Gaz akış ölçüm cihazının seçimi

Thread Content

Ortam özellikleri: Doğal gazın çeşitleri çok fazladır ve bileşimi de oldukça karmaşıktır. Doğal gaz genellikle doğal gaz ve sentetik gaz olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Gazın başlıca bileşenleri CO, H2, CO2, N2, O2, CH4, H2S gibi maddelerdir ve bu bileşenlerin oranları gaz üretim sürecine bağlıdır. Sentez gazı, kömürden işlenerek elde edilen ve yanıcı bileşenler içeren bir gazdır. İşleme yöntemine, gazın özelliklerine ve kullanım alanlarına göre şu şekilde sınıflandırılır: Gazlaştırma yoluyla elde edilenler su gazı, yarı su gazı ve hava gazıdır (veya üretim fırını gazı). Kömür kuru damıtma yönteminde koklaştırma sonucu elde edilen gazlara kok ocağı gazı ve yüksek fırın gazı denir. Gazlar aşındırıcı ve zehirli olabilir; aşındırıcı bileşenler arasında başlıca hidrojen sülfür, kükürt dioksit, karbondioksit gibi maddeler bulunur. Bu gazlar yalnızca su buharı varken aşındırıcıdır. Zehirli gaz bileşenleri (bazı yan ürün gazlarında bu bileşenlerden bazıları bulunmaz) arasında hidrojen sülfür, amonyak, benzen gibi maddeler yer alır ve bu bileşenler esas olarak kok kömürü gazında bulunur. Birçok gaz toz içerir ve bu miktar işleme tekniğiyle ilişkilidir. Bazı gazlarda ayrıca nem ve katran bulunur. Gerçek çalışma koşulları: Doğal gazın gerçek çalışma koşulları oldukça karmaşıktır ve belirli bir standart yoktur. Üretim süreçleri farklı olduğundan, sahadaki gerçek çalışma koşulları da değişiklik gösterir. Daha tutarlı olan bazı özellikler şunlardır: düşük statik basınç, düşük akış hızı ve küçük basınç kaybına izin verilmesi. Genellikle akış hızını artırmak için boru çapını küçültme yöntemi kullanılmaz. Bazı gaz akışkanlarının nem içeriği vardır ve bazı ölçüm nesnelerinde de az miktarda su bulunur; bu sular boru hattının tabanında katmanlı bir şekilde akar. Bazı ölçüm nesnelerinde hidrojen içeriği oldukça yüksektir, akışkanın yoğunluğu düşüktür; minimum ve maksimum akış hızları arasındaki fark büyüktür. Taşıma borularının çapı büyüktür ve düz boru bölümlerinin uzunluğu kısadır. Göstergelerin türleri ve kullanımı: Gaz akışını ölçmek için kullanılabilecek birçok türde akış ölçer vardır, ancak kömür gazı akışını ölçmek için ideal bir gösterge neredeyse bulunamaz; bu durum esas olarak kömür gazının özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Tarat gibi yapışkan maddelerin varlığı nedeniyle döner tip hacim akış ölçerlerin kullanımı zordur; gaz türbini akış ölçerleri ve rotorlu akış ölçerler de tercih edilmemelidir. Düşük yoğunluk ve hız nedeniyle akış hızı düşük olup, akış miktarındaki değişimler büyüktür; gaz tüketiminin en yüksek olduğu anlardaki akış miktarı ile en düşük olduğu anlardaki akış miktarı arasında 20 katın üzerinde bir fark vardır. Bu durum, vortex akış ölçerlerin ve basınç farkı tipi akış ölçerlerin kullanımını sınırlar. Şu an başlıca basınç farkı tipi akış ölçerler ve ısı tipi gaz kütlesel akış ölçerler kullanılmaktadır; bazen de gaz ultrasonik akış ölçerleri tercih edilmektedir. Şimdi, en yaygın kullanılan akış ölçer türlerinin uygulamalarını açıklayalım: (1) Vorteks akış ölçeri: Doğalgazın özellikleri nedeniyle düşük akış hızı, düşük basınç, geniş akış değişim aralığı ve bazılarının aşındırıcı olması; ayrıca basınçlandırma ekipmanlarından kaynaklanan ekipman titreşimleri ve gazın rastgele dalgalanan basıncı gibi faktörler, vorteks akış ölçerlerin ölçümünü etkiler. Ayrıca, pratik uygulamalarda gazın 5 m/s’den yüksek bir hızda akışını sağlamak oldukça zordur. Bu nedenle, vorteks bantları gaz akış hızı ölçümünde kullanılmaya uygun değildir ve şu an çok az uygulama alanı bulmaktadır. (2) Delik plakalı basınç farkı akış ölçer: Basınç farkı tipi akış ölçerlerin uygulama alanları oldukça geniştir ve uzun bir geçmişe sahiptirler; gaz akışının ölçülmesinde, belirli durumlarda hâlâ kullanım örnekleri bulunmaktadır. Ancak basınç farkı tipi akış ölçerlerin kendi kusurları ve eksiklikleri de daha geniş kullanım alanlarını sınırlamaktadır; örneğin, basınç borularındaki su damlaları basınç farkının doğru ölçülmesine engel olur. Yük değişimlerinin büyük olduğu işlem koşullarında, basınç farkı tipi akış ölçerlerin düşük ölçüm aralığı oranları gereksinimleri karşılayamaz. Büyük çaplı akış ölçerlerin montajı için yüksek gereksinimler vardır ve kurulumu zordur; bunlar tümü basınç farkı tipi akış ölçerler için sınırlamalar oluşturur. Gaz toz içerir ve standart delikli plakalar bu ortamda kullanılamaz. Bu eksikliği gidermek için değiştirilebilir delikli plakalar, çoklu boru paralelliği gibi çeşitli daraltma cihazları geliştirilmiştir. Etkisi iyi de kötü de olabilir ve daha iyi sonuçlar elde etmek için belirli koşulların sağlanması gerekir. (3) Eşhızlı tüp basınç farkı akış ölçer: Eşhızlı tüp de basınç farkı tipi akış ölçerler arasında yer alır. Daha büyük çaplı gaz akışı ölçümlerinde, yüksek üretim maliyetleri ve ağır, kullanımı zor olması nedeniyle değiştirilebilir delik plakalar tercih edilmez. Eğer ölçüm verileri yalnızca süreç izleme amacıyla kullanılıyorsa ve yüksek hassasiyet gerekmiyorsa, birçok müşteri tarafından düz hızlı tüp basınç farkı akış ölçerleri de değerlendirilir. Eşit hızlı tüp basınç farkı akış ölçerinin gaz akışının ölçümünde başarılı olup olmamasının anahtarı, basınç alım borusunun su damlaları veya kirli parçacıklar tarafından tıkanmamasıdır. Standart hızlı akış borusu ürünlerinde bulunan kesme vanalarının çoğu iğne tipi vanalardır; bu vanaların çapı küçüktür ve sıvıdaki su buharı yoğunlaşarak su damlalarına dönüşebilir. Ayrıca sıvıdaki büyük parçacıklar da basınç ölçüm borularını tıkayabilir. Gerçek kullanım sonuçlarına bakıldığında, birçok sorun var; arıza oranı yüksek ve bakım maliyetleri fazla. Isı tipi gaz akış ölçer: Isı tipi akış ölçerler, ısı yayılımı prensibine dayanarak tasarlanmış akış ölçüm cihazlarıdır. Yani, sıvının ısı yayan bir cismin üzerinden akması sırasında bu cismin ısı kaybının, sıvının akış hızıyla belirli bir orantı içinde olması esasına dayanır. Bu serideki akış ölçerlerin sensörlerinde iki adet standart seviyede RTD bulunur; biri ısı kaynağı olarak, diğeri ise sıvının sıcaklığını ölçmek için kullanılır. Sıvı akarken, bu ikisi arasındaki sıcaklık farkı akış hızıyla doğru orantılıdır ve mikroelektronik kontrol teknolojisi sayesinde bu ilişki, akış hızını ölçen lineer bir sinyale dönüştürülür. Isı tipi gaz kütle akış ölçerinin aşağıdaki özellikleri vardır: Çok düşük akış hızlarındaki küçük akışları ölçebilir, hareketli parçası yoktur ve yüksek güvenilirliğe sahiptir. Basınç kaybı çok küçüktür, neredeyse ihmal edilebilir. Kütle akışı doğrudan ölçülür, sıcaklık ve basınç telafisi gerekmez. Ölçüm aralığı oranı son derece yüksek, 1000:1’dir; fiyat, boru çapıyla pek ilişkili değildir; özellikle büyük çaplarda maliyet performans avantajı daha belirgindir. Kurulumu kolaydır ve titreşime karşı dayanıklıdır. Tekrarlanabilirlik yüksek, neredeyse bakım gerektirmez. (5) Gaz ultrasonik akış ölçer: Gaz akışını ölçmek için kullanılan ultrasonik gaz akış ölçerleridir; genellikle ultrasonik dönüştürücüler gibi bileşenlerden oluşan ve kendi içinde ölçüm borusuna sahip olan zaman farkı yöntemiyle çalışan akış ölçüm cihazlarıdır. Dönüştürücüler genellikle boru duvarı boyunca monte edilir ve doğrudan akışkanla temas halindedir; bir dönüştürücü tarafından gönderilen ultrasonik darbeler diğer dönüştürücü tarafından alınır, bunun tersi de geçerlidir. Ultrasonik darbeler, borular içinde bir nehirdeki feribot gibi ilerler; akışkan hareketi olmazsa ses dalgaları her iki yönde de aynı hızda yayılır. Eğer gaz akış hızı sıfır değilse, akış yönünde ileri ve geri olmak üzere iki farklı yönde yayılma hızları birbirinden farklıdır ve bu iki yayılma süresi arasındaki farktan, gazın akış hızı hesaplanabilir. Gaz ultrasonik akış ölçerleri, yüksek ölçüm doğruluğuna, basınç kaybının olmamasına, geniş ölçüm aralığına ve kolay montaj özelliklerine (borularda delik açma ve kaynak yapma gerektirmemesi) sahip oldukları için kirli gazlar, yüksek nem içeren gazlar, aşındırıcı gazlar, karışık gazlar gibi karmaşık çalışma koşullarında da kullanılabilir ve çift yönlü ölçüm yapabilir. Farklı markaların teknik özelliklerindeki farklılıklar nedeniyle, mevcut yüksek fiyatlar uygulamaların kullanımını doğrudan sınırlamaktadır. Kapsamlı bir karşılaştırma yapıldığında, termal gaz kütle akış ölçerlerin doğalgaz akışının ölçümünde avantajları oldukça belirgindir. (1) Kurulum: Türev tipi akış ölçerler (eşit hızlı tüpler dahil), gaz akışını ölçerken sıcaklık ve basınç telafisine ihtiyaç duyar. Montaj işi oldukça zahmetlidir ve maliyeti yüksektir (özellikle büyük çaplı borular için). Fazla aksesuarın monte edilmesi nedeniyle sızıntı sorunları ortaya çıkabilir ve **günlük bakım iş yükünü artırır. Isı tipi gaz akış ölçerlerde gaz akışının ölçülmesi için sıcaklık ve basınç telafisi gerekmez; ölçülen değer kütle akışıdır, bu da diğer akış ölçerlerin gaz ölçümü sırasında basınç sabitleme telafisi gerektiren yapısal gereksinimlerini azaltır. Montaj maliyetlerini düşürürken sızıntı ve arıza noktalarını azaltarak, cihazın uzun süre güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar. Sensör bileşenlerinde neredeyse hiç basınç kaybı olmaz; hijyenik sorunlar, tıkanıklık gibi durumlar meydana gelmez ve bu da sensör sinyallerinin ölçülmesini etkilemez. Özel olarak tasarlanmış paslanmaz çelik sıkıştırma parçaları ve işlem arayüzleri satın alınabilir; bu işlem arayüzleri, borudan defalarca akış ölçerinin sökülmesi sırasında hasar oluşmamasını sağlayacak şekilde özel olarak tasarlanmıştır. Akış ölçer, çevrimiçi olarak durmadan sökülebilir; bu da kullanıcıların üretim süreçlerini yönetmelerine büyük kolaylık sağlar. Ayrıca, aşındırıcı ortamlardaki gaz akış ölçümleri için termal gaz akış ölçerler, son derece yüksek korozyon direncine sahip malzemelerden yapılmış problar kullanabilir. Katran içeren gaz akışının izlenmesi için termal akış ölçerler iki farklı çözüm sunabilir: İlk çözüm, eksenel prob kullanmaktır (şu an uluslararası alanda bu tür ürünler mevcuttur, şekil gösterilmektedir). Müşterilerin kirli maddeleri düzenli olarak temizleyebilmelerini kolaylaştırmak için ayrıca termal kazı modeli ve delme araçları da kullanılmaktadır. Kapsamlı yöntemler sayesinde, termal gaz akış ölçerinde probun kirlilik maddeleri tarafından kaplanması durumunda, doğalgaz tedariki kesilmeden probun çevrimiçi olarak temizlenmesi sağlanabilir. İkinci çözüm, termal gaz akış ölçer probunu özel bir şekilde işlemek; böylece katran gibi kirlerin proba yapışma süresi uzatılır ve probun temizlenmesi kolaylaştırılır (şekil). 2) Ölçüm aralığı: Termal gaz akış ölçer, 0,05 Nm/s’lik en düşük akış hızından 100 Nm/s’ye kadar olan gaz akış değerlerini ölçebilir. Ölçüm aralığı oranı 1:1000’e kadar ulaşabilir. Gaz ultrasonik akış ölçer, 0,01 m/s ile 25 m/s arasındaki akış değerlerini tespit edebilir. Bu iki tür akış ölçer, farklı gaz yüklerindeki dalgalanmaların neden olduğu geniş akış değişimlerini karşılayabilir; bu da ısı tipi gaz akış ölçerlerini diğer akış ölçerlerden daha üstün kılan en belirgin özelliktir. Diferansiyel basınç tipi akış ölçerlerde, cihaz sinyali (diferansiyel basınç) ile akış arasında kare ilişkisi bulunduğundan, genellikle ölçüm aralığı yalnızca 3:1–4:1 arasındadır. Modern bilim ve teknolojinin gelişimi ile elektronik bilgisayarların kullanımı sayesinde geniş aralıklı diferansiyel basınç vericileri ortaya çıktı ve bu da diferansiyel basınç tipi akış ölçerlerin ölçüm aralığını büyük ölçüde artırdı. Günümüzde diferansiyel basınçlı akış ölçerlerin ölçüm aralığı 1:10’a kadar ulaşabilmektedir; ancak bu oran, akış yükünde büyük değişiklikler olan birçok durum için hâlâ yeterli değildir. (3) Hassasiyet: Termal gaz kütle akış ölçerleri kırk yılı aşkın bir süredir geliştirilmekte olup, çeşitli teknolojilerde büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Günümüzdeki ısı tipi gaz kütle akış ölçerleri, tek bir gaz türünü ölçerken genel doğruluk seviyesi %1,0 FS’ye (1:100 ölçüm aralığında) ulaşabilmekte; tekrarlanabilirlik ise %0,25 FS olup bu da gaz ölçümleri açısından oldukça yüksek bir doğruluk seviyesidir. Ancak gazın bileşenleri, çeşitli maddelerden oluşan bir karışım gazı olduğundan (diğer karışım gazları üzerine yapılan araştırmalara bakılabilir), karışım gazının bileşenlerindeki değişiklikler, gazın fiziksel özelliklerinde de değişikliklere neden olur. Ölçülen gaz bileşenlerindeki değişikliklerin akış ölçerinin çıkış sinyalini etkilemesi sorununa karşı, çoğu akış ölçerinde bu sorunu çözmek için pek iyi bir yöntem bulunmamaktadır. Termal gaz kütlesel akış ölçerleri ise bileşen bazlı telafi algoritmaları ve sıcaklık telafi algoritmaları kullanmaktadır. Bu yöntemin amacı şudur: Ölçülen gazın bileşenleri veya sıcaklığında değişiklik olduğunda, bu telafi algoritmaları sayesinde bileşen veya sıcaklık değişikliklerinden kaynaklanan hatalar ortadan kaldırılabilir. Bir kez kalibrasyon yapıldıktan (genellikle kalibrasyon için hava kullanılır) sonra çeşitli bileşen ve sıcaklık koşullarında kullanılabilir; bu da tekrar gaz hazırlayarak kalibrasyon yapma iş yükünü ve maliyetini azaltır. Termal gaz kütle akış ölçerlerinin yaygınlaştırılması ve kullanımı için teknik temel oluşturulmuş ve güvence sağlanmıştır. Termal gaz kütle akış ölçerlerinin doğrusallaştırma ve tekrarlanabilirlik açısından oldukça iyi olması nedeniyle, gaz akışının ölçülmesinde eğer bu işlem ticari amaçlı değil de sadece süreç kontrolü amacıyla yapılıyorsa, maliyet-performans açısından bakıldığında termal akış ölçerler şüphesiz en iyi seçenektir. Diferansiyel basınç tipi akış ölçerler, tasarımdan üretime ve montaja kadar her aşamadaki faktörlerden büyük ölçüde etkilenir; bu aşamalardan herhangi birinde sorun olması oldukça büyük hatalara yol açar. Özellikle düşük akış hızlarında yapılan ölçümlerde oluşan basınç farkı değeri çok küçüktür; bazen sadece onlarca Pascal veya hatta birkaç Pascal’lık bir basınç farkı vardır. Bu kadar düşük bir basınç farkı değerinde, parazitlerin etkisi son derece büyüktür; küçük bir su damlası, bir kir parçası veya bir miktar yağ lekesi bile basınç farkını sıfırlamaya yeterlidir. Bu nedenle, basınç farkı tipi akış ölçerlerle gaz ölçüldüğünde, genel doğruluk seviyesi çok yüksek olamaz. Ayrıca, stabilite ve bakım kolaylığı açısından, basınç farkı tipi akış ölçerler ısı tipi akış ölçerler kadar iyi değildir. Gaz ultrasonik akış ölçerlerinin avantajları şüphesizdir, ancak bunların satın alma maliyeti oldukça yüksektir ve şu an çoğunlukla ticari hesaplamalarda kullanılmaktadır. (4) Basınç kaybı: Gaz ultrasonik akış ölçerleri dıştan monte edilen tip oldukları için (probe borunun dışına yerleştirilir), herhangi bir basınç kaybı olmaz. Isı tipi akış ölçerler, yapısal nedenlerden dolayı çok düşük bir çalışma basınç kaybına sahiptir; düşük akış hızları ve büyük boru çaplarında basınç kaybı ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak basınç farkı tipi akış ölçerler farklıdır; yüksek basınç kaybı, basınç farkı tipi akış ölçerlerin başlıca kusurlarından biridir. Basınç kaybı, enerji tasarrufu konusunda üstesinden gelinmesi gereken başlıca zorluk ve engeldir. Doğalgazın uzun mesafelerde taşınması durumunda basınç kaybı konusundaki gereksinimler daha da artar; aksi takdirde elektrik tüketiminde büyük artışlar ve diğer maliyetler ortaya çıkar. Bu nedenle, uzun vadeli düşünceler ve enerji tasarrufu ile emisyon azaltma kriterleri açısından değerlendirildiğinde, basınç farkı tipi akış ölçerlerin gaz akışı ölçüm sistemlerinde kullanılması en iyi seçenek değildir. Aşağıda çeşitli akış ölçerlerin karşılaştırması yer almaktadır: Basınç farkı tipi akış ölçerler, Sabit hızlı tüp akış ölçerleri, Gaz için ultrasonik akış ölçerler, Termal gaz kütlesel akış ölçerleri. Basınç kaybı: Büyük, Küçük, Yok, Çok küçük. İki yönlü akış ölçümü: Yapılamaz, Yapılamaz, Yapılabilir, Yapılabilir. Tekrarlanabilirlik: %0,1, %0,5, %0,15, %0,2. Kurulum koşulları gereksinimleri: Zorlu, Orta, Orta, Orta, Düşük akış hızı performansı: Kötü, Kötü, İyi, İyi. Ölçüm aralığı oranı: 10:1, 10:1, 50:1, 100:1. Kullanım ömrü: Kısa, Orta uzunlukta, Uzun, Çok uzun. Bakım gereksinimi: Yüksek, Yüksek. Periyodik bakım: Gerekli, Gerekli. Güvenlik performansı: Düşük, Yüksek, Yüksek, Çok yüksek. Fiyat: Düşük, Orta, Çok yüksek. Boru çapıyla ters orantılıdır