là bao nhiêu?

Hai tiêu chí bổ sung thuộc về quá trình đặc tả. Đầu tiên, khả năng hiệu chuẩn: một máy đo khối lượng chỉ hoạt động tốt khi vòng hiệu chuẩn đã được xác minh. Thứ hai, hỗ trợ kỹ thuật: nhà cung cấp định cỡ thiết bị dựa trên dữ liệu quy trình thực tế, thay vì bảng danh mục, có nhiều khả năng cung cấp đồng hồ đáp ứng độ chính xác đã nêu trong quá trình sử dụng. VNER mô tả phương pháp định cỡ dựa trên kỹ thuật của mình trên Giới thiệu về trang , và giá trị thực tế hiển thị chi tiết như chọn đúng đoạn dòng chảy, thiết lập điểm cắt dòng chảy kiệt và chỉ định mô hình mật độ chính xác cho tính toán bù.

Ví dụ đã thực hiện: Chuyển đổi khối lượng thành khối lượng trong dịch vụ thực

Các ví dụ số củng cố các khái niệm. Ba trường hợp sau đây thể hiện các nhiệm vụ chuyển đổi phổ biến nhất trong thực tế nhà máy.

Hơi nước bão hòa

Máy đo dòng xoáy trên đường hơi bão hòa chỉ số 8.000 m ³ /h ở mức 7 bar tuyệt đối. Nhiệt độ bão hòa xấp xỉ 165 °C và mật độ bàn hơi là 3,67 kg/m3 ³ . Lưu lượng khối lượng là 8.000 × 3,67 = 29.360 kg/h. Nếu cây giữ mật độ cố định là 2,16 kg/m ³ từ điểm vận hành 4 bar trước đó, lưu lượng khối lượng tính toán sẽ là 17.280 kg/h, thấp hơn khối lượng thực 41%. Cân bằng hơi nước được xây dựng dựa trên con số đó sẽ cho thấy một khoản lỗ lớn, không thể xảy ra.

Khí tự nhiên ở áp suất cao

Đồng hồ đo DN100 vận chuyển khí tự nhiên ở áp suất tuyệt đối 20 bar và 25°C. Vận tốc trung bình là 10 m/s. Diện tích mặt cắt ngang là π × (0,1)² / 4 = 0,00785 m2 nên lưu lượng thể tích là 10 × 0,00785 × 3.600 = 283 m ³ /h. Với khối lượng mol 17,2 kg/kmol, hệ số nén Z là 0,92 ở 20 bar và 25 °C và hằng số khí phổ quát 8.314 J/(kmol·K), mật độ là (20 × 10⁵ × 17,2) / (0,92 × 8,314 × 298,15) ≈ 15,1 kg/m ³ . Lưu lượng khối là 283 × 15,1 = 4.273 kg/h. Trong mét khối thông thường, đó là 4.273 / 0,72 ≈ 5.900 Nm ³ /h. Sai lầm cần tránh là nhân thể tích thực với mật độ bình thường: 283 × 0,72 = 204 kg/h, sai số hơn 95%.

Hydrocarbon lỏng ở nhiệt độ ấm

Một đồng hồ tua-bin đo được 120 m ³ /h của dầu diesel ở 35°C. Mật độ ở 15 ° C là 840 kg/m ³ ; ở 35°C nó xấp xỉ 824 kg/m ³ . Lưu lượng khối lượng thực là 120 × 824 = 98,880 kg/h. Sử dụng mật độ cố định 15°C sẽ cho ra 100.800 kg/h, tăng quá 1,9%. Hơn 10.000 tấn chuyển hàng tháng, tức là khoảng 190 tấn sai sót trong thanh toán theo hướng này hay hướng khác tùy thuộc vào mật độ mà hợp đồng thương mại yêu cầu.

Những cạm bẫy phổ biến xuất hiện trong quá trình kiểm tra và khắc phục sự cố

Nhiều năm kiểm tra nhà máy cho thấy các lỗi chuyển đổi tương tự tái diễn trên khắp các cơ sở. Một khi bạn nhận ra chúng, chúng rất dễ ngăn chặn.

• Mật độ cố định được lập trình khi vận hành và không bao giờ được xem lại. Nguồn lỗi thường gặp nhất trong dịch vụ hơi nước và khí đốt. Áp suất vận hành tăng lên, mật độ chất lỏng tăng theo và chỉ số khối lượng vẫn giữ ở giá trị cũ.
• Áp suất đo được sử dụng khi cần áp suất tuyệt đối. Phương trình mật độ được xây dựng trên áp suất tuyệt đối. Việc sử dụng áp suất đo trong quy trình 7 bar sẽ phóng đại mật độ khoảng 14% do thiếu đường cơ sở khí quyển.
• Điều kiện tham chiếu trộn lẫn trong báo cáo. Mét khối thông thường (0 °C, 1,01325 bar) và mét khối tiêu chuẩn (15 °C hoặc 20 °C) trông giống nhau trên thẻ DCS, nhưng sự khác biệt giữa chúng là khoảng 5 phần trăm về khối lượng cho cùng một giá trị số.
• Đo áp suất sai vị trí. Khi máy phát ở phía sau van điều khiển hoặc bộ lọc, việc tính toán mật độ sử dụng áp suất không đại diện cho chất lỏng ở phần tử đồng hồ.
• Sự trôi dạt của thành phần bị bỏ qua. Thành phần khí sinh học, khí phân hủy và khí nhiên liệu lọc dầu thay đổi theo thời gian. Khối lượng mol cố định trong phép tính mật độ sẽ âm thầm làm biến dạng dòng khối.
• Hơi ướt được coi là hơi bão hòa. Hơi nước có chất lượng 90% có mật độ thấp hơn khoảng 10% so với hơi bão hòa nguyên chất ở cùng áp suất. Sử dụng giá trị bảng hơi nước tinh khiết sẽ phóng đại lưu lượng khối lượng khoảng 10%.
• Hệ số nén Z bị bỏ qua ở áp suất cao. Ở áp suất 60 bar, hầu hết các khí hydrocarbon có giá trị Z trong khoảng từ 0,85 đến 0,92. Đặt Z bằng 1 sẽ thêm 8 đến 15 phần trăm sai số so với mọi phép tính khác.

Mỗi cạm bẫy này đều có chung một nguyên nhân: người kỹ sư thiết lập phép tính giả định rằng mật độ không thay đổi. Cách khắc phục là coi mật độ là một biến số trực tiếp và xác minh nó theo định kỳ.

Phương pháp đã được chứng minh tại hiện trường để đạt được quyền chuyển đổi

Chuyển đổi những khái niệm này thành một quy trình làm việc có thể lặp lại. Trình tự sau đây đã được thử nghiệm trong quá trình vận hành thử, xử lý sự cố và kiểm tra tại hàng chục nhà máy.

1. Thiết lập những gì công cụ thực sự xuất ra. Đọc thẻ đồng hồ, sách hướng dẫn và cấu hình DCS. Một số máy đo có nhãn thể tích đầu ra là "dòng chảy"; khối lượng đầu ra khác; một số đầu ra cả. Xác nhận trước khi thực hiện bất kỳ phép toán nào.
2. Xác định trạng thái chất lỏng ở đồng hồ. Ghi lại nhiệt độ, áp suất tuyệt đối tại phần tử đồng hồ, pha và thành phần tại thời điểm kiểm tra.
3. Chọn nguồn có mật độ phù hợp với chất lỏng. Đối với chất lỏng ở nhiệt độ ổn định, bảng mật độ là đủ. Đối với chất khí, sử dụng phương trình trạng thái với hệ số Z thực tế. Đối với hơi nước, sử dụng công thức bàn hấp đã được phê duyệt với áp suất hoặc nhiệt độ đo được.
4. Chuyển đổi và kiểm tra chéo. Nhân lưu lượng thể tích với mật độ đã chọn để thu được lưu lượng khối. Nếu có thể, hãy so sánh kết quả với cân khối lượng ở cấp độ nhà máy, cân nặng hoặc dụng cụ thứ hai có nguyên lý khác.
5. Tự động hóa việc chuyển đổi. Chuyển đổi thủ công trong bảng tính gây ra lỗi sao chép và hiếm khi được lặp lại ở tần suất thích hợp. Đưa phép tính mật độ vào máy tính lưu lượng hoặc DCS với đầu vào nhiệt độ và áp suất trực tiếp.
6. Báo cáo tại đơn vị doanh nghiệp có nhu cầu. Khối lượng cân bằng vật chất, khối lượng bình thường cho hợp đồng khí, khối lượng thực tế cho công suất đường ống. Nêu điều kiện tham chiếu bên cạnh số.
7. Xác minh lại định kỳ. Hiệu chỉnh các bộ truyền áp suất và nhiệt độ theo cùng lịch trình với chính đồng hồ đo lưu lượng. Hệ thống đo thể tích bù chỉ chính xác bằng đầu vào kém chính xác nhất của nó.

Đối với chất lỏng có mật độ ổn định với mục tiêu có độ chính xác khiêm tốn, bước 3 và 4 sẽ mất vài phút. Đối với mạng lưới khí hoặc hơi nước có điều kiện thay đổi, các bước tương tự sẽ biện minh cho việc đầu tư vào phần cứng bù hoặc vào máy đo khối lượng trực tiếp để loại bỏ hoàn toàn vấn đề về mật độ.

Một lần nữa quay trở lại hai mét trên đường hơi nước. Nhà máy có thể xử lý sự khác biệt đó theo ba cách: hiệu chỉnh lại máy đo xoáy và nhập lại mật độ cố định của nó, đây là một bản vá ngắn hạn; lắp đặt bù áp suất và nhiệt độ trên đồng hồ đo thể tích, đây là giải pháp bền vững để đảm bảo độ chính xác ở cấp độ giám sát; hoặc thay thế nó bằng máy đo khối lượng Coriolis, đây là giải pháp dứt khoát khi độ chính xác khối lượng là rất quan trọng. Cả ba đều là phản hồi kỹ thuật hợp pháp. Cái đúng phụ thuộc vào mục đích của phép đo.

Đó là ý tưởng trung tâm của bài viết này. Việc chuyển đổi từ tốc độ dòng khối sang tốc độ dòng thể tích là một phép nhân và ngược lại là một phép chia. Khó khăn không phải là số học; đó là mật độ. Một kỹ sư xử lý biết mật độ thực tế trên đồng hồ, người hiểu áp suất, nhiệt độ và thành phần di chuyển mật độ đó như thế nào và người đã chọn một công cụ đo khối lượng trực tiếp hoặc cung cấp dữ liệu để tái tạo lại nó, sẽ tạo ra những con số đáng tin cậy hàng ngày. Các thiết bị hiện có ngày nay có khả năng chẩn đoán tuyệt vời, nhưng chúng không thể bù đắp cho một khái niệm sai vào ngày nó được cấu hình.

VNER sản xuất cả hai dòng thiết bị, từ máy đo lưu lượng khối Coriolis dòng AC đến máy đo độ xoáy và xoáy bù, đồng thời các kỹ sư của VNER thường xuyên giúp các nhà thầu EPC, người vận hành nhà máy và OEM quyết định phương pháp nào phù hợp với một quy trình nhất định. Lẽ ra, quyết định này bắt đầu bằng một câu hỏi duy nhất về nhà máy: quá trình này cần biết những gì, khối lượng hay thể tích?