Khi nào bạn cần bù nhiệt độ hoặc áp suất để đo lưu lượng chính xác?

lưu lượng kế xoáy đo tốc độ dòng thể tích hoặc khối lượng của chất lỏng, khí và hơi nước bằng cách tạo ra chuyển động xoáy có kiểm soát trong chất lỏng đang chảy và phát hiện tần số dao động dòng thứ cấp tương quan chính xác với tốc độ dòng chảy. Chúng chiếm một vị trí được xác định rõ ràng trong đo lưu lượng công nghiệp: mạnh mẽ hơn và chịu được chất lỏng bẩn hơn so với đồng hồ đo dòng xoáy, chính xác hơn trên phạm vi dòng chảy rộng hơn so với các thiết bị đo chênh áp và tiết kiệm hơn đáng kể khi lắp đặt và bảo trì so với Coriolis hoặc đồng hồ đo từ tính trong nhiều điều kiện quy trình. Để đo lưu lượng hơi nói riêng, lưu lượng kế xoáy đã trở thành thiết bị đo chính được chấp nhận rộng rãi vì sự kết hợp giữa độ chính xác, hoạt động bảo trì thấp và khả năng tương thích với các điều kiện áp suất và nhiệt độ khắt khe của hệ thống quản lý năng lượng và phân phối hơi nước.

Câu trả lời trực tiếp cho các kỹ sư đánh giá thông số kỹ thuật của lưu lượng kế xoáy là: lưu lượng kế xoáy cơ bản chỉ đo tốc độ dòng thể tích, đủ cho các ứng dụng chất lỏng có mật độ cơ bản không đổi. Đối với khí và hơi nước, nơi mật độ thay đổi đáng kể theo cả nhiệt độ và áp suất, chỉ đo lưu lượng thể tích là không đủ để xác định lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng năng lượng chính xác. Lưu lượng kế xoáy bù nhiệt độ bổ sung cảm biến nhiệt độ và chuyển đổi lưu lượng thể tích đo được thành lưu lượng khối bằng cách sử dụng mật độ chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ. Đồng hồ đo lưu lượng xoáy bù áp bổ sung thêm cảm biến áp suất cho cùng mục đích. Một mô hình được bù hoàn toàn với cả cảm biến nhiệt độ và áp suất sẽ tính toán lưu lượng khối theo thời gian thực từ sự kết hợp đo được giữa lưu lượng thể tích, nhiệt độ và áp suất, đây là cấu hình cần thiết để đo năng lượng hơi chính xác và truyền tải khí. Bài viết này giải thích cách hoạt động của từng cấu hình, vị trí áp dụng từng cấu hình và thông số kỹ thuật nào chi phối việc lựa chọn.

Cách thức hoạt động của lưu lượng kế dạng xoáy: Nguyên lý hoạt động và phát hiện dòng chảy

Lưu lượng kế xoáy hoạt động theo nguyên tắc tạo ra mô hình dòng quay ổn định trong thân đồng hồ và phát hiện tần số dao động của dòng thứ cấp do sự tương tác giữa dòng xoáy này và hình dạng của đồng hồ. The operating sequence has three distinct stages: swirl generation, oscillation formation, and frequency detection.

Tạo xoáy bằng xoáy nước đầu vào

Khi chất lỏng đi vào lưu lượng kế, nó đi qua một cụm xoáy cố định bao gồm các cánh gạt góc được bố trí hướng tâm quanh trục ống. Các cánh gạt này truyền xung lượng góc tới chất lỏng, chuyển đổi dòng chảy dọc trục thành dạng dòng chảy xoắn ốc trong lỗ khoan đồng hồ. Vòng xoáy là một bộ phận thụ động không cần nguồn điện và không có bộ phận chuyển động ở giai đoạn này, đây là một trong những lý do chính giúp lưu lượng kế xoáy có tuổi thọ hoạt động lâu dài và yêu cầu bảo trì thấp.

Sự hình thành dao động thứ cấp trong vùng Deswirl

Ở cuối dòng xoáy, dòng quay đi vào phần giãn nở và sau đó đi qua bộ phận khử xoáy được thiết kế để loại bỏ một phần chuyển động quay. Sự tương tác giữa dòng quay dư và bộ khử xoáy tạo ra chuyển động tiến động thứ cấp, một loại tuế sai xoáy trong đó lõi dòng xoáy dao động quanh trục ống với tần số tỷ lệ thuận với tốc độ dòng thể tích. Chuyển động tiến động này là hiện tượng chính có thể đo được của lưu lượng kế xoáy. Mối quan hệ Strouhal chi phối đầu ra của lưu lượng kế xoáy xác định rằng tần số dao động chia cho vận tốc dòng chảy là một hằng số không thứ nguyên (hệ số K của đồng hồ) trong phạm vi hoạt động được chỉ định của đồng hồ, điển hình là dãy số Reynolds từ 20.000 đến vài triệu. This linear relationship between frequency and flow velocity is what makes the swirl flowmeter a reliable and precise measurement device across a wide flow range without the nonlinear corrections required by differential pressure devices.

Phương pháp phát hiện: Cảm biến áp điện và điện dung

Chuyển động dao động của dòng chảy được phát hiện bởi một hoặc nhiều cảm biến gắn trên thân đồng hồ. Hai công nghệ phát hiện được sử dụng phổ biến:

• Cảm biến áp điện: Phát hiện các dao động áp suất định kỳ hoặc các rung động cơ học do dòng tiến động tạo ra tại vị trí cảm biến. Các phần tử cảm biến áp điện tạo ra tín hiệu điện áp có tần số phù hợp với tần số dao động của dòng chảy, tín hiệu này được thiết bị điện tử xử lý tín hiệu chuyển đổi thành tốc độ dòng chảy. These sensors are robust, fast responding, and suitable for high temperature steam applications where sensor operating temperatures may reach 250 degrees Celsius or higher with appropriate sensor isolation.
• Cảm biến điện dung: Phát hiện những thay đổi về điện dung của phần tử cảm biến khi dòng dao động làm lệch phần tử theo chu kỳ. Phát hiện điện dung đặc biệt phù hợp với các ứng dụng khí áp suất thấp trong đó năng lượng dao động dòng chảy thấp và cảm biến áp điện có thể có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu không đủ, cung cấp khả năng phát hiện ổn định ở vận tốc dòng chảy thấp tới 0,5 mét mỗi giây trong một số thiết kế.

Tín hiệu đầu ra từ một trong hai loại cảm biến là tín hiệu tần số tỷ lệ tuyến tính với tốc độ dòng thể tích, từ đó thiết bị điện tử tính toán tốc độ dòng tức thời, tổng thể tích và với mức bù, lưu lượng khối và dòng năng lượng thích hợp. Thông số kỹ thuật của lưu lượng kế xoáy điển hình bao gồm độ chính xác cộng hoặc trừ 1,0 đến 1,5 phần trăm số đọc so với tỷ lệ quay vòng, với tỷ lệ quay vòng từ 10:1 đến 25:1 tùy thuộc vào chất lỏng và điều kiện vận hành.

Bù nhiệt độ trong lưu lượng kế dạng xoáy: Tại sao cần thiết và cách thức hoạt động

Lưu lượng kế xoáy đo lưu lượng thể tích tạo ra sản lượng tính bằng mét khối trên giờ (hoặc đơn vị tương đương) thể hiện chính xác thể tích chất lỏng đi qua đồng hồ trên một đơn vị thời gian. Đối với chất lỏng có mật độ cơ bản không đổi như nước ở nhiệt độ vừa phải, số đọc thể tích này tỷ lệ thuận với lưu lượng khối vì mật độ không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ trong phạm vi hoạt động. However, for gases, steam, and liquids with strongly temperature dependent density, the mass of fluid represented by a given volumetric flow rate changes substantially with temperature, making volumetric measurement alone insufficient for accurate process control or energy accounting.

Mật độ khí và hơi nước thay đổi như thế nào theo nhiệt độ

Đối với một loại khí lý tưởng ở áp suất không đổi, mật độ tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối: một loại khí ở 200 độ C (473 Kelvin) có mật độ xấp xỉ 62% so với loại khí đó ở 20 độ C (293 Kelvin), ở cùng áp suất. Trong các ứng dụng đo khí công nghiệp thực tế, nhiệt độ khí xử lý thường thay đổi từ 50 đến 150 độ C xung quanh điểm vận hành danh nghĩa khi tải của quá trình thay đổi, nhiệt độ môi trường thay đổi theo mùa hoặc điều kiện vận hành thay đổi. Nếu không bù nhiệt độ, lưu lượng kế xoáy đo khí tự nhiên hoặc khí nén ở nhiệt độ danh nghĩa 150 độ C sẽ hiển thị sai số đọc lưu lượng khối lượng khoảng 15% đối với sai lệch nhiệt độ quy trình cộng hoặc trừ 20 độ C, rõ ràng là không thể chấp nhận được đối với các ứng dụng chuyển giao quyền giám sát, thanh toán năng lượng hoặc kiểm soát quy trình yêu cầu độ chính xác cao hơn 2 đến 3%.

Cách thực hiện bù nhiệt độ

A lưu lượng kế xoáy bù nhiệt độ tích hợp một máy dò nhiệt độ điện trở (RTD), thường là phần tử Pt100 hoặc Pt1000, được gắn trực tiếp trong thân đồng hồ trong dòng chất lỏng hoặc trong giếng nhiệt liền kề với đồng hồ. Tín hiệu nhiệt độ được đưa liên tục đến bộ xử lý tín hiệu của đồng hồ, bộ xử lý này sử dụng nhiệt độ đo được và cơ sở dữ liệu đặc tính chất lỏng được lưu trữ trong bộ xử lý để tính toán mật độ chất lỏng thực tế ở điều kiện đo. Sau đó, tốc độ dòng thể tích từ tín hiệu tần số được nhân với mật độ tính toán này để tạo ra tốc độ dòng khối thời gian thực. Đồng thời, bộ tích lũy lưu lượng khối tích hợp hoặc tổng cộng sẽ theo dõi tổng khối lượng chất lỏng đã đi qua đồng hồ đo, đây là số lượng cần thiết để lập hóa đơn, tính toán năng lượng và kiểm soát quy trình theo đợt.

Đối với các ứng dụng hơi nước, trong đó mối quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và mật độ tuân theo bảng hơi IAPWS IF97 thay vì luật khí lý tưởng, bộ xử lý của lưu lượng kế xoáy bù nhiệt độ sẽ truy cập cơ sở dữ liệu đặc tính hơi nước dựa trên các bảng tiêu chuẩn được quốc tế công nhận này, nội suy các giá trị mật độ cho mọi nhiệt độ đo được ở áp suất vận hành được chỉ định. For saturated steam at a constant pressure, temperature alone uniquely determines all thermodynamic properties including density and specific enthalpy, so a temperature only compensated meter can provide both mass flow and energy flow (in kilowatts or megawatts) without requiring a pressure sensor, provided the system pressure is stable and well characterized.

Bù áp suất trong lưu lượng kế dạng xoáy: Ứng dụng và cấu hình

Bù áp suất giải quyết biến số chính thứ hai ảnh hưởng đến mật độ chất lỏng trong phép đo lưu lượng nén. Đối với các khí ở nhiệt độ không đổi, mật độ tỷ lệ thuận với áp suất tuyệt đối: không khí nén ở áp suất tuyệt đối 6 bar có mật độ gấp khoảng sáu lần mật độ của cùng một loại không khí ở áp suất tuyệt đối 1 bar, nghĩa là lưu lượng thể tích 100 mét khối mỗi giờ ở áp suất tuyệt đối 6 bar tương đương với khoảng 600 mét khối mỗi giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (thường được xác định là 0 độ C hoặc 15 độ C và 1,01325 bar tuyệt đối). Việc chuyển đổi lưu lượng thể tích thực tế thành lưu lượng thể tích tiêu chuẩn hoặc lưu lượng khối lượng đòi hỏi kiến ​​thức về áp suất vận hành thực tế, đó là chức năng của hệ thống bù áp suất.

Tích hợp cảm biến áp suất và xử lý tín hiệu

A lưu lượng kế xoáy bù áp tích hợp một bộ truyền áp suất tuyệt đối hoặc bộ truyền áp suất đo (có hiệu chỉnh áp suất khí quyển được áp dụng trong bộ xử lý) được gắn trực tiếp trên thân đồng hồ hoặc trong dây chuyền xử lý liền kề. Tín hiệu áp suất được đưa đến cùng bộ xử lý tín hiệu nhận tín hiệu tần số dòng chảy, cho phép bộ xử lý tính toán mật độ khí thực tế từ áp suất đo được (và nếu nhiệt độ cũng được đo, từ cả áp suất và nhiệt độ đồng thời).

Đối với các ứng dụng hơi quá nhiệt, cả nhiệt độ và áp suất đều cần thiết để xác định đầy đủ trạng thái nhiệt động và do đó mật độ và entanpy của hơi: hơi quá nhiệt ở áp suất nhất định có thể tồn tại ở một phạm vi nhiệt độ và mật độ nhất định, do đó, cả nhiệt độ và hệ thống bù chỉ áp suất đều không thể cung cấp phép đo lưu lượng khối chính xác trên toàn bộ phạm vi hoạt động. Lưu lượng kế xoáy được bù hoàn toàn với cả đầu vào nhiệt độ và áp suất là thông số kỹ thuật chính xác để đo hơi quá nhiệt trong bất kỳ ứng dụng nào mà cả nhiệt độ và áp suất quy trình đều thay đổi độc lập trong quá trình vận hành.

Tính toán lưu lượng thể tích tiêu chuẩn cho khí nén

Trong các ứng dụng đo khí nén bao gồm phân phối khí tự nhiên, giám sát khí nén và đo khí quy trình công nghiệp, sản lượng yêu cầu thường được biểu thị bằng mét khối tiêu chuẩn trên giờ (Sm3/h) hoặc mét khối thông thường trên giờ (Nm3/h) thay vì lưu lượng khối lượng tính bằng kilogam trên giờ. Lưu lượng thể tích tiêu chuẩn hoặc bình thường biểu thị thể tích tương đương mà khí sẽ chiếm ở các điều kiện tham chiếu xác định (0 độ C và 1,01325 bar đối với mét khối thông thường, hoặc 15 độ C và 1,01325 bar đối với mét khối tiêu chuẩn). Lưu lượng kế xoáy bù áp suất và nhiệt độ tính toán đầu ra thể tích tiêu chuẩn này trực tiếp từ lưu lượng thể tích thực tế đo được, nhiệt độ đo được và áp suất đo được, áp dụng định luật khí lý tưởng hoặc phương trình trạng thái khí thực để tính toán khả năng nén khí. Sản lượng khối lượng tiêu chuẩn này là số lượng thanh toán cho việc cung cấp khí đốt tự nhiên, cơ sở để tính toán cân bằng vật liệu xử lý và sản lượng cần thiết để báo cáo theo quy định ở nhiều khu vực pháp lý.

So sánh cấu hình lưu lượng kế xoáy: Khi nào cần chỉ định từng loại

Bảng sau đây tóm tắt ba cấu hình bù chính của lưu lượng kế xoáy, đầu ra đo của chúng và các ứng dụng trong đó mỗi cấu hình là lựa chọn chính xác.

Đo lưu lượng hơi nước: Trong đó lưu lượng kế dạng xoáy có bù Excel

Đo lưu lượng hơi là một trong những ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất trong thiết bị đo lưu lượng công nghiệp vì hơi nước kết hợp khả năng nén của khí với các đặc tính nhiệt động phụ thuộc pha thay đổi đáng kể theo cả nhiệt độ và áp suất, đồng thời hệ thống đo lường phải hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường đòi hỏi khắt khe về mặt cơ học và nhiệt. Lưu lượng kế dạng xoáy có bù nhiệt độ và áp suất đã trở thành giải pháp ưu tiên để đo lưu lượng hơi trong quản lý năng lượng, công nghiệp chế biến và ứng dụng sưởi ấm khu vực vì một số lý do giúp phân biệt chúng với các công nghệ cạnh tranh.

Ưu điểm của lưu lượng kế dạng xoáy so với đồng hồ đo dòng xoáy cho hơi nước

Cả máy đo độ xoáy và máy đo độ xoáy đều sử dụng tính năng phát hiện dòng chảy dựa trên tần số và có thể được trang bị bù nhiệt độ và áp suất để đo hơi nước. Lưu lượng kế xoáy có một số ưu điểm thiết thực cho các ứng dụng hơi nước:

• Tốc độ dòng chảy tối thiểu thấp hơn: Lưu lượng kế xoáy duy trì khả năng phát hiện tín hiệu đáng tin cậy ở vận tốc dòng chảy thấp hơn so với đồng hồ đo dòng xoáy vì dao động tạo ra dòng xoáy có biên độ lớn hơn đối với tốc độ dòng chảy nhất định so với tín hiệu cắt dòng xoáy trong hầu hết các thiết kế. Điều này cho phép máy đo độ xoáy đo chính xác các điều kiện hơi ở tải thấp, điều này rất quan trọng trong các hệ thống sưởi ấm nơi nhu cầu hơi thay đổi rất nhiều giữa điều kiện đầy tải và ở chế độ chờ.
• Chịu được hơi nước ướt và sên ngưng tụ: Cấu trúc cơ học chắc chắn của thân máy đo độ xoáy, không có vật cản mảnh mai là thành phần quan trọng của máy đo độ xoáy, mang lại khả năng chịu đựng tốt hơn trong điều kiện hơi nước ướt và thỉnh thoảng có cặn ngưng tụ có thể làm hỏng hoặc làm xáo trộn thanh chắn mỏng manh hơn của máy đo độ xoáy.
• Phạm vi áp suất hoạt động rộng: Lưu lượng kế xoáy có sẵn trên thị trường với áp suất vận hành từ 0,1 MPa đến 4 MPa trở lên, bao gồm đầy đủ các áp suất phân phối hơi công nghiệp từ hệ thống gia nhiệt áp suất thấp đến hơi xử lý áp suất cao.

Tính toán dòng năng lượng từ máy đo xoáy bù nhiệt độ và áp suất

Khi một lưu lượng kế xoáy bù nhiệt độ và áp suất được lắp đặt trong đường dây cung cấp hơi nước và cũng đã biết nhiệt độ hồi lưu của nước ngưng, đồng hồ đo có thể tính toán và tổng hợp năng lượng nhiệt do hệ thống hơi nước cung cấp trong thời gian thực. Phép tính sử dụng bảng thuộc tính hơi IAPWS IF97 để xác định entanpy riêng của hơi cung cấp từ nhiệt độ và áp suất đo được, trừ đi entanpy riêng của nước ngưng quay trở lại ở nhiệt độ đo được và nhân chênh lệch entanpy với tốc độ dòng khối lượng đo được để thu được công suất đầu ra tính bằng kilowatt. Khả năng đo năng lượng trực tiếp này, không yêu cầu đồng hồ đo năng lượng hoặc máy tính lưu lượng riêng, làm cho lưu lượng kế xoáy bù nhiệt độ và áp suất trở thành một công cụ quản lý năng lượng hơi nước toàn diện kết hợp đo lưu lượng, bù mật độ và tính toán năng lượng trong một thiết bị duy nhất, đơn giản hóa đáng kể thiết bị đo cần thiết để tuân thủ hệ thống quản lý năng lượng ISO 50001 và phân bổ chi phí phân phối hơi nước.

Yêu cầu lắp đặt và thông số kỹ thuật

Việc lắp đặt đúng lưu lượng kế xoáy là điều cần thiết để đạt được độ chính xác quy định, bởi vì lưu lượng kế xoáy rất nhạy với đặc tính vận tốc của dòng chảy vào. Cấu hình không đồng nhất gây ra bởi các phụ kiện, van hoặc chỗ uốn ngược dòng gây ra lỗi về tần số dao động không thể hiện đầy đủ tốc độ dòng chảy trung bình, dẫn đến phép đo không chính xác.

Yêu cầu về ống thẳng thượng nguồn và hạ lưu

Các nhà sản xuất quy định chiều dài tối thiểu của ống thẳng phía dòng vào và phía dòng ra của lưu lượng kế xoáy để đảm bảo rằng đường cong vận tốc đi vào đồng hồ đã phát triển đầy đủ và không có các thành phần xoáy do các phụ kiện phía dòng vào đưa vào. Yêu cầu điển hình là 3D của ống thẳng phía dòng vào và 1D phía dòng ra.

Định hướng và thoát nước ngưng tụ

Đối với các ứng dụng hơi nước, đồng hồ nên được lắp đặt trong đoạn ống nằm ngang để có thể ngăn chặn sự tích tụ nước ngưng trong thân đồng hồ gây ra tín hiệu dòng chảy thất thường và ăn mòn phần tử. Khi cần lắp đặt theo chiều dọc, dòng hơi phải được hướng lên trên qua đồng hồ để cho phép trọng lực thoát nước ngưng ra khỏi phần đo. Một bẫy hơi phía sau đồng hồ cung cấp khả năng thoát nước ngưng tụ và ngăn ngừa sự tích tụ nước ngưng làm ngập vùng đo.

Các thông số kỹ thuật chính để lựa chọn lưu lượng kế xoáy

Khi chỉ định lưu lượng kế xoáy, các thông số sau phải được xác định để đảm bảo chọn đúng model cho ứng dụng:

1. Loại chất lỏng: Chất lỏng, khí hoặc hơi nước (bão hòa hoặc quá nhiệt), vì điều này xác định mức bù cần thiết, lựa chọn vật liệu ướt và cơ sở dữ liệu đặc tính chất lỏng hiện hành.
2. Phạm vi áp suất hoạt động: Áp suất xử lý tối thiểu và tối đa, xác định mức áp suất của thân đồng hồ và phạm vi của bộ truyền áp suất trong các mô hình được bù.
3. Phạm vi nhiệt độ hoạt động: Nhiệt độ xử lý tối thiểu và tối đa, xác định mức nhiệt độ của đồng hồ đo và vật liệu cảm biến.
4. Phạm vi dòng chảy: Tốc độ dòng chảy tối thiểu và tối đa, xác định kích thước đồng hồ được yêu cầu và xác nhận rằng phạm vi dòng chảy mong muốn nằm trong phạm vi số Reynolds và tỷ lệ quay vòng được chỉ định của đồng hồ.
5. Đầu ra yêu cầu: Chỉ lưu lượng thể tích, lưu lượng khối, lưu lượng thể tích tiêu chuẩn hoặc lưu lượng năng lượng, xác định cấu hình bù cần thiết.
6. Quá trình kết nối: Đường kính ống, định mức áp suất và tiêu chuẩn mặt bích (ASME, EN, JIS) cần thiết cho vị trí lắp đặt.
7. Tín hiệu đầu ra: Đầu ra xung để tổng hợp, tín hiệu tương tự 4 đến 20 mA cho tốc độ dòng chảy, HART, Modbus hoặc PROFIBUS để liên lạc kỹ thuật số với hệ thống điều khiển nhà máy.

Lưu lượng kế xoáy, với các cấu hình bù khác nhau, cung cấp giải pháp đáng tin cậy, chính xác và linh hoạt trong thực tế để đo lưu lượng trong các ứng dụng từ đo chất lỏng đơn giản đến các yêu cầu khắt khe về tính toán năng lượng hơi nước trong các chương trình quản lý năng lượng công nghiệp. Việc lựa chọn giữa các cấu hình cơ bản, bù nhiệt độ, bù áp suất và bù đầy đủ không phải là vấn đề ưu tiên về ngân sách mà là việc kết hợp chính xác thiết bị đo với các điều kiện vật lý thực tế của chất lỏng xử lý, đây là cách tiếp cận duy nhất mang lại độ chính xác và độ tin cậy mà phép đo dòng chảy trong các ứng dụng điều khiển quá trình và năng lượng yêu cầu.