Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Измерение массового расхода лежит в основе многих ключевых элементов в промышленности, включая большинство рецептур, определение материального баланса, выставление счетов и операции по передаче ответственного хранения. Поскольку это наиболее важные измерения расхода на перерабатывающем предприятии, надежность и точность определения массового расхода очень важны.
Содержание
В прошлом массовый расход часто рассчитывался по показаниям объемного расходомера и плотномера. Изменения плотности либо измерялись напрямую, либо рассчитывались по выходам датчиков температуры и давления процесса. В конечном итоге, поскольку зависимость между давлением или температурой процесса и плотностью не всегда точно известна, эти измерения были не очень точными.
Одна из ранних конструкций автономных массовых расходомеров работала на основе углового момента — крыльчатка с приводом от двигателя придавала угловой момент (вращательное движение), разгоняя жидкость до постоянной угловой скорости. Чем выше плотность, тем больше угловой момент требовался для получения этой угловой скорости. Ниже по течению от приводного рабочего колеса этот угловой момент передавался на подпружиненную стационарную турбину. Возникающий при этом крутящий момент (кручение пружины) служил показателем массового расхода. Однако из-за сложной механической конструкции и высокой стоимости обслуживания эти типы счетчиков были в значительной степени заменены более надежными и менее требовательными к обслуживанию конструкциями.
Одной из таких конструкций является кориолисовый массовый расходомер, который считается самым точным типом массового расходомера и широко используется в промышленности для точных измерений. Кориолисовые расходомеры оснащены приборами, работающими на принципах эффекта Кориолиса — примечательного (и странного) явления, при котором масса, движущаяся во вращающейся системе, испытывает силу, действующую перпендикулярно направлению движения и оси вращения. Первые промышленные патенты на эффект Кориолиса относятся к 1950-м годам, а первые массовые расходомеры Кориолиса были созданы в 1970-х годах.
Французский инженер Г.Г. Кориолис впервые заметил, что все тела, движущиеся по поверхности Земли, отклоняются в сторону из-за вращения планеты на восток. В Северном полушарии отклонение происходит вправо от движения, в Южном — влево. Этот дрейф играет главную роль как в приливной активности океанов, так и в погоде на планете. Поскольку точка на экваторе за сутки проходит больший круг, чем точка, расположенная ближе к полюсам, тело, движущееся к любому из полюсов, будет отклоняться на восток, поскольку оно сохраняет большую (восточную) скорость вращения, проходя над более медленно вращающейся поверхностью Земли. Это смещение определяется как сила Кориолиса.
Если жидкость течет в трубе и на нее действует ускорение Кориолиса за счет механического придания трубе видимого вращения, величина отклоняющей силы, создаваемой инерционным эффектом Кориолиса, будет зависеть от массового расхода жидкости. Если трубу вращать вокруг точки, когда по ней течет жидкость (к центру вращения или от него), то жидкость будет создавать инерционную силу (действующую на трубу), направленную под прямым углом к направлению потока.
Рисунок 1: Принцип Кориолиса
На рисунке 1 показано, что частица (dm) движется со скоростью (V) внутри трубы (T). Трубка вращается вокруг неподвижной точки (P), а частица находится на расстоянии одного радиуса (R) от неподвижной точки. Частица движется с угловой скоростью (w) под действием двух составляющих ускорения: центростремительного, направленного к P, и кориолисова, действующего под прямым углом к ar:
ar (центростремительное) = w2r
at (кориолисово) = 2wv
Чтобы придать частице жидкости ускорение Кориолиса (at), в трубке должна возникнуть сила at (дм). Частица жидкости реагирует на эту силу равной и противоположной силой Кориолиса:
Fc = at(dm) = 2wv(dm).
Тогда, если рабочая жидкость имеет плотность (D) и течет с постоянной скоростью внутри вращающейся трубы с площадью поперечного сечения A, то на участок трубы длиной X будет действовать сила Кориолиса величиной:
Fc = 2wvDAx
Поскольку массовый расход равен dm = DvA, сила Кориолиса Fc = 2w(dm)x и, наконец:
Массовый расход = Fc / (2wx).
Таким образом, измерение силы Кориолиса, действующей на вращающуюся трубку с текущей жидкостью, позволяет определить массовый расход. Хотя вращение трубки не всегда является стандартной практической процедурой при создании коммерческого расходомера, колебания или вибрация трубки — что вполне практично — могут достичь того же эффекта.
Кориолисовые расходомеры измеряют массу по инерции. Жидкость или газ протекает через трубку, которая вибрирует под действием небольшого привода. Это искусственно придает потоку кориолисово ускорение, которое создает измеряемую силу закручивания трубки, приводящую к сдвигу фаз. Эта сила закручивания пропорциональна массе — и расходомер измеряет массовый расход, определяя результирующий угловой момент. Кориолисовые расходомеры способны измерять расход через трубку как в прямом, так и в обратном направлении.
В большинстве конструкций трубка закреплена в двух точках и вибрирует между этими точками. Такую конфигурацию можно представить как вибрацию пружины и массы в сборе. После приведения в движение пружинно-массовый блок будет вибрировать на своей резонансной частоте, которая является функцией массы этого блока. Эта резонансная частота выбирается потому, что для поддержания постоянной вибрации заполненной трубки требуется наименьшая движущая сила.
Существуют рекомендации по установке кориолисового расходомера для обеспечения его правильной работы.
Трубка может быть U-образной или прямой формы, а некоторые конструкции могут быть самоосушающимися при вертикальном монтаже (рис. 2). Если конструкция состоит из двух параллельных трубок, поток разделяется на два потока с помощью разделителя на входе в счетчик и рекомбинируется на выходе. В конструкции с одной непрерывной трубкой (или двумя последовательно соединенными трубками) поток не разделяется внутри счетчика.
В любом случае эти измерительные трубки вибрируют с помощью драйверов. Эти драйверы состоят из катушки, подключенной к одной трубке, и магнита, подключенного к другой. Преобразователь подает переменный ток на катушку, в результате чего магнит притягивается и отталкивается, тем самым заставляя трубки приближаться и удаляться друг от друга. Датчик может определять положение, скорость или ускорение трубок. Если используются электромагнитные датчики, магнит и катушка в датчиках изменяют свое относительное положение при колебаниях трубок, вызывая изменение магнитного поля катушки. Таким образом, синусоидальное напряжение на выходе из катушки отражает движение трубок.
Рисунок 2-A и Рисунок 2-B: Работа двухтрубного и прямотрубного кориолисового измерителя
При отсутствии потока в двухтрубной конструкции (рис. 2-A) вибрация, вызванная приводом катушки и магнита, приводит к одинаковым смещениям в двух точках измерения (B1 и B2). При наличии потока под действием сил Кориолиса возникает вторичная крутильная вибрация, приводящая к небольшой разнице фаз в относительных перемещениях. Это обнаруживается в точках измерения. Отклонение трубок, вызванное силой Кориолиса, существует только при наличии осевого потока жидкости и вибрации трубок. Вибрация при нулевом потоке, или поток без вибрации, не дает выходного сигнала от измерительного прибора.
Собственная частота конструкции трубки зависит от ее геометрии, материалов изготовления и массы трубки в сборе (масса трубки плюс масса жидкости внутри трубки). Масса трубки фиксирована. Поскольку масса жидкости равна ее плотности (D), умноженной на ее объем (который также фиксирован), частота вибрации может быть связана с плотностью рабочей жидкости (D). Таким образом, плотность жидкости можно определить, измерив резонансную частоту колебаний трубок. (Обратите внимание, что плотность можно измерять при нулевом расходе, если трубки заполнены жидкостью и вибрируют).
Толщина стенок значительно варьируется от конструкции к конструкции; однако даже самые прочные трубки будут тоньше, чем технологический трубопровод. Для достижения наибольшего срока службы счетчика рекомендуется выбирать конструкцию с самой толстой стенкой и самой низкой скоростью потока, которая может обеспечить
Преобразователи могут работать от сети переменного или постоянного тока и требуют отдельной проводки для питания и для выходных сигналов. Передатчик кориолисового расходомера может быть встроенным или удаленным (рис. 3). Преобразователь управляет работой привода, обрабатывает и передает сигналы датчика. Калибровочный коэффициент (K) в памяти преобразователя согласует преобразователь с конкретной расходомерной трубкой. Этот калибровочный коэффициент определяет постоянную пропорциональности между силой Кориолиса и массовым расходом для динамической постоянной пружины конкретных вибрирующих трубок.
Рисунок 3: Кориолисовый преобразователь с клавиатурой и дисплеем
Преобразователь не просто преобразует входные сигналы датчиков в стандартизированные выходные сигналы. Большинство преобразователей также имеют несколько выходов, включая массовый расход, общий массовый расход, плотность и температуру. Имеются аналоговые и/или импульсные выходы, а интеллектуальные преобразователи могут генерировать цифровые выходы для интеграции в системы DCS.
Часто преобразователи оснащаются локальными дисплеями и клавиатурами, что позволяет легко получить доступ к данным процесса. Кориолисовые преобразователи предоставляют не только информацию о расходе и вспомогательные функции. Также доступны функции управления партиями, контроля процентного содержания Brix или процентного содержания HFCS, вязкости, процентного содержания твердых веществ, PID, гравитации API и удельного веса. Если требуется информация о вязкости, необходимо измерить перепад давления на счетчике. Для других функций может потребоваться предварительное программирование информации в памяти преобразователя. Кроме того, преобразователи имеют другие аппаратные и программные опции, которые позволяют пользователю настроить их в соответствии с конкретным применением.
Первое поколение кориолисовых расходомеров состояло из одной изогнутой тонкостенной трубки, в которой высокие скорости жидкости создавались за счет уменьшения площади поперечного сечения трубки по отношению к технологической трубе. Искривление трубки измерялось относительно фиксированной точки или плоскости. Трубы возбуждались таким образом, что в точках крепления создавались локальные изгибающие силы высокой амплитуды. Это приводило к серьезным проблемам с вибрацией, которые были решены с помощью двухтрубных конструкций (рис. 2-A).
Эти двухтрубные конструкции уменьшили внешние вибрационные помехи, снизили мощность, необходимую для вибрации труб, и минимизировали энергию колебаний, покидающую трубную конструкцию. Для инициирования вибрации трубки использовался один драйвер, а для обнаружения кориолисовых отклонений — два датчика. Хотя эта конструкция значительно улучшила характеристики, сочетание уменьшенного отверстия, тонкостенных трубок и высоких скоростей жидкости (до 50 футов в секунду) по-прежнему приводило к преждевременному выходу счетчика из строя, включая потенциально катастрофические разливы, когда счетчик использовался в коррозионных и эрозионных системах. Кроме того, неустранимые потери напора были высокими (иногда более 50 psid), а точность была недостаточно высокой, чтобы позволить пользователям преобразовывать периодические процессы в непрерывные.
Рисунок 4-A и Рисунок 4-B: Усовершенствования конструкции Кориолиса
Более поздние усовершенствования конструкции включают в себя внедрение различных новых форм трубок, в том числе таких, которые не разделяют поток (рис. 2-B), и использование нескольких водителей (рис. 5A). Толстостенные трубки (в пять раз толще, чем в ранних конструкциях), использование полнопроходных диаметров и тяжелых коллекторов для изоляции конструкции трубок от напряжений, возникающих при соединении трубопроводов, а также корпуса трубок, которые служат в качестве вторичных защитных емкостей, — все это способствовало улучшению характеристик.
В некоторых конструкциях напряжения кручения заменяют напряжения изгиба, чтобы предотвратить концентрацию напряжений, которые могут привести к растрескиванию трубы (рис. 5B). В других конструкциях влияние вибрации трубопровода было сведено к минимуму за счет установки трубных конструкций поперек трубопровода.
Эти усовершенствования увеличили число поставщиков и способствовали разработке нового поколения кориолисовых расходомеров, которые по надежности и прочности не уступают традиционным объемным расходомерам. Новые конструкции работают при меньших скоростях жидкости (менее 10 футов/сек) и меньших перепадах давления (менее 12 psid), могут устанавливаться в любой ориентации и обеспечивают более длительный срок службы при работе со шламом, вязкими, коррозионными или эрозионными средами. Трубы подвергаются вибрации гораздо ниже пределов их выносливости и обычно изготавливаются из нержавеющей стали, Hastelloy® и титана.
Влияние силы Кориолиса на вибрирующую трубку невелико. Полномасштабный поток может вызвать отклонение всего на 0,001 дюйма. Для достижения диапазона расхода 100:1 датчики должны быть способны определять отклонения с точностью до 0,000001 дюйма в промышленных условиях, где давление, температура и плотность жидкости изменяются, а вибрация трубы мешает измерениям.
Эластичность металлических труб меняется в зависимости от температуры; они становятся более эластичными по мере нагревания. Чтобы устранить соответствующую погрешность измерения, температура трубки постоянно измеряется с помощью элемента RTD и используется для постоянной компенсации изменений упругости трубки.
Кориолисовые массовые расходомеры обычно калибруются по воде, поскольку константы справедливы для всех других жидкостей. Калибровка по плотности обычно выполняется путем заполнения трубок двумя или более (застойными) калибровочными жидкостями с известной плотностью.
Кориолисовые расходомеры обеспечивают погрешность 0,1-2% при диапазоне массового расхода до 100:1. Как правило, конструкции с изогнутой трубкой обеспечивают более широкий диапазон (от 100:1 до 200:1), в то время как счетчики с прямой трубкой ограничены диапазоном от 30:1 до 50:1, и их точность ниже. Общая погрешность счетчика складывается из базовой погрешности и погрешности нулевого сдвига — погрешности, связанной с неравномерностью выходного сигнала, генерируемого при нулевом расходе. Погрешность сдвига нуля становится доминирующей частью общей погрешности в нижней части диапазона расхода, где погрешность составляет от 1 до 2 % от расхода. Некоторые производители указывают общую точность как процент от расхода для верхней части диапазона расхода и как процент от диапазона для нижней части, в то время как другие указывают ее как процент от расхода плюс ошибка сдвига нуля.
При использовании для измерения плотности типичный диапазон погрешности кориолисовых датчиков составляет 0,002-0,0005 г/куб. см.
Погрешности вызываются наличием воздушных или газовых карманов в рабочей жидкости. В случае однородно диспергированных мелких пузырьков для вибрации трубок требуется больше энергии, в то время как если газ отделяется от жидкости, возникает эффект демпфирования вибрации трубок (и, следовательно, погрешности). Небольшие пустоты также вызывают шум, поскольку рабочая жидкость в трубках перемешивается. Более крупные пустоты повышают энергию, необходимую для вибрации трубок, до чрезмерного уровня и могут привести к полному отказу.
Поскольку во время работы счетчика на трубки действуют осевые, изгибающие и крутящие силы, при колебаниях температуры и давления окружающей среды или технологического процесса эти силы могут измениться, что может повлиять на производительность и потребовать повторной настройки счетчика.
Изменения плотности технологической жидкости могут повлиять на функцию передачи частоты механических систем, что требует повторного обнуления старых конструкций для защиты их от ухудшения характеристик. Благодаря конфигурации трубок новые конструкции не подвержены влиянию изменений плотности в широких диапазонах изменения удельного веса.
Благодаря широкому диапазону кориолисовых расходомеров (от 30:1 до 200:1), один и тот же расход может измеряться двумя или тремя расходомерными трубками разного размера. Использование самого маленького из возможных расходомеров снижает первоначальную стоимость и уменьшает накопление покрытия, но увеличивает скорость эрозии/коррозии и потери напора, повышая насосные и эксплуатационные расходы.
Уменьшение размера (использование счетчика, который меньше трубы) допустимо, если труба имеет большие размеры, а технологическая жидкость является чистой и имеет низкую вязкость.
Различные кориолисовые расходомеры имеют разные потери давления, но в целом они требуют большего напора, чем традиционные объемные расходомеры, которые обычно работают при давлении менее 10 psid. Более высокие потери напора обусловлены уменьшением диаметра трубки и круговым движением потока. Помимо затрат на перекачку, потеря напора может вызывать беспокойство, если счетчик установлен в системе с низким давлением, или если существует вероятность кавитации или вспышки, или если вязкость жидкости очень высока.
Вязкость неньютоновских жидкостей зависит от скорости их течения. Например, дилетантские жидкости увеличивают свою кажущуюся вязкость (сопротивление течению) при увеличении скорости. Эта кажущаяся вязкость может быть значительно выше, чем их вязкость в застойном состоянии. Для того чтобы предоставить поставщикам данные о вязкости потока в конкретной трубе, в качестве приближенного показателя можно использовать потерю напора на фут трубы (используемую в расчетах размеров насоса).
Кориолисовые массовые расходомеры являются наиболее точным типом расходомеров и используются во многих различных областях промышленности, а также в научных приложениях — для измерения как агрессивных, так и чистых газов и жидкостей. Они обеспечивают высокую точность измерения массового расхода, плотности, температуры и вязкости.
В отличие от технологий, основанных на измерении скорости (таких как объемные расходомеры, ультразвуковые расходомеры и турбинные расходомеры), кориолисовые массовые расходомеры могут определять расход любого вида умеренно плотного газа или жидкости с низкой скоростью потока, включая сырую нефть и другие виды топлива, чистящие средства и другие химикаты, растительные масла и животные жиры, зубную пасту и спирт, все виды пищевых продуктов и неньютоновские жидкости. Для санитарных применений, отвечающих требованиям чистоты на месте, предлагаются самосливные конструкции.
Большинство счетчиков оснащены искробезопасными цепями между расходомерной трубкой и датчиком. Таким образом, количество движущей силы, которая может быть подана на проточную трубку, ограничено.
При выгрузке жидкости из автоцистерн, бочек или железнодорожных вагонов могут возникать пробки, что делает показания счетчика непредсказуемыми. Если в датчике предусмотрена функция восстановления пробочного потока, она остановит измерение, когда пробочный поток будет обнаружен по чрезмерной потребляемой мощности привода или по падению плотности процесса (уменьшение амплитуды выходного сигнала датчика).
Количество воздуха в технологической жидкости, которое может допустить измерительный прибор, зависит от вязкости жидкости. Жидкости с вязкостью до 300 000 сантипуаз можно измерять с помощью кориолисовых расходомеров. Содержание газа в таких высоковязких жидкостях может достигать 20 %, при этом мелкие пузырьки остаются однородно диспергированными. Газ в жидкостях с низкой вязкостью, таких как молоко, отделяется при концентрации всего 1 %.
Кориолисовые расходомеры среднего размера (менее 2 дюймов) обеспечивают короткий срок окупаемости в тех случаях, когда точность измерений снижает производственные затраты (купание, выставление счетов) или когда необходимо проводить множество измерений (включая плотность, температуру, давление). С другой стороны, они могут оказаться неконкурентоспособными при использовании в простых задачах измерения расхода, где достаточно объемных датчиков и где повторяемость важнее точности. Возможность получения данных об общей массе, количестве твердых частиц, проценте твердых частиц и вязкости с помощью одного прибора снижает общую стоимость измерений, улучшает управление процессом и обеспечивает резервирование других приборов.
Конструкции с непрерывными трубками обычно предпочтительны для суспензий и других многофазных жидкостей. В конструкциях с разъемными трубками общий поток делится с помощью разделителей, и для обеспечения точности измерений два потока не должны иметь одинаковый массовый расход (однако они должны иметь одинаковую плотность). Различные плотности в двух параллельных трубках разбалансируют систему и приведут к ошибкам измерения. Поэтому, если в потоке присутствует вторичная фаза, простой разделитель потока может неравномерно распределить поток между двумя трубками.
Непрерывные трубки также предпочтительны для измерения жидкостей, которые могут покрыть и/или засорить измерительный прибор. Непрерывные трубки, если они рассчитаны на прохождение самых крупных твердых частиц в технологической жидкости, менее склонны к засорению и легче очищаются.
Конструкции с прямыми трубками можно очищать механическим способом, в то время как конструкции с изогнутыми трубками обычно промываются с помощью моющих растворов со скоростью более 10 футов/сек. Конструкции с прямыми трубками также предпочтительны для использования в санитарных условиях из-за требований к самоосушению.
Длинные изогнутые трубки скручиваются легче, чем короткие прямые трубки, и поэтому при одинаковых условиях будут генерировать более сильные сигналы. В целом, u-образные конструкции обеспечивают более широкий диапазон (от 100:1 до 200:1), в то время как счетчики с прямыми трубками ограничены диапазоном от 30:1 до 50:1 — с более низкой точностью.
Прямотрубные счетчики более устойчивы к нагрузкам и вибрациям трубопровода, просты в установке, требуют меньшего перепада давления, могут подвергаться механической очистке, более компактны и требуют меньше места для установки. Они также предпочтительнее в тех случаях, когда технологическая жидкость может застывать при температуре окружающей среды.
Не все корпуса счетчиков рассчитаны на то, чтобы выдерживать и удерживать находящуюся под давлением рабочую жидкость в случае разрыва трубы, особенно если в таких условиях рабочая жидкость может испариться. В этом случае можно заказать корпуса вторичной защиты, которые закрывают всю проточную трубку, включая ее корпус. Такие корпуса могут быть оснащены разрывными мембранами или клапанами сброса давления, а также дренажами или вентиляционными отверстиями.
