مقياس تدفق كتلة الغاز الحراري – أفضل خيار لقياس تدفق الغاز الحيوي

Thread Content

إعادة تدوير غاز البيوجين هي مشروع هندسي مفيد للبيئة ويعود بالنفع على البلاد والشعب. تبذل جميع الدول جهودًا كبيرة، من حيث القوى البشرية والموارد المادية، لتطوير تقنيات استخلاص واستغلال غاز الحفر. تعتبر تقنية توليد الطاقة من الغاز الحيوي تقنية رائدة على المستوى الدولي، ولا يمتلكها سوى عدد قليل من الجهات. تركز الشركات على الفوائد الاقتصادية والاجتماعية، وتهتم بمعرفة كم من الكهرباء يمكن توليده من كل متر مكعب من الغاز لقد أثبتت التجارب أن بعض أجهزة قياس التدفق التقليدية لا تُعطي نتائج مرضية في تطبيقات قياس غاز البيوغاز. مع تطور تقنية مقياس تدفق كتلة الغازات الحراري والمزايا العملية الممتازة لهذه التقنية، بدأ عدد متزايد من شركات توليد الطاقة من الغاز الحيوي أو شركات استرجاع الغاز الحيوي في استخدام هذه المقاييس. أدى الاستخدام الناجح للطريقة الحرارية إلى حل مشكلة قياس غاز البيوجين، التي كانت تؤرق الصناعة منذ فترة طويلة. سنقوم الآن بمقارنة خصائص مقياس تدفق الغازات الحراري، ومبدأ عمله، وطريقة استخدامه، مع أداء أنواع أخرى من مقاييس التدفق. مقياس تدفق بالدوامات (للغازات) ▲ مميزات مقياس التدفق بالدوامات: عدم وجود أجزاء متحركة، دقة عالية في القياس، فقدان ضغط منخفض. كما أن عنصر القياس لا يتلامس مع السائل المراد قياسه، وإشارة الخروج لا تتأثر بمعايير مثل درجة حرارة السائل، وضغطه، وكثافته، وتركيبه، ولزوجته. 　　▲ مبدأ مقياس تدفق الدوامات: يعتمد هذا المقياس على مبدأ دوامات كارمان في ميكانيكا السوائل لقياس تدفق السوائل. عند إدخال جسم يولد التيارات الدوامية (مثل الأسطوانة أو المثلث الرأسي وغيرها من الأشكال غير المتماثلة) بشكل عمودي في الأنبوب، فإنه عند تدفق السائل داخل الأنبوب، ستتكون تيارات دوامية بالتناوب على الجانبين الأيمن والأيسر خلف هذا الجسم، مما يؤدي إلى تكوين سلسلة من التيارات الدوامية. تتشكل هاتان الدوامتان بشكل متوازٍ مع بعضهما، وتظهران بالتناوب على اليمين واليسار، مع اختلاف اتجاه دورانهما. يوجد علاقة بين تردد الدوامات f (بالهرتز) ومعدل سرعة التدفق المتوسط للسائل v (بالمتر/ثانية) وعرض الجسم الذي يُنتج الدوامات (بالمتر)، وهي كالتالي: f = St * v / d، حيث أن St هو معامل ستروهال، وهو مرتبط بعرض الجسم الذي يُنتج الدوامات d وبعدد رينولدز للسائل.
▲ جهاز قياس تدفق الدوامات سهل الاستخدام نسبيًا، كما أن تركيبه سهل أيضًا؛ ويوجد منه نوعان: النوع المدمج والنوع المثبت داخل الأنابيب. يجب الانتباه أثناء التركيب إلى أن اتجاه تدفق السائل يجب أن يكون مطابقًا للاتجاه الذي يشير إليه مقياس التدفق. 　　▲ عيوب مقياس تدفق نوع الدوامة: نسبة النطاق أقل من مقياسات تدفق الغازات الحرارية (حيث تكون في معظم الحالات 10:1 فقط)؛ يتأثر بشكل كبير بالاهتزازات؛ حجم الأنابيب يتناسب طرديًا مع السعر؛ يحتاج إلى تعويض درجة الحرارة والضغط لكي يتمكن من القياس؛ في النطاقات المنخفضة، يكون أداؤه غير دقيق وغير مستقر، وبالتالي يصعب قياس التدفق فيها. مقياس تدفق بالموجات فوق الصوتية (للغازات) ▲ مميزات مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية: عدم وجود خسارة في الضغط؛ سهولة التركيب؛ عدم ارتباطه بخصائص السائل مثل درجة الحرارة والضغط واللزوجة؛ عدم وجود أجزاء متحركة؛ قدرته على قياس الغازات الملوثة أو المتآكلة، بالإضافة إلى الغازات المكونة من عدة مكونات. 　　▲مبدأ مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية: يتم قياس زمن انتشار الموجات فوق الصوتية في اتجاه التيار وضد اتجاه التيار داخل الأنابيب، ثم يتم حساب سرعة تدفق السائل. يمكن حساب معدل تدفق السائل من خلال سرعة تدفق المادة، وقطر الأنبوب، بالإضافة إلى إجراء تعديلات ديناميكية على السائل باستخدام رقم رينولدز. 　　على وجه التحديد: يتم تركيب زوج من أجهزة استشعار الموجات فوق الصوتية على شكل حرف “Z” داخل الأنابيب، ويُعتبر المسافة L بين الجهازين هي مسافة انتشار الموجات فوق الصوتية. يُمثل وقت انتشار الموجات فوق الصوتية في الاتجاه الموازي لتيار الهواء وفي الاتجاه المعاكس له بين المستشعرين على التوالي كالتالي:
Ts = L/(C + Vcosθ)؛ Tn = L/(C – Vcosθ).
حيث أن C هو سرعة الموجات الصوتية في الهواء الساكن، وهي دالة تتغير حسب خصائص الغاز، ووحدتها متر/ثانية. V هو معدل تدفق وسط الغاز، ووحدته م/ث. θ هو الزاوية بين مسار الموجة الصوتية ومحور الأنبوب. 　　▲كما أن استخدام مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية سهل أيضًا. يتم تركيبه على سطح الأنبوب بشكل “زاوية”， ويجب الانتباه إلى ضرورة تلميع مكان تركيب المستشعر حتى يصبح ناعمًا، كما يجب وضع طبقة من الزبدة عليه. بعد ذلك، يتم تثبيت المستشعر على الأنبوب باستخدام أدوات التثبيت المناسبة. 　　▲عيوب مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية: نطاق القياس أصغر قليلاً مقارنة بمقياس التدفق الحراري للغازات، كما أن الصيانة تكون أكثر تعقيداً. الغازات ذات الدقة العالية غالية الثمن، ويتطلب قياسها تعويضًا لدرجة الحرارة والضغط، كما أن تجهيزاتها معقدة. مقياس التدفق الدوار (للغازات) ▲ مميزات مقياس التدفق الدوار: عرض القراءات في الموقع، بدون حاجة إلى مصدر طاقة؛ سعره منخفض نسبيًا؛ يتوفر منه نوعان، وهما مقياس التدفق الدوار ذو الأنبوب الزجاجي، ومقياس التدفق الدوار ذو الأنبوب المعدني. يمكن العرض محليًا أو عن بُعد، وتتوفر واجهات مثل HART وإشارة التيار القياسية وPROFIBUS. 　　▲مبدأ عمل مقياس التدفق ذو الروتور: يعتبر مقياس التدفق ذو الروتور أيضًا نوعًا من مقاييس التدفق القائمة على السرعة. يتكون من جزأين، أحدهما أنبوب مخروطي الشكل كبير من الأعلى وصغير من الأسفل، والآخر هو الدوار الموجود داخل الأنبوب المخروطي (ويُسمى أيضًا العوامة). يتم تعويض وزن الدوار باستخدام الفرق في الضغط △P الناتج عن مرور السائل عبر الفجوة بين الدوار وجدران الأنبوب المخروطي (مساحة التحكم في التدفق). أثناء العمل، يدخل السائل المراد قياسه من الطرف السفلي للأنبوب المخروطي، ويخرج من الطرف العلوي. يكون حجم القوة التي يولدها السائل لدفع الروتور لأعلى، والتي تُسمى F، مساويًا دائمًا لوزن الروتور G، أي:
F = △P × A؛ G = V × (ρt – ρf) × g.
وبما أن F = G، فإن △P × A = V × (ρt – ρf) × g.
إذن: △P = V × (ρt – ρf) × g / A (1).
حيث:
V هو حجم الروتور؛
A هو المساحة العرضية القصوى للروتور؛
g هو تسارع الجاذبية في المنطقة المعنية؛
ρt وρf هما كثافة مادة الروتور وكثافة السائل المستخدم على التوالي؛
△P هو فرق الضغط بين السائلين في الاتجاه العمودي على الروتور. وكما هو موضح في المعادلة (1)، فإن الفرق في الضغط يظل ثابتًا طوال فترة العمل. عند زيادة التدفق، من الطبيعي أن تزداد سرعة التدفق عبر مساحة التحكم في التدفق أيضًا. وللحفاظ على فرق الضغط △P ثابتًا، يجب زيادة مساحة التحكم في التدفق لخفض سرعة التدفق. لذلك، يمكن معرفة حجم التدفق من خلال مستوى توازن الروتور. يمكن التعبير عن ذلك باستخدام المعادلة (2):
Q = k * h * (√(2ΔP/ρf))¹/² (2)
حيث أن k هو ثابت الجهاز، وh هو ارتفاع الدوار فوق سطح السائل. عند استبدال القيم في المعادلة (1)، نحصل على:
Q = k * h * √[2gV(ρt – ρf) / (ρf * A)]
▲ يُعتبر مقياس التدفق الدوار سهل الاستخدام؛ حيث يكفي فقط تثبيت البراغي المخصصة له أثناء التركيب. لكن يجب الانتباه إلى أن اتجاه تدفق السائل يجب أن يكون عموديًا لأعلى. 　　▲عيوب مقياس التدفق الدوار: نسبة النطاق صغيرة وهي 10:1؛ فقدان الضغط كبير نسبيًا؛ من السهل أن تتسبب الشوائب في انسداده؛ التركيب والصيانة معقدان نسبيًا؛ يتأثر بشكل كبير بالاهتزازات؛ يحتاج إلى تعويضات لدرجة الحرارة والضغط، إلخ؛ يكون قطر الأنبوب متناسبًا طرديًا مع السعر، وعادةً ما يكون أقل من DN200. مقياس تدفق الكتلة للغازات الحراري ▲ مميزات مقياس تدفق الكتلة الحراري: نطاق قياس واسع يصل إلى 1000:1؛ حساسية عالية في النطاقات المنخفضة؛ لا يتأثر بدرجة الحرارة أو الضغط، ويقوم بقياس كتلة الغاز مباشرةً؛ فقدان الضغط ضئيل للغاية؛ يمكنه إجراء قياسات دقيقة لتدفق الغازات في أنابيب ذات قطر كبير؛ سعره لا يختلف كثيرًا حسب حجم الأنبوب؛ دقة عالية تصل إلى 1%؛ نطاق درجات الحرارة الواسع يمتد من -40°م إلى 400°م؛ لا يتأثر بالغبار أو الجسيمات الصلبة. 　　▲مبدأ مقياس تدفق الكتلة الحراري: إنه مقياس تدفق يعتمد على مبدأ الانتشار الحراري. بعبارة بسيطة، عندما يكون هناك مصدر حراري داخل السائل، فإن حرارة المصدر نفسه تتناقص أثناء مرور السائل من خلاله. وكلما زاد معدل تدفق السائل، زادت كمية الحرارة التي يفقدها المصدر. وبهذه الطريقة، يجب أن يكون معدل تدفق السائل مساويًا لكمية الحرارة التي يفقدها مصدر الحرارة في الظروف المثالية. وبالتالي، عندما نعرف قيمة الطاقة الحرارية، يمكننا حساب معدل تدفق السائل. 　　بالنسبة لتطبيق مقياس تدفق الغازات الحراري (المشار إليه فيما يلي باسم مقياس التدفق الحراري) بشكل محدد، فإن ذلك يعني أن جهاز مقياس التدفق الحراري يحتوي على قطبين، أحدهما نقطة مرجعية تُستخدم لقياس درجة حرارة السائل، والآخر هو مصدر حرارة يُستخدم كمصدر للحرارة. وبناءً على ما سبق، يمكننا الحصول على المعادلة التالية:
P/△T = A + B*(Q)^m (3)
حيث أن P هو الطاقة التي يوفرها وحدة التسخين؛ و△T هو الفرق في درجة الحرارة بين مصدر التسخين ونقطة المرجع؛ أما A وB فهما ثوابت تتعلق بخصائص السائل نفسه؛ وm هو معامل تناسب يتعلق أيضًا بخصائص السائل؛ وQ هو معدل تدفق كتلة السائل. من المعادلة (3)، يمكننا ملاحظة أن هناك طريقتين لقياس التدفق: الطريقة الأولى هي استخدام قيمة ثابتة للطاقة، أي طريقة الطاقة الثابتة؛ أما الطريقة الثانية فهي استخدام فرق ثابت في درجة الحرارة، أي طريقة فرق درجات الحرارة الثابت. عادةً ما نستخدم طريقة فرق درجات الحرارة الثابتة في القياس، ومميزات هذه الطريقة أنها دقيقة جدًا في النطاقات المنخفضة، كما أن سرعة رد الفعل فيها عالية، وجميع المنتجات المتوفرة في السوق حاليًا تستخدم هذه الطريقة. 　　▲مقياس تدفق الكتلة الحراري سهل الاستخدام والتركيب، وله نوعان: النوع المُدخل والنوع الأنبوبي. سواء كان نوعه مدخلًا أو عبر أنبوب، فإن صيانته وتشغيله بسيطان للغاية، ويجب أثناء التركيب الانتباه إلى أن يكون اتجاه التدفق متوافقًا مع الاتجاه الذي يشير إليه مقياس التدفق الحراري. 　　▲عيوب مقياس تدفق الكتلة الحراري: لا يصلح للتركيب في البيئات ذات اللزوجة العالية؛ كما أنه لا يصلح للتركيب في الأماكن التي تحتوي على نسبة رذاذ الماء تزيد عن 40%. من خلال العديد من حالات التطبيق العملي في مختلف الصناعات، يتضح بشكل واضح ميزة مقاييس تدفق الغازات الحرارية في قياس الغازات، خاصة في الحالات التي يكون فيها الضغط منخفضًا وتركيب الغاز معقدًا. يتمتع مقياس تدفق الغاز الحراري، مقارنة بأنواع أخرى من مقاييس التدفق، بمزايا مثل فقدان ضغط أقل، ونطاق قياس واسع، وحساسية عالية في النطاقات المنخفضة، مما يساعد على توفير الطاقة. لقد ساهم تطبيقه الناجح في توفير أجهزة قياس دقيقة لقياس تدفق غاز البيوغاز في المستقبل.