Выбор прибора для измерения расхода газа

Thread Content

Свойства среды. Существует множество видов газа; их состав также весьма сложен. В общем, газы можно разделить на две основные категории: природный газ и искусственный газ. Основными компонентами газа являются: CO, H2, CO2, N2, O2, CH4, H2S и др.; пропорции этих компонентов зависят от способа производства газа. Искусственный газ — это газ, получаемый путем переработки угля и содержащий горючие компоненты. В зависимости от способа переработки, свойств газа и его назначения различают: в результате газификации получаются водяной газ, полуводяной газ, воздушный газ (или газ генератора). Газ, получаемый в процессе коксования при сухой коксовке угля, называется коксовым газом или газом из доменной печи. Газ коррозиен и токсичен; основными коррозионно-активными компонентами являются сероводород, диоксид серы, диоксид углерода и т. д. Эти газы обладают коррозионными свойствами только в присутствии водяного пара. Токсичные компоненты газа (в некоторых побочных продуктах газообразования этих компонентов может и не быть): сероводород, аммиак, бензол и т. д. Эти компоненты в основном содержатся в коксовом газе. Во многих газах содержится пыль; её количество зависит от технологии обработки. В некотором газе также присутствуют влага и смолы. Фактические условия эксплуатации. Фактические условия эксплуатации газа довольно сложны, и для них не существует четкой формулы. Различаются технологии приготовления, а также фактические условия на месте. Некоторые общие характеристики: низкое статическое давление, низкая скорость потока и малая допустимая потеря давления. Как правило, не допускается использование метода уменьшения диаметра трубы для повышения скорости потока. Некоторые газообразные среды содержат влагу, а объекты измерения могут иметь небольшое количество воды, которая образует слои в нижней части трубопровода. У некоторых объектов измерения содержание водорода довольно высоко, плотность жидкости невелика; разница между минимальным и максимальным расходом велика. Трубопроводы имеют большой диаметр, а участки прямых труб краткие. Типы приборов и их применение. Существует множество типов расходомеров, которые можно использовать для измерения расхода газов. Однако подходящих приборов для измерения расхода угольного газа практически не существует. Это обусловлено особенностями угольного газа. Из-за наличия вязких веществ, таких как деготь, использование ротационных объемных расходомеров затруднено; также не рекомендуется применять газовые турбинные и роторные расходомеры. Из-за низкой плотности, малой скорости потока и больших колебаний расхода, разница между расходом в периоды пиковой нагрузки и в периоды спада превышает 20 раз. Поэтому использование датчиков расхода на основе эффекта вихревых струй и датчиков расхода на основе разницы давлений ограничено. В настоящее время в основном используются расходомеры с разницей давлений и термические расходомеры массы газа; иногда также применяются ультразвуковые расходомеры для газа. Теперь рассмотрим применение основных типов расходомеров: (1) Расходомеры на основе эффекта вихревых струй: из-за особенностей газа — низкой скорости потока, низкого давления, большого диапазона изменений расхода, а также из-за его коррозионных свойств — вибрации оборудования, вызванные использованием устройств для повышения давления, и случайные колебания давления газа могут влиять на работу таких расходомеров. К тому же на практике весьма сложно обеспечить скорость потока газа выше 5 м/с. Поэтому вихревой поток не подходит для измерения расхода газа, и в настоящее время он почти не применяется. (2) Диафрагменный дифференциальный расходомер: Дифференциальные расходомеры имеют довольно широкую сферу применения и долгую историю; в контроле расхода газа в определенных случаях они также находят свое применение. Однако собственные недостатки и ограничения расходомеров, основанных на разнице давлений, также препятствуют их более широкому использованию: например, наличие капель в трубках для измерения давления приводит к неточности показаний. В условиях технологического процесса с сильными колебаниями нагрузки недостаточно высокое соотношение диапазонов измерений у расходомеров с разницей давлений. Для расходомеров с большим диаметром трубок предъявляются высокие требования к монтажу, а процесс установки является сложным; все это является ограничением для расходомеров, работающих на принципе разницы давлений. Газ содержит пыль, поэтому стандартные диффузоры не могут использоваться в таких условиях. Чтобы преодолеть этот недостаток, были разработаны диффузоры с неполными отверстиями, сменные диффузоры, а также другие устройства для регулировки потока, такие как многотрубные системы. Эффект бывает как хорошим, так и плохим, к тому же для достижения лучшего результата необходимы определенные условия. (3) Расходомер с трубкой равнозначного потока: трубка равнозначного потока также относится к расходомерам, использующим разницу давлений. При измерении расхода газа в трубах большого диаметра, при условии, что данные измерений используются только для контроля процесса и требуется не высокая точность, многие клиенты рассматривают возможность использования дифференциальных турбинных измерителей расхода. Это связано с высокой стоимостью производства и сложностью установки заменяемых пробок. Ключевым фактором успешного применения дифференциального расходомера с питательными трубками при измерении расхода газа является то, чтобы питательные трубки не забивались каплями воды или загрязняющими частицами. Поскольку в готовых трубках с постоянной скоростью потока клапаны для перекрытия потока в основном представляют собой игольчатые клапаны с небольшим диаметром, а водяной пар в жидкости конденсируется в капли воды; кроме того, более крупные частицы примесей в жидкости могут привести к засорению трубопроводов для измерения давления. С точки зрения практического применения существует множество проблем: высокий уровень неисправностей и значительные затраты на техническое обслуживание. Термический расходомер: термический расходомер — это прибор для измерения расхода, разработанный на основе принципа тепловой диффузии. При этом используется тот факт, что при прохождении жидкости через нагреваемый объект количество тепла, уходящего от этого объекта, пропорционально расходу жидкости. В таких расходомерах имеются два датчика типа RTD стандартного качества: один из них служит источником тепла, а другой — для измерения температуры жидкости. При потоке жидкости разница температур между этими датчиками пропорциональна величине расхода. С помощью микроэлектронных технологий эта зависимость преобразуется в линейный сигнал, отражающий значение расхода. Термический расходомер массы газа обладает следующими преимуществами: способен измерять очень малые расходы газа при низких скоростях потока, не имеет подвижных частей и обеспечивает высокую надежность. Потери давления очень малы, их практически можно игнорировать. Прямое измерение массового расхода без компенсации температуры и давления. Коэффициент диапазона измерений чрезвычайно высок — 1000:1. Цена практически не зависит от диаметра трубы; преимущество ценовой эффективности особенно заметно при больших диаметрах. Устройство простое в установке и устойчиво к вибрациям. Хорошая производительность при повторных запусках, практически не требует обслуживания. (5) Ультразвуковой расходомер для газов: ультразвуковой расходомер, используемый для измерения расхода газа; это обычно устройство для измерения расхода, состоящее из ультразвуковых преобразователей и других компонентов, а также имеющее собственный канал для измерений. Преобразователи обычно устанавливаются вдоль стенки трубы и находятся в прямом контакте с жидкостью; ультразвуковые импульсы, излучаемые одним преобразователем, принимаются другим, и наоборот. Ультразвуковые импульсы проходят через трубопровод, подобно лодке, плывущей по реке; при отсутствии потока жидкости звуковые волны будут распространяться в обоих направлениях с одинаковой скоростью. Если скорость потока газа не равна нулю, то скорости распространения в направлении потока и против него различаются. Исходя из разницы во времени этих двух процессов, можно рассчитать скорость потока газа. Газовые ультразвуковые расходомеры обладают высокой точностью измерений, не вызывают потерь давления, имеют широкий диапазон измерений, просты в монтаже (не требуется делать отверстия в трубопроводах и сварки). Их можно использовать в сложных условиях работы с грязными газами, газами с высоким содержанием влаги, коррозионными газами, смешанными газами и т. д. Кроме того, они позволяют осуществлять измерения в обоих направлениях. Из-за различий в технических характеристиках у разных брендов высокая текущая цена прямо ограничивает их применение. При комплексном сравнении преимущества тепловых расходомеров для измерения массового расхода газа в измерении расхода газа все же довольно очевидны. (1) Установка: При измерении расхода газа с помощью дифференциальных расходомеров (включая трубки Пито) необходима компенсация по температуре и давлению. Объем монтажных работ велик, стоимость монтажа высока (особенно при большом диаметре труб). Из-за чрезмерного количества крепежных элементов легко возникают проблемы с утечками, что **увеличивает объем ежедневного технического обслуживания». Для тепловых расходомеров измерение расхода газа не требует компенсации по температуре и давлению; измеренное значение расхода представляет собой массовый расход, **что снижает потребность в настройках стабилизации и компенсации, необходимых для других расходомеров при измерении газа.** При снижении затрат на установку уменьшается количество точек утечек и неисправностей, что обеспечивает надежную работу прибора в течение длительного времени. Компоненты датчика практически не создают потерь давления; не возникает зон, труднодоступных для очистки, засорений и прочих ситуаций, влияющих на сбор сигналов датчика. Можно приобрести специально разработанные стальные элементы для зажима, предназначенные для использования в качестве соединительных элементов. Благодаря своей специальной конструкции такие элементы обеспечивают возможность многократной демонтажки расходомера с трубопровода без его повреждения. Возможна демонтажная работа с расходомером онлайн без остановки, что значительно упрощает управление производственным процессом для пользователей. Кроме того, для измерения расхода газа с коррозионными средами термические расходомеры газа могут оснащаться датчиками из материалов с высокой стойкостью к коррозии. Для контроля потока газа, содержащего деготь, в качестве средства измерения можно использовать термические расходомеры. Существует два способа решения этой проблемы: первый способ заключается в использовании осевого датчика (на сегодняшний день уже существуют такие устройства на международном рынке, как показано на рисунке). Для удобства клиентов при регулярной очистке устройства от грязи также используются специальные инструменты для бурения и очистки. Благодаря совершенным методам можно обеспечить возможность онлайн-очистки датчика теплового расходомера газа в случае, когда его поверхность покрывается загрязнениями, при этом не требуется останавливать подачу газа. Второй вариант заключается в специальной обработке датчика термического расходомера газа, что позволяет увеличить время, в течение которого смолистые загрязнения остаются на датчике, а также облегчает его очистку (см. рисунок). 2) Диапазон измерений: термический расходомер может отслеживать значение расхода газа в диапазоне от минимальной скорости потока 0,05 Нм/с до максимальной скорости потока 100 Нм/с. Коэффициент диапазона может достигать 1:1000. Газовый ультразвуковой расходомер может измерять расход в диапазоне от 0,01 м/с до 25 м/с. Эти два типа расходомеров способны справляться с большими колебаниями расхода газа, обусловленными изменениями нагрузки, что является самым значительным преимуществом термических расходомеров газа по сравнению с другими типами расходомеров. У расходомеров с разницей давлений диапазон измерения обычно составляет всего 3:1–4:1, поскольку между сигналом прибора (разницей давлений) и расходом существует квадратичная зависимость. Благодаря развитию современных научно-технических достижений и применению электронных компьютеров появились датчики дифференциального давления с широким диапазоном измерений. Это позволило значительно увеличить диапазон измерений расходомеров, работающих на основе принципа дифференциального давления. В настоящее время диапазон измерений таких расходомеров может достигать 1:10. Однако этот диапазон все еще недостаточен для ситуаций, когда значения расхода сильно меняются. (3) Точность: За более чем сорок лет развития термических расходомеров массы газа был достигнут значительный прогресс во всех технических аспектах. Современные термические расходомеры массы газа при измерении газа с одним компонентом обеспечивают общую точность до ±1,0% от полного диапазона измерений (в диапазоне коэффициента развертки 1:100), а повторяемость измерений составляет ±0,25% от полного диапазона измерений. Это считается довольно высокой точностью для измерения газов. Однако, поскольку состав газа представляет собой смесь различных веществ (аналогично можно рассматривать и другие смеси), изменение состава этой смеси приводит к изменению ее физических свойств. Что касается проблемы влияния изменений состава измеряемого газа на сигнал, выходящий от расходомера, то у большинства расходомеров нет эффективных способов её решения. Расходомеры, работающие по принципу теплового измерения массы газа, используют алгоритмы коррекции, основанные на учете состава газа и температуры. Смысл таких алгоритмов заключается в том, что при изменении состава газа или температуры они позволяют устранять ошибки, возникающие в результате этих изменений. После однократной калибровки (обычно в качестве калибровочной среды используется воздух) прибор можно использовать при различных составах газовой смеси и температурных условиях, что позволяет сэкономить трудозатраты и расходы на повторную калибровку газовой смеси. Это заложило техническую основу и обеспечило распространение термических измерителей массового потока газа. Учитывая хорошую линейность и воспроизводимость термических расходомеров массы газа, в измерении расхода газа для целей процессного контроля, а не для коммерческого учета, с точки зрения соотношения цены и качества, термические расходомеры, безусловно, являются наилучшим выбором. Дифференциальные расходомеры сильно зависят от различных факторов; любая проблема на любом этапе — от проектирования и изготовления до монтажа — приводит к значительной погрешности. Особенно это касается измерений при низкой скорости потока, когда величина разницы давлений бывает чрезвычайно малой — иногда она составляет всего несколько десятков паскалей или даже несколько паскалей. При таком малом значении перепада давления влияние любых помех очень велико: даже крошечная капля воды, частица примеси или немного масла способны свести это значение на нет. Поэтому у расходомеров, работающих на основе разницы давлений для измерения газа, невозможно достичь высокой общей точности. К тому же, с точки зрения стабильности и удобства обслуживания, расходомеры с разницей давлений уступают термическим расходомерам. Преимущества газовых ультразвуковых расходомеров неоспоримы, однако их стоимость довольно высока; в настоящее время они в основном используются для расчетов в торговле. (4) Потери давления: у газовых ультразвуковых расходомеров, поскольку датчики устанавливаются снаружи трубопровода, не возникает никаких потерь давления. По конструктивным причинам у тепловых расходомеров очень малые потери давления; при низких скоростях потока и большом диаметре трубопровода эти потери можно считать незначительными. А расходомеры с разницей давлений отличаются: большие потери давления являются одним из основных недостатков таких расходомеров. Потери давления являются основной проблемой и препятствием на пути к энергосбережению. При транспортировке газа на большие расстояния требования к потерям давления еще выше; в противном случае это приведет к значительному увеличению энергопотребления и прочих затрат. Следовательно, с учетом долгосрочных перспектив и критериев оценки энергоэффективности, использование расходомеров на основе разницы давлений в системах измерения расхода газа не является оптимальным решением. Ниже приведено сравнение различных типов расходомеров: Расходомеры на основе разницы давлений, Расходомеры с трубкой постоянной скорости, Ультразвуковые расходомеры для газа, Термические расходомеры массы газа. Уровень потерь давления: высокий, низкий, отсутствует, крайне низкий. Возможность измерения двунаправленного потока: нет, нет, да, да. Повторяемость измерений: 0,1%, 0,5%, 0,15%, 0,2%. Требования к условиям установки: строгие, средние, средние, средние; характеристики при низких скоростях потока: плохие, плохие, хорошие, хорошие. Отношение диапазонов измерений: 10:1, 10:1, 50:1, 100:1. Срок службы: короткий, довольно долгий, долгий, очень долгий. Объем работ по техническому обслуживанию: большой, большой. Необходимость периодического обслуживания: есть, есть. Уровень безопасности: низкий, высокий, высокий, очень высокий. Цена: низкая, средняя, очень высокая. Цена обратно пропорциональна диаметру трубы