Lựa chọn thiết bị đo lưu lượng khí đốt

Thread Content

Đặc tính của chất truyền dẫn: Có rất nhiều loại khí đốt, và thành phần của chúng cũng khá phức tạp. Nhìn chung, khí đốt có thể được chia thành hai nhóm lớn: khí đốt tự nhiên và khí đốt nhân tạo. Các thành phần chính của khí đốt là: CO, H2, CO2, N2, O2, CH4, H2S, v.v. Tỷ lệ giữa các thành phần này phụ thuộc vào quy trình sản xuất khí đốt. Khí đốt nhân tạo là loại khí được tạo ra từ than đá, chứa các thành phần có thể cháy. Dựa vào phương pháp chế biến, tính chất và mục đích sử dụng, khí gas được chia thành: khí gas sinh ra từ quá trình gas hóa là khí nước, khí bán nước, khí không khí (hay còn gọi là khí từ lò sinh khí). Khí được tạo ra từ quá trình chưng cất than trong phương pháp chưng cất than khô được gọi là khí lò nung than và khí lò cao. Khí đốt có tính ăn mòn và độc hại; các chất gây ăn mòn chủ yếu bao gồm hydro sunfua, khí lưu huỳnh điôxít, khí carbon điôxít, v.v. Những khí này chỉ có tính ăn mòn khi có hơi nước. Các thành phần khí độc hại trong khí gas (một số loại khí phụ sản không chứa một số thành phần này) bao gồm: hydro sunfua, amoniac, benzen, v.v. Những thành phần này chủ yếu có mặt trong khí gas từ lò nung than. Nhiều loại khí đốt chứa bụi, và lượng bụi này phụ thuộc vào quy trình xử lý. Một số loại khí đốt còn chứa hơi ẩm và nhựa đường. Điều kiện vận hành thực tế: Điều kiện vận hành của khí đốt khá phức tạp, và không có một quy tắc cố định nào cả. Do quy trình chế tạo khác nhau, điều kiện vận hành thực tế tại hiện trường cũng có sự khác biệt. Một số đặc điểm chung là: áp suất tĩnh của chất lỏng thấp, tốc độ dòng chảy thấp, và mức tổn thất áp suất được cho phép cũng thấp. Thông thường, không được phép sử dụng phương pháp thu nhỏ đường kính ống để tăng tốc độ dòng chảy. Một số chất lỏng khí đốt chứa hàm lượng ẩm; một số vật thể cần được đo lường còn chứa một lượng nhỏ nước, tạo thành các tầng chảy ở phía dưới đường ống. Một số đối tượng được đo có hàm lượng hydro khá cao, mật độ chất lỏng thấp; sự chênh lệch giữa lưu lượng tối thiểu và lưu lượng tối đa rất lớn. Các ống dẫn có đường kính lớn, và đoạn ống thẳng lại khá ngắn. Loại và cách sử dụng các thiết bị đo lường: Có rất nhiều loại máy đo có thể được dùng để đo lưu lượng khí. Tuy nhiên, gần như không tồn tại thiết bị nào phù hợp để đo lưu lượng khí gas than. Điều này chủ yếu là do đặc tính của khí gas than. Do sự hiện diện của các chất dính như nhựa đường, việc sử dụng các loại máy đo lưu lượng kiểu quay trở nên khó khăn; các loại máy đo lưu lượng bằng tuabin khí hay máy đo lưu lượng kiểu rôto cũng không phù hợp để sử dụng trong trường hợp này. Do mật độ thấp, tốc độ dòng chảy cũng thấp, nên phạm vi biến đổi lưu lượng khá lớn; lưu lượng vào những giờ cao điểm và những giờ thấp điểm chênh lệch nhau hơn 20 lần. Do đó, việc sử dụng các loại máy đo lưu lượng dựa trên nguyên lý vòng xoáy hoặc chênh lực áp suất bị hạn chế. Hiện nay, chủ yếu có máy đo lưu lượng kiểu chênh lệch áp suất và máy đo lưu lượng khối lượng khí kiểu nhiệt; một số trường hợp cũng sử dụng máy đo lưu lượng khí bằng sóng siêu âm. Dưới đây là phần giải thích về ứng dụng của một số loại máy đo lưu lượng phổ biến: (1) Máy đo lưu lượng kiểu vòng xoáy: Do đặc tính của khí gas – tức là tốc độ dòng chảy thấp, áp suất thấp, phạm vi biến đổi lưu lượng lớn, và một số loại khí còn có tính ăn mòn – nên các yếu tố như rung động do thiết bị tăng áp, cũng như áp suất dao động ngẫu nhiên của khí, đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng đo lường của máy đo lưu lượng kiểu vòng xoáy. Hơn nữa, trong ứng dụng thực tế, rất khó để đảm bảo tốc độ dòng khí trên 5 m/s. Do đó, phương pháp dựa trên hiện tượng xoáy không thích hợp để đo lưu lượng khí gas; hiện nay, phương pháp này ít được sử dụng. (2) Máy đo lưu lượng bằng sự chênh lệch áp suất qua van lỗ: Loại máy đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất này có phạm vi ứng dụng khá rộng và có lịch sử phát triển lâu dài. Trong việc đo lưu lượng khí đốt, nó vẫn được sử dụng trong một số trường hợp cụ thể. Tuy nhiên, những nhược điểm và hạn chế vốn có của các loại máy đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất cũng đã hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng. Ví dụ, việc có nước trong ống dẫn áp sẽ khiến giá trị chênh lệch áp suất bị sai lệch. Trong các điều kiện công nghệ có sự thay đổi lớn về tải trọng, tỷ lệ đo thấp của các loại máy đo lưu lượng dựa trên chênh lệch áp suất sẽ không thể đáp ứng được yêu cầu. Các loại máy đo lưu lượng có đường kính ống lớn đòi hỏi điều kiện lắp đặt cao và khó thi công; những yếu tố này chính là những hạn chế của các loại máy đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất. Khí đốt chứa bụi bẩn, vì vậy các loại van điều tiết thông thường không thể được sử dụng trong môi trường này. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã phát triển các loại van điều tiết dạng lỗ tròn, van có thể thay thế được, cùng với nhiều loại thiết bị điều tiết khác như kết nối nhiều ống lại với nhau. Hiệu quả có thể tốt hoặc xấu, và chỉ có thể đạt được kết quả tốt trong những điều kiện cụ thể mà thôi. (3) Máy đo lưu lượng bằng sự chênh lệch áp suất trong ống tốc độ đều: Ống tốc độ đều cũng thuộc loại máy đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất. Trong việc đo lưu lượng khí đốt ở các đường ống có đường kính lớn, việc sử dụng các tấm lỗ có thể thay thế không phải là lựa chọn tốt, bởi chi phí sản xuất cao và việc lắp đặt khá phức tạp. Do đó, nếu dữ liệu đo được chỉ được sử dụng để giám sát quy trình sản xuất mà không yêu cầu độ chính xác cao, thì việc sử dụng máy đo lưu lượng dựa trên hiệu áp cũng là một lựa chọn mà nhiều khách hàng cân nhắc. Yếu tố then chốt quyết định sự thành công khi sử dụng máy đo lưu lượng bằng phương pháp áp suất chênh lệch trong việc đo lưu lượng khí gas, chính là việc đảm bảo rằng các ống dẫn áp không bị tắc nghẽn bởi những giọt nước hoặc các hạt bẩn. Do các sản phẩm ống dẫn chất lỏng có kích thước cố định thường được trang bị van ngắt là loại van kim, nên đường kính của chúng khá nhỏ. Nước và hơi trong chất lỏng sẽ ngưng tụ thành giọt nước; đồng thời, các hạt bụi lớn trong chất lỏng cũng có thể gây tắc nghẽn đường ống dẫn áp suất. Xét về hiệu quả sử dụng thực tế, có khá nhiều vấn đề, tỷ lệ hỏng hóc rất cao và chi phí bảo trì cũng lớn. Đồng hồ đo lưu lượng khí kiểu nhiệt: Đồng hồ đo lưu lượng kiểu nhiệt được thiết kế dựa trên nguyên lý khuếch tán nhiệt. Cụ thể, người ta tận dụng việc nhiệt lượng từ vật thể phát nhiệt bị tỏa ra khi dòng chất lỏng chảy qua vật thể đó; mức độ tỏa nhiệt này có mối quan hệ tỷ lệ thuận với lưu lượng chất lỏng. Thiết bị cảm biến trong loại đồng hồ đo lưu lượng này gồm hai chiếc RTD chuẩn: một chiếc dùng làm nguồn nhiệt, còn chiếc kia dùng để đo nhiệt độ của chất lỏng. Khi chất lỏng chảy, sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai chiếc RTD này có mối quan hệ tuyến tính với lưu lượng chất lỏng. Nhờ công nghệ điều khiển vi điện tử, mối quan hệ này được chuyển thành tín hiệu đầu ra tuyến tính dùng để đo lưu lượng. Máy đo lưu lượng khí dựa trên nguyên lý nhiệt có những ưu điểm sau: có thể đo được lưu lượng rất nhỏ ở tốc độ dòng chảy thấp, không có bộ phận chuyển động, và độ tin cậy cao. Độ mất áp suất rất nhỏ, gần như có thể bỏ qua. Đo trực tiếp lưu lượng khối lượng, không cần bù nhiệt độ và áp suất. Tỷ lệ đo rất cao, lên tới 1000:1. Giá cả không phụ thuộc nhiều vào đường kính ống; đặc biệt là ở những ống có đường kính lớn, sản phẩm này thể hiện rõ ưu điểm về mặt tỷ lệ giữa chất lượng và giá cả. Ngoài ra, sản phẩm này còn dễ lắp đặt và có khả năng chống rung tốt. Hiệu suất lặp lại tốt, gần như không cần bảo trì. (5) Máy đo lưu lượng khí bằng sóng siêu âm: Là loại máy đo lưu lượng khí sử dụng sóng siêu âm để đo lưu lượng khí. Thông thường, nó gồm một ống đo được tích hợp sẵn, cùng với các bộ phận như bộ chuyển đổi sóng siêu âm, nhằm đo lưu lượng theo phương pháp đo chênh lệch thời gian. Các bộ chuyển đổi sóng thường được lắp đặt dọc theo thành ống, và tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng. Các xung sóng siêu âm được phát ra bởi một bộ chuyển đổi sóng sẽ được bộ chuyển đổi sóng khác thu nhận, và ngược lại. Xung sóng siêu âm di chuyển qua ống giống như một chiếc thuyền trên dòng sông; nếu không có dòng chất lỏng nào, thì sóng âm sẽ lan truyền theo cùng một tốc độ về cả hai hướng. Nếu tốc độ dòng khí không bằng không, thì tốc độ truyền sóng theo hướng dòng khí và ngược lại sẽ khác nhau. Dựa vào sự chênh lệch về thời gian truyền này, người ta có thể tính được tốc độ dòng khí. Máy đo lưu lượng bằng sóng siêu âm dành cho khí có ưu điểm là độ chính xác cao, không gây tổn thất áp suất, có dải đo rộng, dễ lắp đặt (không cần phải khoan hoặc hàn vào ống dẫn). Thiết bị này có thể được sử dụng trong nhiều điều kiện khắc nghiệt như khí bẩn, khí ẩm, khí ăn mòn, khí hỗn hợp, v.v. Ngoài ra, máy còn có thể đo lưu lượng theo cả hai chiều. Do khả năng kỹ thuật của các thương hiệu khác nhau, giá cả hiện tại khá cao, điều này đã hạn chế việc ứng dụng chúng. So sánh tổng thể, máy đo lưu lượng khí dựa trên nguyên lý nhiệt có ưu điểm khá rõ rệt trong việc đo lưu lượng khí đốt. (1) Lắp đặt: Các loại máy đo lưu lượng dựa trên nguyên lý suy luận (bao gồm cả ống đo vận tốc dòng chảy đều) đều cần được bù đắp về nhiệt độ và áp suất khi đo lưu lượng khí gas. Khối lượng công việc lắp đặt lớn, chi phí lắp đặt cao (đặc biệt là với các ống có đường kính lớn). Do lắp đặt quá nhiều phụ kiện, dễ xảy ra tình trạng rò rỉ, **làm tăng công việc bảo trì hàng ngày. Đối với các loại máy đo lưu lượng khí dựa trên nguyên lý nhiệt, việc đo lưu lượng khí không cần phải có sự bù trừ về nhiệt độ và áp suất. Giá trị lưu lượng được đo chính là lưu lượng khối lượng, **điều này giúp giảm bớt những yêu cầu về việc bù trừ áp suất mà các loại máy đo lưu lượng khác cần có khi đo lưu lượng khí. Vừa giúp giảm chi phí lắp đặt, vừa giảm bớt các điểm rò rỉ và hỏng hóc, từ đó đảm bảo độ tin cậy khi thiết bị hoạt động trong thời gian dài. Các bộ phận cảm biến gần như không gây mất áp suất, không tạo ra những khu vực khó vệ sinh hay tình trạng tắc nghẽn, từ đó không ảnh hưởng đến việc thu thập tín hiệu từ cảm biến. Có thể chọn mua các bộ phận kẹp bằng thép không gỉ được thiết kế đặc biệt dùng làm đầu nối trong quá trình lắp đặt. Những đầu nối này được thiết kế riêng để đảm bảo rằng việc tháo rời máy đo lưu lượng khỏi đường ống nhiều lần cũng không gây hư hại cho chúng. Có thể tháo rời máy đo lưu lượng mà không cần ngắt kết nối trực tuyến, điều này mang lại sự tiện lợi lớn cho việc quản lý và điều phối quy trình sản xuất của người dùng. Ngoài ra, đối với việc đo lưu lượng khí chứa các chất ăn mòn, máy đo lưu lượng khí dạng nhiệt có thể sử dụng các đầu dò được làm từ vật liệu có khả năng chống ăn mòn cực cao. Đối với việc giám sát lưu lượng khí gas chứa nhựa đường, máy đo lưu lượng kiểu nhiệt có thể được sử dụng theo hai phương án khác nhau. Phương án thứ nhất là sử dụng đầu dò dạng trục để đo lưu lượng (hiện nay đã có các sản phẩm loại này trên thị trường quốc tế, như hình minh họa). Để giúp khách hàng dễ dàng vệ sinh các bộ phận bị bẩn, người ta còn sử dụng các công cụ khoan và mô hình đào bới dựa trên nguyên lý nhiệt. Nhờ có những biện pháp hiệu quả, có thể đảm bảo rằng khi đầu dò của máy đo lưu lượng khí nhiệt bị bám bẩn bởi các chất bẩn, người ta vẫn có thể vệ sinh đầu dò một cách trực tiếp mà không cần ngừng hoạt động của hệ thống cung cấp khí. Giải pháp thứ hai là tiến hành xử lý đặc biệt đối với đầu dò của máy đo lưu lượng khí loại nhiệt, nhằm kéo dài thời gian mà các chất bẩn dạng nhựa đường có thể bám vào đầu dò. Đồng thời, giải pháp này cũng giúp việc vệ sinh đầu dò trở nên dễ dàng hơn (như hình minh họa). 2) Phạm vi đo lường: Máy đo lưu lượng khí loại nhiệt có thể đo được lưu lượng khí ở mức tối thiểu là 0,05 Nm/s, và mức tối đa lên đến 100 Nm/s. Tỷ lệ đo có thể đạt 1:1000. Máy đo lưu lượng bằng sóng siêu âm dành cho khí có thể phát hiện được dải lưu lượng từ 0,01 m/s đến 25 m/s. Hai loại máy đo lưu lượng này có thể đáp ứng được những thay đổi lớn về lưu lượng do sự biến động của áp suất khí, và đây chính là ưu điểm nổi bật nhất của máy đo lưu lượng kiểu nhiệt so với các loại máy đo lưu lượng khác. Các loại máy đo lưu lượng dựa trên chênh lệch áp suất thì do mối quan hệ giữa tín hiệu đo (chênh lệch áp suất) và lưu lượng mang tính bình phương, nên phạm vi đo thông thường chỉ từ 3:1 đến 4:1 mà thôi. Nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại và việc ứng dụng máy tính điện tử, các bộ chuyển đổi áp suất với dải đo rộng đã được phát minh. Điều này giúp nâng cao đáng kể tỷ lệ đo của các loại máy đo lưu lượng dựa trên áp suất. Hiện nay, tỷ lệ đo của máy đo lưu lượng kiểu này có thể lên tới 1:10. Tuy nhiên, tỷ lệ đo này vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu đối với những trường hợp mà mức lưu lượng thay đổi trong một khoảng rộng. (3) Độ chính xác: Các máy đo lưu lượng khí dựa trên nguyên lý nhiệt đã được phát triển trong hơn bốn mươi năm, và các công nghệ liên quan đến chúng cũng đã có những bước tiến vượt bậc. Các máy đo lưu lượng khí loại nhiệt hiện nay, khi đo khí thuần chất, có độ chính xác tổng thể lên tới ±1,0%FS (trong phạm vi tỷ lệ đo 1:100), còn độ lặp lại là ±0,25%FS. Đây là mức độ chính xác khá cao trong việc đo lường khí. Tuy nhiên, vì thành phần của khí đốt là hỗn hợp gồm nhiều chất khác nhau (có thể tham khảo các nghiên cứu về các loại hỗn hợp khí khác), việc thay đổi thành phần của hỗn hợp khí sẽ dẫn đến sự thay đổi các thông số vật lý của khí đó. Đối với vấn đề mà sự thay đổi thành phần của khí được đo gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra của máy đo lưu lượng, hầu hết các loại máy đo lưu lượng không có biện pháp nào hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Trong khi đó, máy đo lưu lượng khí dựa trên nguyên lý nhiệt lại sử dụng các thuật toán bù trừ dựa trên thành phần của khí và nhiệt độ. Ý nghĩa của phương pháp này là: khi thành phần của khí hoặc nhiệt độ thay đổi, việc sử dụng các thuật toán bù trừ này có thể giúp loại bỏ những sai số do sự thay đổi đó gây ra. Chỉ cần tiến hành calibrat một lần (thông thường sử dụng không khí làm chất trung gian để calibrat), thiết bị đã có thể được sử dụng trong nhiều điều kiện về thành phần và nhiệt độ khác nhau. Điều này giúp tiết kiệm công sức và chi phí cần thiết để calibrat lại thiết bị. Việc ứng dụng rộng rãi các máy đo lưu lượng khí dựa trên nguyên lý nhiệt đã tạo ra nền tảng kỹ thuật cần thiết và đảm bảo cho việc sử dụng chúng. Xét thấy rằng máy đo lưu lượng khí loại nhiệt có tính tuyến tính và độ lặp lại cao, trong việc đo lưu lượng khí đốt, nếu không phải dùng để đo lường mục đích thương mại mà chỉ dùng để kiểm soát quy trình sản xuất, thì xét về tỷ lệ giữa chất lượng và chi phí, máy đo lưu lượng loại nhiệt chắc chắn là lựa chọn tốt nhất. Các loại máy đo lưu lượng dựa trên hiệu áp chịu ảnh hưởng rất lớn từ nhiều yếu tố khác nhau. Bất kỳ vấn đề nào xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào, từ thiết kế, chế tạo cho đến lắp đặt, đều có thể gây ra sai số khá lớn. Đặc biệt là trong trường hợp đo ở tốc độ dòng chảy thấp, giá trị chênh lệch áp suất tạo ra lúc này rất nhỏ; đôi khi chỉ khoảng vài chục pascal, hoặc thậm chí chỉ vài pascal mà thôi. Với giá trị chênh lệch áp suất nhỏ như vậy, nó rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây nhiễu. Chỉ cần một giọt nước nhỏ, một hạt bụi, hoặc một chút dầu mỡ thôi cũng đủ để làm mất đi giá trị chênh lệch áp suất đó. Vì vậy, đối với các loại máy đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất để đo khí gas, độ chính xác tổng thể của chúng không thể đạt mức cao được. Hơn nữa, xét về độ ổn định và sự tiện lợi trong việc bảo trì, các loại máy đo lưu lượng dựa trên chênh lệch áp suất không bằng các loại máy đo lưu lượng dạng nhiệt. Ưu điểm của máy đo lưu lượng khí bằng sóng siêu âm là không thể chối cãi, tuy nhiên chi phí mua sắm loại máy này khá cao. Hiện nay, chúng chủ yếu được sử dụng trong việc thanh toán trong các giao dịch thương mại. (4) Độ tổn thất áp suất: Do máy đo lưu lượng bằng sóng siêu âm dành cho khí được lắp đặt ở bên ngoài ống dẫn (cảm biến được gắn ở phía ngoài ống), nên không xảy ra bất kỳ sự tổn thất áp suất nào. Do cấu tạo của mình, máy đo lưu lượng kiểu nhiệt có mức tổn thất áp suất hoạt động rất nhỏ. Ở tốc độ dòng chảy thấp và đường kính ống lớn, mức tổn thất áp suất gần như có thể bị bỏ qua. Còn các loại máy đo lưu lượng dựa trên chênh lệch áp suất thì khác, việc mất áp suất lớn là một trong những nhược điểm chính của chúng. Tổn thất áp suất là thách thức và trở ngại lớn nhất cần vượt qua trong việc tiết kiệm năng lượng. Khi vận chuyển khí đốt over quãng đường dài, yêu cầu về mức tổn thất áp suất càng cao; nếu không, điều này sẽ dẫn đến việc tăng chi phí tiêu thụ điện năng và các chi phí khác. Do đó, xét về lâu dài cũng như theo các tiêu chí đánh giá về việc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, việc sử dụng các loại máy đo lưu lượng dựa trên hiệu số áp suất trong hệ thống đo lưu lượng khí đốt không phải là lựa chọn tối ưu. Dưới đây là bảng so sánh các loại máy đo lưu lượng: Máy đo lưu lượng dạng chênh áp, Máy đo lưu lượng dạng ống đều tốc, Máy đo lưu lượng khí siêu âm, Máy đo khối lượng khí kiểu nhiệt. Sự suy giảm áp suất: lớn, nhỏ, không có, cực nhỏ. Khả năng đo dòng chảy hai chiều: không thể, không thể, có thể, có thể. Độ lặp lại: 0,1%, 0,5%, 0,15%, 0,2%. Yêu cầu về điều kiện lắp đặt: khắt khe, trung bình, trung bình, trung bình. Đặc tính ở vận tốc thấp: kém, kém, tốt, tốt. Tỷ lệ đo: 10:1, 10:1, 50:1, 100:1. Tuổi thọ sử dụng: ngắn, khá dài, dài, dài. Công việc bảo trì: nhiều, nhiều, bảo trì định kỳ, bảo trì định kỳ. Khả năng an toàn: thấp, cao, rất cao, rất cao. Giá cả: rẻ, trung bình, cực kỳ đắt; giá cả tỷ lệ nghịch với kích thước đường ống