انتخاب دستگاه اندازه‌گیری جریان گاز

Thread Content

ویژگی‌های محیطی: گازهای طبیعی انواع مختلفی دارند و ترکیبات آن‌ها نیز پیچیده است. به طور کلی، گازها را می‌توان به دو دسته اصلی، گازهای طبیعی و گازهای مصنوعی، تقسیم کرد. ترکیبات اصلی گاز طبیعی عبارتند از: CO، H2، CO2، N2، O2، CH4، H2S و غیره؛ نسبت مقادیر این ترکیبات بستگی به فرآیندهای تولید گاز طبیعی دارد. گاز مصنوعی، گازی است که از زغال‌سنگ به عنوان ماده اولیه تولید شده و حاوی ترکیبات قابل اشتعال می‌باشد. بر اساس روش فرآوری، ویژگی‌ها و کاربردهای گاز، آن‌ها به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند: گاز حاصل از گازیفیکاسیون، شامل گاز آبی، گاز نیمه‌آبی و گاز هوایی (یا گاز تولید شده در کوره‌های تولید گاز) است. گازی که در فرآیند کوک‌سازی زغال‌سنگ به دست می‌آید، گاز کوره کوک یا گاز کوره بلند نامیده می‌شود. گاز دارای خاصیت خورندگی و سمیت است؛ ترکیبات خورنده اصلی آن شامل هیدروژن سولفید، دی‌اکسید گوگرد، دی‌اکسید کربن و غیره می‌باشد. این گازها تنها در حضور بخار آب، خورندگی دارند. ترکیبات گازی سمی (که برخی از گازهای فرعی فاقد برخی از این ترکیبات هستند) عبارتند از: هیدروژن سولفید، آمونیاک، بنزن و غیره؛ این ترکیبات عمدتاً در گاز حاصل از کوره‌های کوک یافت می‌شوند. بسیاری از گازها حاوی ذرات گرد و غبار هستند و میزان آن بستگی به فرآیند پردازش دارد. همچنین، گازهایی وجود دارند که حاوی رطوبت و تار است. شرایط عملی گاز طبیعی نسبتاً پیچیده هستند و قالب مشخصی برای آن‌ها وجود ندارد. به دلیل تفاوت‌های روش‌های تولید، شرایط عملی در محل نیز متفاوت است. برخی از ویژگی‌های یکپارچه‌تر عبارتند از: فشار استاتیک پایین، سرعت جریان پایین، و افت فشار کم. معمولاً اجازه نداده می‌شود که با کوچک کردن قطر لوله، سرعت جریان افزایش یابد. برخی از سیالات گازی دارای رطوبت هستند و برخی از اجسام مورد اندازه‌گیری نیز حاوی مقدار کمی آب بوده و در ته لوله به صورت لایه‌لایه جریان می‌یابند. برخی از اجسام مورد اندازه‌گیری، دارای میزان هیدروژن بالایی هستند؛ چگالی سیال در آن‌ها کم است، تفاوت بین حداقل و حداکثر جریان بسیار زیاد است، لوله‌های انتقال دارای قطر زیادی هستند و فاصله بین بخش‌های مستقیم لوله نیز کوتاه است. انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری و کاربردهای آن‌ها: انواع مختلفی از دستگاه‌های اندازه‌گیری برای سنجش جریان گازها وجود دارد، اما دستگاه مناسبی برای اندازه‌گیری جریان گاز زغال‌سنگ تقریباً یافت نمی‌شود؛ این موضوع عمدتاً به ویژگی‌های خاص گاز زغال‌سنگ بستگی دارد. به دلیل وجود مواد چسبناکی مانند تار، استفاده از مترهای جریان حجمی چرخشی دشوار است و از مترهای جریان توربینی گازی و روتوری نیز توصیه نمی‌شود. به دلیل چگالی پایین، سرعت جریان کم و محدوده بزرگ تغییرات حجم جریان، تفاوت حجم جریان در زمان‌های اوج و کم مصرف گاز بیش از ۲۰ برابر است؛ لذا استفاده از مترهای جریان نوع میدان گردابی و مترهای جریان نوع فشاری محدود می‌شود. در حال حاضر، عمدتاً از مترهای جریان نوع فشاری و مترهای جریان جرم گازی نوع حرارتی استفاده می‌شود؛ همچنین در برخی موارد از مترهای جریان گازی نوع اولتراسونیک نیز استفاده می‌گردد. اکنون به توضیح کاربردهای اصلی انواع مختلف سنج‌های جریان می‌پردازیم: (۱) سنج جریان نوع رشته‌های گردابی: به دلیل ویژگی‌های گاز طبیعی مانند سرعت جریان پایین، فشار کم، محدوده وسیع تغییرات جریان، خاصیت خورندگی برخی از گازها، لرزش تجهیزات ناشی از دستگاه‌های فشاردهی و نوسانات تصادفی فشار گاز، همگی بر عملکرد سنج جریان نوع رشته‌های گردابی تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، در کاربردهای عملی، تأمین سرعت جریان گاز بالاتر از ۵ متر بر ثانیه دشوار است. بنابراین، روش خیابان گردابی برای اندازه‌گیری جریان گاز مناسب نیست و در حال حاضر کاربردهای بسیار کمی دارد. (۲) دستگاه اندازه‌گیری جریان با استفاده از پلاته سوراخ‌دار: دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان مبتنی بر تفاوت فشار، کاربردهای گسترده‌ای دارند و تاریخچه‌ای طولانی دارند؛ در اندازه‌گیری جریان گاز نیز، در شرایط خاص، موارد استفاده مشخصی از آن‌ها وجود دارد. اما نواقص و کاستی‌های خود سنسورهای جریان مبتنی بر تفاوت فشار نیز مانع از کاربردهای گسترده‌تر آن‌ها می‌شود؛ به عنوان مثال، وجود قطرات آب در لوله‌های انتقال فشار باعث دقت کمتر در اندازه‌گیری تفاوت فشار می‌گردد. در شرایط فرآیندی با تغییرات زیاد بار، نسبت محدوده اندازه‌گیری پایین سنسورهای جریان‌سنج نوع فشاری، نیازها را برآورده نمی‌کند. میزان الزامات نصب و سختی‌های اجرایی در مورد شمارنده‌های جریان با قطر لوله بزرگ، محدودیت‌هایی را برای شمارنده‌های جریان مبتنی بر فشار تفاضلی ایجاد می‌کند. گاز حاوی گرد و غبار است و صفحات سوراخ‌دار استاندارد نمی‌توانند در چنین محیطی مورد استفاده قرار گیرند. برای رفع این مشکل، دستگاه‌های کاهش فشار مختلفی مانند صفحات سوراخ‌دار گرد، صفحات سوراخ‌دار قابل تعویض، و چند لوله موازی، توسعه یافته‌اند. اثرات آن می‌تواند خوب یا بد باشد و برای دستیابی به نتایج بهتر، باید در شرایط خاصی اعمال شود. (۳) دستگاه اندازه‌گیری جریان با لوله سرعت یکنواخت: لوله سرعت یکنواخت نیز جزو دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان مبتنی بر فرق فشار محسوب می‌شود. در اندازه‌گیری جریان گاز در لوله‌های با قطر بزرگ، به دلیل هزینه‌های بالای تولید و سختی نصب، استفاده از پلات‌های قابل تعویض گزینه مناسبی نیست؛ بنابراین اگر داده‌های اندازه‌گیری تنها برای نظارت بر فرآیند مورد استفاده قرار گیرند و نیاز به دقت زیادی نباشد، استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان با فشار متفاوت نیز گزینه‌ای است که بسیاری از مشتریان در نظر می‌گیرند. کلید موفقیت یا شکست استفاده از دستگاه اندازه‌گیری جریان با فشار تفاضلی در لوله‌های با سرعت ثابت برای اندازه‌گیری جریان گاز، این است که لوله‌های انتقال فشار توسط قطرات آب یا ذرات کثیف مسدود نشوند. از آنجایی که شیرهای قطع موجود در محصولات لوله‌های با سرعت ثابت، اغلب از نوع شیرهای سوزنی هستند و قطر آن‌ها کوچک است، بخارات موجود در مایع پس از تبخیر به قطرات آب تبدیل می‌شوند؛ همچنین ذرات بزرگتر موجود در مایع نیز می‌توانند مسیر انتقال فشار را مسدود کنند. از نظر عملکرد در کاربردهای واقعی، مشکلات زیادی وجود دارد؛ نرخ خرابی بالاست و نیاز به تعمیرات زیادی هست. سنجش جریان گاز با روش حرارتی: سنجش جریان حرارتی، دستگاهی برای اندازه‌گیری جریان است که بر اساس اصل انتشار حرارت طراحی شده است. یعنی از این اصل استفاده می‌شود که میزان از دست رفتن گرما توسط یک جسم گرم در هنگام عبور سیال از کنار آن، با جریان سیال در رابطه‌ای خطی قرار دارد. سنسورهای این نوع سنجش‌ها شامل دو RTD درجه استاندارد هستند؛ یکی برای تأمین منبع حرارتی و دیگری برای اندازه‌گیری دمای سیال. هنگامی که سیال در حال جریان است، تفاوت دمایی بین این دو، با مقدار جریان در رابطه‌ای خطی است؛ سپس با استفاده از فناوری کنترل میکروالکترونیکی، این رابطه به یک سیگنال خطی برای اندازه‌گیری جریان تبدیل می‌شود. جریان‌سنج جرمی حرارتی دارای ویژگی‌های زیر است: قادر به اندازه‌گیری جریان‌های بسیار کوچک با سرعت جریان بسیار پایین، فاقد قطعات متحرک، و با قابلیت اطمینان بالا. اتلاف فشار بسیار کم است و تقریباً قابل نادیده گرفتن است. جریان جرم را مستقیماً اندازه‌گیری می‌کند، بدون نیاز به جبران دما و فشار. نسبت دامنه اندازه‌گیری بسیار بالا، ۱۰۰۰:۱؛ قیمت آن تأثیر چندانی از قطر لوله ندارد و به‌ویژه در لوله‌های با قطر بزرگ، مزیت بهره‌وری قیمتی آن بیشتر مشهود می‌شود؛ همچنین نصب آن آسان بوده و در برابر لرزش مقاوم است. عملکرد تکراری خوب، تقریباً نیازی به نگهداری ندارد. (۵) دستگاه اندازه‌گیری جریان گاز با امواج فراصوت: دستگاهی برای اندازه‌گیری جریان گاز که معمولاً شامل لوله‌های اندازه‌گیری و ترانسدوسرهای فراصوت است و از روش تفاوت زمانی برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌کند. ترانسدوسرها معمولاً در امتداد دیواره لوله نصب می‌شوند و مستقیماً با مایع در تماس هستند؛ پالس‌های اولتراسونیک ارسال شده توسط یک ترانسدوسر، توسط ترانسدوسر دیگر دریافت می‌شود و برعکس. پالس‌های اولتراسونیک از میان لوله عبور می‌کنند، درست مانند قایقی که در رودخانه حرکت می‌کند؛ اگر جریان سیال وجود نداشته باشد، امواج صوتی با همان سرعت در هر دو جهت منتشر خواهند شد. اگر سرعت جریان گاز صفر نباشد، سرعت انتشار در جهت جریان و در جهت مخالف آن یکسان نیست؛ بر اساس تفاوت زمان‌های انتشار این دو جهت، می‌توان سرعت جریان گاز را محاسبه کرد. میزان‌سنج جریان فراصوت گازی به دلیل دقت بالای اندازه‌گیری، عدم ایجاد اتلاف فشار، نسبت دامنه بالا، نصب آسان (بدون نیاز به سوراخ کردن لوله‌ها یا جوشکاری)، قابلیت استفاده در شرایط پیچیده مانند گازهای کثیف، گازهای پر رطوبت، گازهای خورنده و گازهای مخلوط، و همچنین امکان اندازه‌گیری در هر دو جهت، مورد توجه قرار گرفته است. به دلیل تفاوت‌های عملکرد فنی برندهای مختلف، قیمت‌های فعلی بسیار بالاست که مانع از استفاده از آن‌ها می‌شود. با مقایسه جامع، مزایای جریان‌سنج جرمی حرارتی در اندازه‌گیری جریان گاز طبیعی نسبتاً مشهود است. (۱) نصب: سنج‌های جریان تفکیکی (از جمله لوله‌های سرعت یکنواخت) برای اندازه‌گیری جریان گاز، همگی نیاز به جبران دما و فشار دارند. حجم کار نصب زیاد است و هزینه نصب بالاست (به‌ویژه برای لوله‌های با قطر بزرگ). به دلیل وجود تعداد زیادی لوازم جانبی، ریسک بروز مشکلات نشت، ریختن و سرریز وجود دارد که **بار کارهای نگهداری روزانه را افزایش می‌دهد.** در مترهای جریان گاز حرارتی، اندازه‌گیری جریان گاز نیازی به جبران تأثیرات دما و فشار ندارد؛ مقدار جریان اندازه‌گیری‌شده، جریان با وزن است. **این امر الزامات مربوط به جبران تغییرات فشار در سایر مترهای جریان برای اندازه‌گیری گاز را کاهش می‌دهد.** همزمان با کاهش هزینه‌های نصب، نقاط نشت و خرابی کاهش یافته و از پایداری دستگاه در عملکرد طولانی‌مدت اطمینان حاصل می‌شود. قطعات سنسور تقریباً هیچ اتلاف فشاری ندارند و باعث ایجاد گوشه‌های کثیف، مسدودی و موارد مشابهی نمی‌شوند که بر نمونه‌برداری سیگنال سنسور تأثیر بگذارد. می‌توان از رابط فرآیندی ساخته شده از فولاد ضدزنگ با طراحی ویژه استفاده کرد؛ این رابط فرآیندی به گونه‌ای طراحی شده است که حتی پس از جدا کردن چندین بار شمارنده جریان از لوله، به آن آسیبی نرسد. امکان تعمیر بدون وقفه و آنلاین شمارنده جریان وجود دارد که این امر، مدیریت فرآیندهای تولیدی کاربران را به طور چشمگیری تسهیل می‌کند. علاوه بر این، برای اندازه‌گیری جریان گاز در محیط‌های حاوی مواد خورنده، سنج‌های جریان گاز حرارتی می‌توانند از سنسورهایی با موادی بسیار مقاوم در برابر خوردگی استفاده کنند. برای نظارت بر جریان گاز حاوی تار، سنج‌های جریان حرارتی می‌توانند از دو روش برای حل این مشکل استفاده کنند: روش اول، استفاده از سنسورهای محوری است (در حال حاضر محصولاتی در سطح بین‌المللی وجود دارد، همان‌طور که در تصویر نشان داده شده است). همچنین، برای تسهیل تمیزکاری منظم ذرات کثیف توسط مشتریان، از مدل‌های حفاری حرارتی و ابزارهای سوراخ‌کن نیز استفاده می‌شود. با استفاده از روش‌های مناسب، می‌توان اطمینان حاصل کرد که در صورت چسبیدن مواد کثیف به سنسور، شمارنده جریان گاز حرارتی بتواند بدون توقف عملکرد سیستم گاز، سنسور را به صورت آنلاین تمیز کند. راهکار دوم، انجام تغییرات ویژه بر روی سنسور متر جریان گاز حرارتی است؛ این کار باعث می‌شود که آلودگی‌های ناشی از تار شوندگی، مدت زمان بیشتری روی سنسور باقی بمانند. همچنین، این روش به تمیز کردن سنسور کمک می‌کند (همانند شکل). ۲) محدوده اندازه‌گیری: سنجش جریان گاز نوع حرارتی می‌تواند مقادیر جریان گاز را در بازه‌ای از سرعت جریان حداقل ۰٫۰۵ Nm/s تا سرعت جریان حداکثر ۱۰۰ Nm/s را ردیابی کند. نسبت دامنه می‌تواند تا ۱:۱۰۰۰ باشد. میزان‌سنج جریان فراصوت گازی می‌تواند مقادیر جریان را در بازه ۰٫۰۱ متر بر ثانیه تا ۲۵ متر بر ثانیه تشخیص دهد. این دو نوع سنج جریان می‌توانند تغییرات گسترده جریان ناشی از نوسانات بار گازی مختلف را پوشش دهند؛ این ویژگی، برجسته‌ترین مزیت سنج‌های جریان گازی حرارتی نسبت به سایر سنج‌های جریان است. در سنج‌های جریان نوع فشار تفاضلی، به دلیل رابطه مربعی بین سیگنال دستگاه (فشار تفاضلی) و جریان، محدوده اندازه‌گیری آن‌ها معمولاً تنها ۳:۱ تا ۴:۱ است. با پیشرفت علوم و فناوری‌های مدرن و کاربرد رایانه‌های الکترونیکی، ظهور ترانسمیترهای فشار تفاضلی با دامنه گسترده، باعث افزایش چشمگیر نسبت دامنه در سنج‌های جریان مبتنی بر فشار تفاضلی شده است. در حال حاضر، نسبت دامنه سنج‌های جریان فشار تفاضلی می‌تواند تا ۱:۱۰ باشد؛ اما این نسبت دامنه همچنان برای مقادیری که دارای تغییرات زیادی در بار جریان هستند، کافی نیست. (۳) دقت: سنسورهای جریان جرم گازی نوع حرارتی، پس از بیش از چهل سال توسعه، در تمامی جنبه‌های فنی پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. در سنسورهای جریان ماس گازی حرارتی امروزی، هنگام اندازه‌گیری گازهای تک‌ماده‌ای، دقت کلی آن‌ها می‌تواند به ±۱.۰٪FS برسد (در محدوده نسبت اندازه‌گیری ۱:۱۰۰)، و تکرارپذیری آن‌ها نیز ±۰.۲۵٪FS است؛ که این میزان دقت، در اندازه‌گیری گازها، بسیار بالا محسوب می‌شود. اما از آنجایی که ترکیب گاز زغال‌سنگ، یک گاز مخلوط از چندین ماده است (برای مطالعات مشابه درباره سایر گازهای مخلوط نیز می‌توان به منابع مربوطه مراجعه کرد)، تغییر در ترکیب این گاز مخلوط، منجر به تغییر پارامترهای فیزیکی آن خواهد شد. در مورد مشکل تأثیر تغییرات ترکیب گازهای مورد اندازه‌گیری بر سیگنال خروجی جریان‌سنج، اکثر جریان‌سنج‌ها روش مناسبی برای حل آن ندارند. جریان‌سنج‌های جرمی گازی با روش‌های جبران‌سازی مبتنی بر ترکیبات گاز و همچنین روش‌های جبران‌سازی دما، این مشکل را برطرف می‌کنند. مزیت این روش این است که هنگامی که ترکیب گاز یا دما تغییر می‌کند، استفاده از این الگوریتم‌های جبران‌سازی می‌تواند خطاهای ناشی از تغییرات ترکیب یا دما را از بین ببرد. پس از یک بار کالیبراسیون (که معمولاً از هوا به عنوان محیط کالیبراسیون استفاده می‌شود)، می‌توان از آن در شرایط مختلف ترکیبات و دماها استفاده کرد؛ این امر باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه‌های لازم برای کالیبراسیون مجدد می‌شود. این امر، پایه و زیرساخت فنی لازم برای گسترش استفاده از جریان‌سنج‌های جرمی حرارتی را فراهم کرده است. با توجه به خطی بودن و قابلیت تکرارپذیری بالای جریان‌سنج‌های جرمی حرارتی، در اندازه‌گیری جریان گاز، در صورتی که هدف از استفاده آن‌ها اندازه‌گیری‌های تجاری نباشد و تنها برای کنترل فرآیندها مورد استفاده قرار گیرند، از نظر نسبت کیفیت به قیمت، جریان‌سنج‌های حرارتی بدون شک بهترین گزینه هستند. سنج‌های جریان نوع فشار تفاضلی، تحت تأثیر عوامل مختلف زیادی قرار دارند؛ هرگونه مشکل در هر یک از مراحل، از طراحی و ساخت گرفته تا نصب، منجر به خطاهای قابل توجهی خواهد شد. به‌ویژه در اندازه‌گیری سرعت جریان پایین، مقدار فشار تفاضلی ایجاد شده بسیار کم است؛ گاهی اوقات این مقدار تنها چند ده پاسکال یا حتی چند پاسکال است. در چنین مقدار کم فشار تفاضلی، تأثیرات مزاحمت‌ها بسیار زیاد است؛ یک قطره آب کوچک، یک ذره ناخالصی، یا کمی روغن نیز می‌تواند فشار تفاضلی را خنثی کند. بنابراین، در مترهای جریان نوع فشار تفاضلی که برای اندازه‌گیری گاز استفاده می‌شوند، دقت کلی آن‌ها هرگز نمی‌تواند به سطح بسیار بالایی برسد. علاوه بر این، از نظر پایداری و سهولت نگهداری، مترهای جریان نوع فشار تفاضلی بهتر از مترهای جریان حرارتی نیستند. مزایای سنج‌های جریان فراصوت برای گازها غیرقابل انکار است، اما هزینه خرید آن‌ها بسیار بالاست؛ در حال حاضر، این دستگاه‌ها عمدتاً در تسویه معاملات تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. (۴) اتلاف فشار: از آنجایی که سنسورهای جریان فراصوت گازی به صورت خارجی نصب می‌شوند (پروب در بیرون از لوله قرار می‌گیرد)، هیچ اتلاف فشاری وجود ندارد. به دلایل ساختاری، اتلاف فشار در جریان‌سنج‌های حرارتی بسیار کم است؛ در شرایط سرعت جریان پایین و قطر لوله بزرگ، اتلاف فشار را می‌توان نادیده گرفت. اما سنج‌های جریان نوع فشاری متفاوت هستند؛ از دست رفتن فشار، یکی از نقص‌های اصلی سنج‌های جریان نوع فشاری است. تلفات فشار، یکی از چالش‌ها و موانع اصلی در صرفه‌جویی در مصرف انرژی است. هنگام انتقال گاز در مسافت‌های طولانی، نیاز به کاهش تلفات فشار بیشتر است؛ در غیر این صورت، منجر به افزایش چشمگیر مصرف برق و هزینه‌های دیگر خواهد شد. بنابراین، از منظر بلندمدت و معیارهای ارزیابی کاهش مصرف انرژی، استفاده از سنسورهای جریان نوع فشار تفاضلی در سیستم‌های اندازه‌گیری جریان گاز، بهترین گزینه نیست. در ادامه، مقایسه‌ای از انواع سنج‌های جریان آورده شده است:

**انواع سنج‌های جریان:**
سنج‌های جریان مبتنی بر تفاوت فشار، سنج‌های جریان با لوله‌های سرعت یکنواخت، سنج‌های جریان اولتراسونیک برای گازها، سنج‌های جریان جرمی حرارتی برای گازها.

**میزان اتلاف فشار:**
زیاد، کم، ندارد، بسیار کم.

**قابلیت اندازه‌گیری جریان در دو جهت:**
غیرممکن، غیرممکن، ممکن، ممکن.

**دقت اندازه‌گیری:**
۰.۱٪، ۰.۵٪، ۰.۱۵٪، ۰.۲٪.

**الزامات نصب:**
سختگیرانه، معمولی، معمولی، معمولی، کم.

**عملکرد در سرعت‌های پایین جریان:**
ضعیف، ضعیف، خوب، خوب.

**نسبت دامنه اندازه‌گیری:**
۱۰:۱، ۱۰:۱، ۵۰:۱، ۱۰۰:۱.

**مدت زمان عمر مفید:**
کوتاه، نسبتاً طولانی، طولانی، بسیار طولانی.

**میزان کارهای نگهداری:**
زیاد، زیاد.

**نیاز به نگهداری منظم:**
بله، بله.

**سطح ایمنی:**
پایین، بالا، بسیار بالا، بسیار بالا.

**قیمت:**
پایین، معمولی، بسیار بالا.

**رابطه با قطر لوله:**
معکوس