اختيار عداد تدفق الغاز

Thread Content

خصائص الوسط: هناك أنواع عديدة من الغاز، وتركيبه معقد أيضًا. يمكن تقسيم الغازات بشكل عام إلى فئتين رئيسيتين: الغاز الطبيعي والغاز الصناعي. المكونات الرئيسية للغاز هي: CO، H2، CO2، N2، O2، CH4، H2S وغيرها، وتختلف نسبة تركيز هذه المكونات حسب طريقة معالجة الغاز. الغاز الصناعي هو غاز يتم إنتاجه من الفحم كمادة خام، ويحتوي على مكونات قابلة للاشتعال. ووفقًا لطريقة المعالجة وخصائص الغاز واستخداماته، يتم تقسيمه إلى: غاز الماء الناتج عن عملية التحويل الغازي، وغاز نصف الماء، وغاز الهواء (أو ما يُسمى بغاز الفرن). الغاز الناتج عن عملية التكرير في طريقة تجفيف الفحم يُسمى غاز الأفران الكوكية، أو غاز الأفران العالية. الغاز سام ومسبب للتآكل، وتشمل المكونات المسببة للتآكل الهيدروجين الكبريتي، وثاني أكسيد الكبريت، وثاني أكسيد الكربون، وغيرها. هذه الغازات لا تكون مسببة للتآكل إلا في وجود بخار الماء. من مكونات الغاز السامة (والتي قد لا تكون موجودة في بعض أنواع الغازات الثانوية) هي: غاز الهيدروجين الكبريتي، وأمونيا، والبنزين، وغيرها. توجد هذه المكونات بشكل أساسي في غاز الفحم. يحتوي الكثير من الغازات على غبار، ويعتمد مقدار هذا الغبار على عملية المعالجة. كما أن بعض الغازات تحتوي على رطوبة وقطران. الظروف الفعلية لتشغيل الغاز: الظروف الفعلية لتشغيل الغاز معقدة، ولا يوجد قالب ثابت لها. تختلف ظروف التشغيل الفعلية حسب عمليات التصنيع المختلفة. من الخصائص الموحدة نسبيًا: ضغط السائل الساكن منخفض، وسرعة التدفق منخفضة، مما يسمح بخسارة ضغط صغيرة. عمومًا، لا يُسمح باستخدام طريقة تصغير قطر الأنبوب لزيادة سرعة التدفق. بعض سوائل الغاز تحتوي على رطوبة، كما أن بعض المواد المراد قياسها تحتوي أيضًا على كمية صغيرة من الماء، مما يؤدي إلى تدفقها في طبقات في قاع الأنابيب. بعض المواد المقاسة تحتوي على نسبة هيدروجين مرتفعة، وكثافة السائل منخفضة، والفرق بين الحد الأدنى والحد الأقصى للتدفق كبير جداً، وأقطار أنابيب النقل كبيرة، ومسافات الأجزاء المستقيمة قصيرة. أنواع الأجهزة وطريقة استخدامها: هناك العديد من أنواع أجهزة قياس تدفق الغازات، لكن من الصعب العثور على جهاز مناسب لقياس تدفق غاز الفحم، وذلك بسبب خصائص غاز الفحم نفسه. نظرًا لوجود مواد لزجة مثل القطران، فإن استخدام مقاييس التدفق ذات النوع الدوار أمر صعب، كما أن مقاييس التدفق التوربينية ومقاييس التدفق ذات الروتور ليست مناسبة أيضًا. نظرًا لانخفاض الكثافة وبطء سرعة التدفق واتساع نطاق تغيرات حجم التدفق، فإن الفرق بين حجم التدفق في أوقات الذروة وأوقات الانخفاض يزيد عن 20 مرة، مما يحد من استخدام مقاييس التدفق من نوع مقياس التيار الدوامي ومقاييس التدفق القائمة على فرق الضغط. في الوقت الحالي، يوجد بشكل رئيسي مقاييس التدفق بناءً على فرق الضغط ومقاييس كتلة تدفق الغازات الحرارية، كما يتم أحيانًا استخدام مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية للغازات. فيما يلي شرح لتطبيقات بعض أنواع عدادات التدفق الرئيسية: (1) عداد التدفق الحلزوني: نظرًا لخصائص الغاز، مثل السرعة المنخفضة، والضغط المنخفض، ونطاق التغير الواسع في التدفق، بالإضافة إلى طبيعته التآكلية في بعض الحالات، فإن اهتزازات المعدات الناتجة عن أجهزة الضغط والتقلبات العشوائية في ضغط الغاز تؤثر جميعها على قياس التدفق باستخدام هذا العداد. علاوة على ذلك، من الصعب في التطبيقات العملية ضمان سرعة تدفق تزيد عن 5 م/ث. لذلك، لا يُناسب استخدام تقنية شارع الدوامات في قياس تدفق الغاز، ونادرًا ما يتم استخدامها حاليًا. (2) مقاييس التدفق بالفرق في الضغط ذات الصفيحة المثقوبة: تتمتع مقاييس التدفق التي تعمل على أساس الفرق في الضغط بنطاق تطبيق واسع وتاريخ طويل؛ وفي قياس تدفق الغاز، لا تزال هناك حالات معينة يتم فيها استخدامها. لكن العيوب والنواقص الموجودة في مقاييس التدفق من نوع فرق الضغط تحد أيضًا من استخدامها على نطاق أوسع، مثل أن وجود قطرات الماء في أنابيب قياس الضغط يؤدي إلى عدم دقة قيم فرق الضغط. في ظروف العملية التي تتسم بتغيرات كبيرة في الحمل، فإن نطاق القياس المنخفض لمقاييس التدفق من نوع الفرق في الضغط لا يكون كافيًا لتلبية المتطلبات. تتطلب مقاييس التدفق ذات القطر الكبير متطلبات تركيب عالية وصعوبة في التنفيذ، وهذه كلها عوامل تشكل قيودًا على مقاييس التدفق القائمة على فرق الضغط. يحتوي الغاز على غبار، ولا يمكن استخدام صفائح التحكم القياسية في هذه البيئة. وللتغلب على هذا العيب، تم تطوير صفائح تحكم ذات فتحات دائرية، بالإضافة إلى صفائح قابلة للتغيير، وأجهزة تحكم أخرى مثل تلك المكونة من أنابيب متوازية. النتائج متفاوتة، ويجب تحقيق ظروف معينة للحصول على نتائج أفضل. (3) مقياس التدفق بفرق الضغط ذو الأنبوب ذو السرعة المتساوية: يُعد الأنبوب ذو السرعة المتساوية أيضًا من أنواع مقاييس التدفق التي تعتمد على فرق الضغط. في قياس تدفق الغاز في الأنابيب ذات القطر الكبير، يُفضل استخدام صفائح فتحات قابلة للاستبدال، لكن نظرًا لارتفاع تكلفة التصنيع وصعوبة التركيب، فإنه إذا كانت بيانات القياس تُستخدم فقط لمراقبة العمليات ولا يُطلب منها دقة عالية، فإن مقياس التدفق بفرق الضغط ذو الأنبوب المتساوي السرعة يُعد خيارًا يفكر فيه العديد من العملاء. المفتاح لنجاح استخدام مقياس التدفق بفرق الضغط ذو الأنبوب ذو السرعة المتساوية في قياس تدفق الغاز هو عدم انسداد أنابيب قياس الضغط بقطرات الماء أو الجسيمات القذرة. نظرًا لأن صمامات القطع الموجودة في منتجات أنابيب السرعة الثابتة غالبًا ما تكون صمامات على شكل إبرة، فإن قطرها صغير، وقد يؤدي تكثف بخار الماء الموجود في السائل إلى تكوّن قطرات ماء، كما أن الجسيمات الكبيرة الموجودة في السائل قد تسبب انسداد مسارات نقل الضغط. من وجهة نظر الأداء العملي، هناك العديد من المشاكل، ومعدل الأعطال مرتفع، بالإضافة إلى الحاجة إلى صيانة كبيرة. مقياس تدفق الغاز الحراري: يعتمد مقياس التدفق الحراري على مبدأ الانتشار الحراري في تصميمه. أي أنه يستخدم الحرارة الناتجة عن جسم مسخن عند مرور السائل من خلاله، حيث يكون هناك علاقة طردية بين كمية الحرارة المفقودة من الجسم المسخن ومعدل تدفق السائل. يحتوي هذا النوع من مقاييس التدفق على مستشعرين من نوع RTD، أحدهما يُستخدم كمصدر للحرارة، والآخر لقياس درجة حرارة السائل. عندما يتدفق السائل، يكون هناك فرق في درجات الحرارة بين المستشعرين، وهذا الفرق يكون طرديًا مع معدل التدفق. ثم يتم تحويل هذه العلاقة إلى إشارة خطية تُستخدم لقياس معدل التدفق، وذلك باستخدام تقنيات التحكم الإلكتروني. يتمتع مقياس تدفق الغاز الحراري بالخصائص التالية: قدرته على قياس تدفقات ضئيلة جدًا بسرعات منخفضة للغاية، وعدم وجود أجزاء متحركة فيه، بالإضافة إلى موثوقيته العالية. فقدان الضغط ضئيل جداً، ويمكن تجاهله تقريباً. قياس تدفق الكتلة مباشرة، دون الحاجة إلى تعويض درجة الحرارة والضغط. نسبة النطاق مرتفعة جدًا وتصل إلى 1000:1، ولا يوجد علاقة كبيرة بين السعر وقطر الأنبوب، خاصةً مع الأقطار الكبيرة حيث تظهر مزايا القيمة مقابل السعر بشكل أوضح، كما أنه سهل التركيب ومقاوم للاهتزازات. أداء تكراري جيد، ولا يحتاج إلى صيانة تقريبًا. (5) مقياس تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية: وهو جهاز لقياس تدفق الغاز باستخدام الموجات فوق الصوتية، وعادةً ما يكون عبارة عن جهاز قياس يحتوي على أنابيب قياس، ويعمل بطريقة قياس الفروق الزمنية باستخدام محولات الموجات فوق الصوتية. عادةً ما يتم تركيب المحولات على طول جدار الأنبوب، وتكون على اتصال مباشر بالسائل؛ حيث يتم استقبال النبضات فوق الصوتية التي يصدرها محول من قبل محول آخر، والعكس صحيح. تمر نبضات الموجات فوق الصوتية عبر الأنابيب كما لو كانت قوارب تعبر النهر، وإذا لم يكن هناك تدفق للسائل، فإن الموجات الصوتية ستنتشر في كلا الاتجاهين بنفس السرعة. إذا لم يكن معدل تدفق الغاز صفرًا، فإن سرعة انتشاره في اتجاه التيار وضده تختلفان. وبناءً على الفرق في أوقات الانتشار هذه، يمكن حساب معدل تدفق الغاز. يتميز مقياس تدفق الموجات فوق الصوتية للغازات بدقة عالية في القياس، وعدم وجود خسائر في الضغط، بالإضافة إلى نطاق قياس واسع. كما أن تركيبه سهل (لا حاجة إلى عمل ثقوب أو لحام في الأنابيب)، ويمكن استخدامه في ظروف تشغيل معقدة مثل الغازات الملوثة، والغازات الرطبة، والغازات المسببة للتآكل، والغازات المختلطة، ويمكنه أيضًا القياس في كلا الاتجاهين. نظرًا للاختلافات في الأداء التقني بين الماركات المختلفة، فإن الأسعار المرتفعة حاليًا تحد بشكل مباشر من استخدامها. من خلال المقارنة الشاملة، يظل لمقياس تدفق كتلة الغاز الحراري مزايا واضحة في قياس تدفق الغاز الطبيعي. (1) التركيب: يتطلب مقاييس التدفق من النوع التفاضلي (بما في ذلك أنابيب السرعة المتساوية) تعويض درجة الحرارة والضغط عند قياس تدفق الغاز. حجم أعمال التركيب كبير، وتكلفة التركيب مرتفعة (خاصةً بالأنابيب ذات القطر الكبير). نظرًا لوجود العديد من الملحقات المثبتة، فإن ذلك يؤدي إلى مشاكل في التسرب، مما **يزيد من حجم أعمال الصيانة اليومية. بالنسبة لمقاييس تدفق الغاز من النوع الحراري، لا حاجة إلى تعويض درجة الحرارة أو الضغط، والقيمة المقاسة هي تدفق الكتلة، **مما يقلل من متطلبات التعويض عن ضغط الغاز اللازمة في مقاييس التدفق الأخرى عند قياس الغاز. يساعد ذلك في تقليل تكاليف التركيب، كما يقلل من نقاط التسرب والأعطال، مما يضمن موثوقية الأجهزة أثناء عملها لفترات طويلة. لا يوجد تقريبًا أي فقد في الضغط في مكونات المستشعر، ولا تحدث مناطق غير نظيفة أو انسدادات، مما قد يؤثر على أخذ عينات إشارات المستشعر. يمكن اختيار واجهات الربط المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات التصميم الخاص، حيث تم تصميم هذه الواجهات بشكل خاص لضمان عدم تلف جهاز قياس التدفق عند فكه مرارًا وتكرارًا من الأنابيب. يمكن فك مقياس التدفق عبر الإنترنت دون توقف، مما يوفر راحة كبيرة لإدارة وتنسيق عمليات الإنتاج لدى المستخدمين. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لقياس تدفق الغازات التي تحتوي على مواد مسببة للتآكل، يمكن استخدام مقاييس تدفق الغازات الحرارية التي تحتوي على أجهزة استشعار مصنوعة من مواد ذات مقاومة عالية جدًا للتآكل. بالنسبة لمراقبة تدفق الغاز الذي يحتوي على القطران، يمكن استخدام مقاييس التدفق الحرارية لحل هذه المشكلة بطريقتين: الطريقة الأولى هي استخدام أجهزة استشعار موجهة في الاتجاه المحوري (وهناك منتجات متوفرة في الأسواق الدولية حاليًا، كما هو موضح في الصورة). ولتسهيل عملية تنظيف الأجهزة من الأوساخ بشكل دوري، تم أيضًا استخدام نماذج حفر حرارية وأدوات للحفر. يمكن، من خلال استخدام وسائل فعّالة، ضمان قدرة مقياس تدفق الغاز الحراري على تنظيف المستشعر عبر الإنترنت دون إيقاف تدفق الغاز، في حال تراكم مواد ملوثة على سطح المستشعر. الخيار الثاني هو إجراء معالجة خاصة لمستشعرات مقياس تدفق الغازات الحراري، وذلك لزيادة مدة بقاء الرواسب القطرانية على المستشعر، كما يضمن ذلك سهولة تنظيف المستشعر (كما هو موضح في الشكل). 2) نطاق القياس: يمكن لعداد تدفق الغاز الحراري قياس قيم تدفق الغاز، حيث يتراوح الحد الأدنى للسرعة من 0.05 نانومتر/ثانية، بينما يصل الحد الأقصى للسرعة إلى 100 نانومتر/ثانية. يمكن أن تصل نسبة النطاق إلى 1:1000. يمكن لمقياس تدفق الموجات فوق الصوتية للغازات أن يكتشف نطاق التدفق من 0.01 م/ث إلى 25 م/ث. يمكن لهذين نوعي المقاييس أن يتعاملا مع التغيرات الكبيرة في معدل التدفق الناتجة عن تقلبات أحمال الغاز المختلفة، وهذه هي الميزة الأبرز التي تجعل مقاييس تدفق الغاز من النوع الحراري أفضل من باقي أنواع المقاييس. نظرًا لأن الإشارة القياسية (الفرق في الضغط) للعدادات التي تعمل على مبدأ الفرق في الضغط ترتبط بالتدفق بعلاقة تربيعية، فإن نطاق القياس عادةً ما يكون 3:1 إلى 4:1 فقط. مع تطور العلوم والتكنولوجيا الحديثة واستخدام الحواسيب الإلكترونية، ظهرت مُرسلات فرق الضغط ذات النطاق الواسع، مما أدى إلى تحسين نسبة النطاق في مقاييس التدفق التي تعتمد على فرق الضغط بشكل كبير. حاليًا، يمكن أن تصل نسبة النطاق في مقاييس التدفق هذه إلى 1:10، لكن هذه النسبة لا تزال غير كافية لتلبية احتياجات الحالات التي يكون فيها هناك تغيرات كبيرة في قيم التدفق. (3) الدقة: لقد مر مقياس تدفق كتلة الغازات الحراري بأكثر من أربعين عامًا من التطور، وشهدت جميع التقنيات المستخدمة فيه تقدمًا كبيرًا. يمكن لأجهزة قياس تدفق الغازات من النوع الحراري في الوقت الحالي، عند قياس الغازات ذات المادة الواحدة، أن تصل دقتها الإجمالية إلى ±1.0% FS (ضمن نطاق نسبة القياس 1:100)، بينما تكون درجة التكرار ±0.25% FS، وهو ما يعتبر دقة عالية جدًا في قياس الغازات. لكن نظرًا لأن مكونات الغاز الطبيعي هي غاز مختلط يتكون من عدة مواد (ويمكن الرجوع إلى دراسات الغازات المختلطة الأخرى كمرجع)، فإن تغير مكونات الغاز المختلط سيؤدي إلى تغير في خصائصه الفيزيائية. فيما يتعلق بمشكلة تأثير التغيرات في تركيب الغاز المقاس على إشارة الخرج من عدادات التدفق، فإن معظم عدادات التدفق لا تمتلك وسائل جيدة لحل هذه المشكلة. أما عدادات تدفق الكتلة الحرارية للغازات، فهي تستخدم خوارزميات تعويض للتركيب وخوارزميات تعويض للحرارة؛ والفائدة من ذلك هي أنه عندما يتغير تركيب الغاز أو درجة حرارته، يمكن لهذه الخوارزميات أن تقضي على الأخطاء الناتجة عن هذه التغيرات. بعد عملية معايرة واحدة (تُستخدم الهواء عادةً كوسط للمعايرة)، يمكن استخدامه في مختلف التركيبات والظروف الحرارية، مما يوفر جهد وتكلفة إعادة المعايرة. لقد وفر ذلك الأساس التقني والضمانات اللازمة لتعميم استخدام مقاييس تدفق كتلة الغازات الحرارية. نظرًا لأن مقاييس تدفق الكتلة الحرارية للغاز تتميز بخطية جيدة وقابلية تكرار عالية، ففي قياس تدفق الغاز، إذا لم يكن الأمر يتعلق بالقياس التجاري بل كان مجرد تطبيق للتحكم في العمليات، فإن مقاييس التدفق الحرارية تُعد بلا شك الخيار الأمثل من حيث نسبة الأداء إلى التكلفة. تتأثر مقاييس التدفق من نوع الفرق في الضغط بشكل كبير بمختلف العوامل، فأي مشكلة تحدث في أي مرحلة، سواء في التصميم أو التصنيع أو التركيب، قد تؤدي إلى أخطاء كبيرة. خاصةً في قياسات التدفق المنخفض، حيث يكون قيمة الفرق في الضغط صغيرة جداً، وأحياناً تكون هذه القيمة بضع عشرات من الباسكال أو حتى بضعة باسكال فقط. في مثل هذه القيم الصغيرة للفرق في الضغط، يكون تأثير التدخلات كبيرًا جدًا؛ فقط قطرة ماء صغيرة، أو جسيم غريب، أو بقعة زيتية واحدة كافية لإلغاء تأثير الفرق في الضغط. لذلك، عندما تقيس أجهزة قياس التدفق التي تعتمد على فرق الضغط الغاز، فإن الدقة الشاملة لا يمكن أن تصل إلى مستوى عالٍ. وعلاوة على ذلك، من حيث الاستقرار وسهولة الصيانة، فإن مقاييس التدفق التي تعمل بالفرق في الضغط ليست بجودة مقاييس التدفق الحرارية. لا شك في مزايا مقاييس تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية، لكن تكلفة شرائها مرتفعة جدًا، ويتم استخدامها حاليًا في الغالب في عمليات التسوية التجارية. (4) فقدان الضغط: نظرًا لأن مقياس تدفق الموجات فوق الصوتية للغازات يتم تركيبه بطريقة خارجية (عبر تركيب المستشعر خارج الأنبوب)، فلا يوجد أي فقدان في الضغط. بسبب تركيبه الهيكلي، فإن الخسارة الضاغطة أثناء تشغيل مقاييس التدفق الحراري ضئيلة للغاية؛ وفي حالات التدفق المنخفض وأقطار الأنابيب الكبيرة، يمكن إهمال هذه الخسارة الضاغطة. أما مقاييس التدفق التي تعمل على الفرق في الضغط، فهي مختلفة؛ حيث يُعد ارتفاع فقدان الضغط أحد العيوب الرئيسية لمقاييس التدفق من هذا النوع. يُعد فقدان الضغط أحد التحديات والعقبات الرئيسية التي يجب التغلب عليها في توفير الطاقة؛ ففي نقل الغاز لمسافات طويلة، تزداد متطلبات الحد من فقدان الضغط، وإلا فإن ذلك سيؤدي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الكهرباء وتكاليف أخرى. لذلك، من وجهة نظر طويلة الأمد ومعايير تقييم توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات، فإن استخدام مقاييس التدفق القائمة على فرق الضغط في أنظمة قياس تدفق الغاز ليس الخيار الأمثل. فيما يلي مقارنة بين أنواع أجهزة قياس التدفق المختلفة:

أجهزة قياس التدفق بناءً على فرق الضغط، أجهزة قياس التدفق باستخدام أنابيب ذات سرعة ثابتة، أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية للغازات، أجهزة قياس كتلة الغازات باستخدام الحرارة.

مستوى الضغط المطلوب: عالٍ، متوسط، متوسط، غير موجود، منخفض جداً.
إمكانية قياس التدفق في الاتجاهين: غير ممكن، غير ممكن، ممكن، ممكن.
مستوى التكرار: 0.1%، 0.5%، 0.15%، 0.2%.
متطلبات التركيب: صارمة، متوسطة، متوسطة، متوسطة، منخفضة.
خصائص التدفق عند سرعات منخفضة: سيئة، سيئة، جيدة، جيدة.
نسبة النطاق: 10:1، 10:1، 50:1، 100:1.
مدة الاستخدام: قصيرة، طويلة نسبياً، طويلة، طويلة جداً.
حجم الصيانة المطلوبة: كبير، كبير.
الصيانة المنتظمة: مطلوبة، مطلوبة.
مستوى الأمان: منخفض، مرتفع، مرتفع جداً، مرتفع جداً.
السعر: منخفض، متوسط، مرتفع جداً.
العلاقة مع قطر الأنبوب: عكسية