Термический расходомер массы газа — лучший выбор для измерения расхода биогаза

Thread Content

Восстановление метана — это полезная для страны и народа, способствующая охране окружающей среды системная инженерная задача. Все страны вкладывают человеческие и материальные ресурсы в активное развитие технологий получения и использования биогаза. Технология производства электроэнергии с использованием биогаза также является одной из самых передовых в мире, и ею владеют лишь немногие страны. Компании заинтересованы в экономической и социальной эффективности, им важно знать, сколько киловатт-часов электроэнергии может быть произведено из 1 м³ газа Традиционные типы расходомеров в применении для измерения биогаза на практике показывают не очень хорошие результаты. Благодаря совершенствованию технологии термических расходомеров массы газа и высокой практической эффективности этих устройств, все больше предприятий, занимающихся производством энергии из биогаза или его восстановлением, начинают использовать такие расходомеры. Благодаря успешному использованию термических методов была решена проблема измерения метана, долгое время мешавшая развитию этой отрасли. Ниже приведен обзор характеристик, принципа действия и способов использования термических расходомеров массы газа, а также сравнение их показателей с показателями других типов расходомеров. Датчик расхода на основе принципа вихревых струй (для газов) ▲ Особенности датчика расхода на основе принципа вихревых струй: отсутствие подвижных частей, высокая точность измерения, небольшие потери давления. Деталь, ответственная за измерение, не соприкасается с измеряемой жидкостью; сигнал, выдаваемый датчиком, не зависит от температуры, давления, плотности, состава и вязкости жидкости. 　　▲ Принцип работы датчика расхода на основе вихревых струй: он использует принцип каменского вихревого ряда из гидродинамики для измерения расхода жидкости. Если вертикально вставить тело, создающее вихри (цилиндр, треугольный призм и другие асимметричные формы, не имеющие симметрии по оси потока), в трубу, то при движении жидкости в трубе сзади этого тела будут поочередно образовываться вихри с левой и правой сторон, что приводит к возникновению ряда вихрей. Эти два вихря находятся параллельно друг другу, появляются поочередно с левой и правой стороны, причем направление их вращения противоположно. Частота вихрей f (Гц) связана с средней скоростью потока жидкости v (м/с) и шириной элемента, создающего вихри, d (м), следующей формулой: f = St * v / d. Здесь St – это коэффициент Строхаля, который зависит от ширины элемента d и числа Рейнольдса жидкости. ▲ Использование расходомеров на основе вихрей довольно простое, а их установка также не представляет сложности. Существуют два типа таких расходомеров: встраиваемые и трубчатые. При монтаже необходимо убедиться, что направление потока жидкости совпадает с направлением, указанным на измерителе расхода. 　　▲ Недостатки вихревых расходомеров: диапазон измерений меньше, чем у тепловых газовых расходомеров (у большинства из них он составляет всего 10:1); сильная чувствительность к вибрациям; размер трубопровода и его стоимость пропорциональны друг другу; для корректных измерений необходима компенсация температуры и давления; в малых диапазонах измерений прибор нечувствителен, нестабилен и практически непригоден для использования. Ультразвуковой расходомер (для газов) ▲ Особенности ультразвукового расходомера: отсутствие потерь давления; простота монтажа; не зависимость от таких характеристик жидкости или газа, как температура, давление, вязкость; отсутствие движущихся частей; возможность измерения загрязненных, корродированных газов, а также газов с несколькими компонентами. 　　▲Принцип работы ультразвукового расходомера: в трубопроводе измеряется время прохождения ультразвука в направлении тока и против него, после чего с помощью расчетов определяется скорость потока жидкости. Расход жидкости можно определить на основе скорости потока среды, диаметра трубы, а также путем динамической корректировки жидкости с использованием числа Рейнольдса. 　　А именно: в трубе в форме «Z» устанавливается пара ультразвуковых датчиков; расстояние L между двумя датчиками служит путем распространения ультразвука. Время распространения ультразвука в направлении тока и против него между двумя датчиками обозначается соответственно как: Ts = L/(C + Vcosθ); Tn = L/(C – Vcosθ). Здесь C — это скорость звука в неподвижном воздухе; эта величина зависит от свойств газа. Единица измерения — м/с. V — скорость потока газовой среды, единица измерения: м/с. θ — угол между путем распространения звуковой волны и осью трубы. 　　▲Использование ультразвуковых расходомеров также довольно удобно. Устанавливаются на поверхности трубы в форме буквы «З». Следует обеспечить гладкость места установки датчика и нанести на него смазку; затем датчик фиксируется на трубе с помощью крепежных элементов. 　　▲Недостатки ультразвуковых расходомеров: диапазон измерений немного меньше, чем у термических расходомеров газа, а техническое обслуживание более сложное. Газы с высокой точностью стоят дорого, для измерений требуется коррекция температуры и давления, а настройка оборудования сложна. Роторный расходомер (для газов) ▲ Особенности роторного расходомера: отображение данных непосредственно на устройстве, не требуется источник питания; относительно низкая стоимость. Существуют два вида таких расходомеров: роторные расходомеры с стеклянной трубкой и металлические расходомеры. Возможен как местный, так и удаленный отображение; интерфейсы включают HART, стандартный токовый сигнал, PROFIBUS и другие. 　　▲Принцип работы роторного расходомера: роторный расходомер также является расходомером скоростного типа. Он состоит из двух частей: это коническая трубка, более широкая сверху и узкая снизу, и ротор (также называемый поплавком), расположенный внутри этой конической трубки. Для компенсации веса ротора используется разница давлений △P, возникающая при прохождении жидкости через зону между ротором и стенками конической трубы (зону сужения). Во время работы исследуемая жидкость поступает в коническую трубку с нижнего конца и выходит из нее с верхнего. Величина силы, которая действует на ротор со стороны жидкости и толкает его вверх, всегда равна весу ротора G. То есть: F = ΔP·A; G = V·(ρt – ρf)·g. Поскольку F = G, следует, что ΔP·A = V·(ρt – ρf)·g. Следовательно: ΔP = V·(ρt – ρf)·g/A (1). Здесь V — объем ротора; A — максимальная площадь поперечного сечения ротора; g — ускорение свободного падения в данной местности; ρt и ρf — плотности материала ротора и исследуемой жидкости соответственно; ΔP — разница давлений жидкостей над и под ротором в вертикальном направлении. Как следует из уравнения (1), в течение всего времени работы разница давлений остается неизменной. При увеличении расхода, конечно, увеличивается и скорость потока через зону сужения. Чтобы сохранить постоянным разницу давлений △P, необходимо увеличить площадь зоны сужения, тем самым снизив скорость потока. Следовательно, путем определения уровня балансировочного положения ротора можно определить величину расхода. Это можно выразить с помощью формулы (2):
Q = k·h·(2△P/ρf)^(1/2) (2)
Здесь k — это константа прибора; h — это высота, на которую поднимается ротор. Подставив значение из уравнения (1), получаем:
Q = k·h·√(2gV(ρt – ρf) / (ρf·A)).
▲ Роторный расходомер удобен в использовании: для его монтажа достаточно затянуть соответствующие болты. Однако необходимо обеспечить, чтобы направление потока жидкости было строго вертикальным вверх. 　　▲Недостатки роторного расходомера: коэффициент диапазона измерений составляет 10:1; относительно большие потери давления; возможна закупорка из-за наличия загрязнений; установка и обслуживание требуют определенных усилий; сильно подвержен воздействию вибраций; необходима коррекция показаний с учетом температуры и давления; диаметр трубы пропорционален цене; обычно используется для труб диаметром до DN200. Термический расходомер массы газа ▲ Особенности термического расходомера массы: диапазон измерений может достигать 1000:1; высокая чувствительность в низких диапазонах; не зависит от температуры и давления, позволяет измерять массу газа напрямую; потери давления можно игнорировать; возможно точное измерение при большом диаметре трубопровода и небольшом расходе газа; цена практически не зависит от размера трубопровода; точность может достигать 1%; диапазон температур — от -40°C до 400°C; нечувствителен к пыли и частицам. 　　▲Принцип работы теплового расходомера: это расходомер, основанный на принципе тепловой диффузии. Проще говоря, когда теплый источник находится в жидкости, при прохождении жидкости через него сам источник теряет тепло. Чем больше массовый поток жидкости, тем больше тепла теряет источник. При идеальных условиях расход такой жидкости должен быть равен количеству тепла, теряемого источником тепла. Следовательно, зная величину теплоты, мы можем определить расход жидкости. 　　Что касается практической реализации термического расходомера массы газа (далее — термический расходомер), то суть заключается в следующем: у такого расходомера имеются два датчика. Один из них служит эталонной точкой для измерения температуры жидкости; другой же является источником тепла. Исходя из вышесказанного, можно получить следующую формулу (3):
P/△T = A + B·(Q)^m (3)
Здесь P — мощность, которую электронный модуль предоставляет в качестве источника нагрева; △T — разница температур между источником нагрева и эталонной точкой; A и B — константы, связанные с свойствами самой жидкости; m — показатель, также связанный со свойствами жидкости; Q — массовый расход жидкости. Из уравнения (3) видно, что существует два способа измерения расхода: при фиксированном значении P используется метод постоянной мощности; при фиксированном значении △T применяется метод постоянной температурной разницы. Обычно мы используем метод измерения с постоянной разницей температур. Особенности этого метода: высокая чувствительность в диапазоне небольших значений и быстрая скорость реакции. В настоящее время все продукты, доступные на рынке, производятся с использованием именно этого метода. 　　▲Термические расходомеры массы удобны в использовании и монтаже; они бывают вставными и трубчатыми. Будь то встраиваемый или трубчатый тип, обслуживание и эксплуатация крайне просты; при монтаже необходимо убедиться, что направление потока совпадает с направлением, указанным на термическом расходомере. 　　▲Недостатки термического расходомера массы: не подходит для установки в средах с высокой вязкостью; не подходит для установки в местах, где содержание капель воды превышает 40%. Судя по многочисленным примерам практического применения в различных отраслях, термические расходомеры массы газа демонстрируют особо выраженные преимущества при измерении газов, особенно в условиях низкого давления и сложного состава газа. Поршневой расходомер массы газа по сравнению с другими расходомерами обладает такими преимуществами, как небольшие потери давления, широкий диапазон измерений и высокая чувствительность в низких диапазонах расхода, что способствует экономии энергии. Его успешное применение обеспечило наличие устройств для точного измерения расхода биогаза в будущем.