От точности измерения расхода воздуха и газов в технологических процессах зависит многое: безопасность персонала, качество продукции, соответствие экологическим нормам, эффективность и рентабельность производства. Если показания измерений некорректны, это может привести к серьезной аварии, остановке процесса, незапланированному техническому обслуживанию, замедлению темпа производства и в конечном счете снижению уровня безопасности и перерасходу средств.

Существует несколько технологий или, иначе говоря, методов измерения расхода воздуха и газа: метод, основанный на перепаде давления, вихревой, ультразвуковой, кориолисовый, термально-массовый методы и другие. Но только часть из них подходят для использования в тяжелых условиях эксплуатации, которые встречаются в химических и нефтехимических технологических процессах. Конечно, у каждой технологии есть свои сильные и слабые стороны. Одна и та же технология может подходить для одной точки учета и при этом не подходить для другой, даже если задачи схожи.

Стоимость владения неподходящего расходомера, если говорить про дополнительное обслуживание, ремонт и запчасти, может составлять десятки тысяч рублей. А если учесть последствия в виде снижения уровня безопасности или качества продукции, замедления темпа производства или несоблюдения экологических норм, то непонимание технологии измерения и, соответственно, неправильный выбор расходомера обойдутся еще дороже. Стоит помнить, что мы говорим об опасных производственных объектах, где может произойти не только остановка технологического процесса и простой, но и серьезные происшествия с несчастными случаями.

Далее рассмотрим основные задачи применения расходомеров и расскажем, на что обращать внимание при выборе той или иной технологии измерения. Данная статья будет интересна и полезна инженерам, метрологам и технологам, перед которыми стоит задача выбора, эксплуатации и обслуживания (в том числе метрологического) приборов измерения расхода воздуха или газа.

Типовые задачи измерения расхода

Расходомеры используют для измерения отдельного или суммарного расхода воздуха или газа. Учитывая опасную рабочую среду на производственных предприятиях, приборы должны иметь сертификат ТРТС 012 (взрывозащищенное исполнение) и соответствовать стандарту SIL как часть системы противоаварийной защиты (ПАЗ).

Газораспределительные системы

Качественная схема газораспределительной системы предприятия

Каждый технологический процесс требует определенное количество газов в виде сырья или для поддержания хода реакции. Как катализатор часто используют различные специфические газы, такие как водород, аргон или азот. Точное измерение этих газов необходимо для контроля процесса, учета газа и управления затратами.

Факельные системы

Типовая схема сброса газа на факел с общим коллектором

На нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производствах используются автоматизированные системы, которые обеспечивают безопасность предприятия за счёт сброса и сжигания опасного газа, который образуется в ходе технологического процесса, на факельных установках, а также за счёт утилизации отходящих дымовых газов.

Точное, быстрое и надежное измерение расхода факельного газа имеет важное значение для обеспечения надлежащей работы всей системы утилизации, которая защищает людей и оборудование, поддерживает требуемый уровень безопасности работы и предотвращает загрязнение окружающей среды.

Газовые (азотные) подушки

Азотная подушка в емкостях используется в химической и нефтеперерабатывающей промышленностях для снижения уровня риска воспламенения пожароопасной и взрывоопасной жидкости. Она поддерживает требуемый уровень безопасности установки и способствует повышению производительности.

Схема подачи азота в емкости хранения продуктов под давлением

Азотная подушка формируется за счет подачи и точного учёта расходомером инертного газообразного азота в паровоздушное пространство резервуара или сосуда, который сводит к минимуму возможность взрыва или пожара за счет снижения содержания кислорода и концентрации легковоспламеняющихся и / или взрывоопасных паров. В этой задаче расходомер также отслеживает образование точек утечки азота, чтобы поддерживать требуемый уровень безопасности.

Учет отходящих дымовых газов

Измерение расхода отходящих газов через большие дымоходы с системами скрубберов необходимо в соответствии с ФЗ 219 «Об охране окружающей среды». Оптимальное решение здесь - многоточечная схема измерения с возможностью усреднения скорости потока по всей площади сечения трубы.

Движение отходящего газа в дымовой трубе

Основные сложности измерения расхода воздуха и газа

Для правильного выбора технологии измерения расхода стоит учесть все условия эксплуатации и обратить внимание на факторы, которые описаны далее.

Малые и большие скорости потока

Одинаково успешно справиться с малой и большой скоростью потока сможет прибор, который корректно работает в широком динамическом диапазоне.

Калибровка расходомера

Заводская установка калибровки расходомеров

Максимальную точность измерения и надежность работы покажет только расходомер, откалиброванный на газах, состав которых аналогичен реальному. Важно также, что в процессе калибровки воспроизведены условия техпроцесса, то есть давление, температура и расход.

Большие размеры трубопровода

В трубах большого диаметра, прямоугольных дымоходах и вентиляционных каналах лучше устанавливать расходомер, который проводит измерения не в одной, а сразу в нескольких точках.

Доступный прямой участок

Технологии расходомеров, основанные на измерении скорости потока, требуют наличие прямолинейных участков трубопровода до и после точки измерения. Но эти условия могут быть невыполнимы. В таком случае нужен прибор, который не зависит от геометрии трубопровода.

Ограниченный доступ

Доступ к трубопроводу для монтажа, техобслуживания и сервисных работ часто затруднен. Для установки и обслуживания расходомеров с проточной частью придется останавливать процесс и тратить временные и финансовые ресурсы на организацию дополнительных строительно-монтажных работ.

Для таких ситуаций лучше подойдут приборы с погружным сенсором. Их легко устанавливать и извлекать через шаровой кран.

Сертификаты

При установке счетчиков в опасных (Ex) местах датчик должен соответствовать требованиям ТРТС 012 для установки в средах с потенциально опасными газами и быть утвержденного типа.

Основные технологии измерения расхода

Расходомеры нужны для измерения двух сред: жидкости и газа. Первую измеряют в объеме, вторую – в массе. И хотя некоторые технологии могут применяться и для жидкости, и газа, им при этом обязательно требуется компенсация по давлению и температуре и пересчет в массовый расход. Поэтому оптимальным вариантом для обеих сред будет, пожалуй, массовый расходомер. Мы в рамках данной статьи остановимся лишь на расходомерах газа.

Кориолисовые расходомеры

Принцип действия кориолисовых расходомеров основан на колебаниях трубки, в которой поток жидкости вызывает изменение частоты. Значение этой частоты пропорционально массовому расходу. Кориолисовые расходомеры часто используют в задачах коммерческого учета.

Высокоточные приборы, но дорогие и требуют трудоемкой установки.

Перепад давления

Расходомеры, которые работают по перепаду давления, бывают 3-х типов: диафрагмы, трубки Пито и трубы Вентури. Обычно конструкция такого расходомера требует, чтобы среда проходила через две точки и создавала перепад давления, который пропорционален скорости потока. Такой принцип работы можно описать через уравнение Бернулли с некоторыми изменениями.

Приборы данного принципа действия требуют частого техобслуживания, поскольку грязь в потоке среды засоряет отверстия и снижает точность измерения. Плюс такие расходомеры обладают достаточно низким динамическим диапазоном. Но всё это частично компенсируется их механической стойкостью. Проще говоря, они реже ломаются.

Ультразвуковые расходомеры

Разработаны по технологии ультразвукового измерения расхода. Для измерения объемного расхода используют волну и эффект Доплера. В ультразвуковых расходомерах преобразователь излучает ультразвуковой луч в приемный сенсор. Частота передаваемого пучка линейно изменяется частицами или пузырьками в потоке жидкости и газа. Сдвиг частот между передатчиком и приемником используется для генерации сигнала, пропорционального скорости потока.

Эти приборы обладают высокой точностью и широким динамическим диапазоном. Недостатком таких расходомеров является их высокая стоимость и сложностью в настройке по месту эксплуатации.

Оптический метод

Расходомеры с оптическим зондированием основаны на лазерных технологиях и фотодетекторах. Этот метод требует присутствия частиц в потоке газа. Частицы рассеивают световой луч, и измеряется время, которое требуется этим частицам для перехода от одного лазерного луча к другому.

Также, как и ультразвуковые расходомеры, обладают высокой точностью и широким динамическим диапазоном, но бесперебойно работающий датчик стоит дорого.

Термально-массовые расходомеры

Расходомеры с термодисперсионными датчиками обеспечивают непосредственное измерение массового расхода. Два датчика температуры PT1000 в термогильзах расположены в потоке измеряемой среды. Один датчик нагревается, а другой измеряет фактическую температуру процесса. Разница температур между этими датчиками генерирует выходное напряжение, которое может использоваться для прямого измерения массового расхода газа без необходимости использования дополнительных датчиков давления и температуры для компенсации.

Такие приборы обладают высокой точностью, широким динамическим диапазоном, высокой надёжностью. Термально-массовые расходомеры просты в эксплуатации, настройке и монтаже. Они могут быть применимы для самых разных задач, начиная от учёта воздуха или других газов, в том числе технических газов в трубках от 6 мм, заканчивая учётом факельных газов и отходящих дымовых газов в газоходах размером более 5 метров в диаметре.

Калибровка расходомера

Второй по важности вопрос после выбора технологии измерения – калибровка расходомера. Для калибровки используют 2 метода:

1. прямой, при котором расходомер калибруют для конкретного технологического газа и/или фактических компонентов используемого смешанного газа;

2. эквивалентный, при котором расходомер калибруют по воздуху, а затем калибровку регулируют с помощью предварительно определенного поправочного коэффициента.

Перед тем, как принять решение о покупке следует уточнить у поставщика, какой метод калибровки он использует. Также важно знать, использует ли он собственную калибровочную лабораторию с испытательными стендами с эталонами высоких разрядов или проводит калибровку по контракту. В этом случае также стоит уточнить, с кем именно работает поставщик.

Особенности установки

Еще одним важным критерием выбора расходомера является расположение точки врезки и требования производителя к установке прибора. Большинство технологий требуют стабильного ламинарного профиля потока. Поэтому расходомер необходимо устанавливать на расстоянии от элементов, искажающих профиль, измеряемом в диаметрах трубы в каждом направлении. Датчики потока потенциально чувствительны к завихрениям воздуха/газа в трубе, а также к перепадам или скачкам давления.

Во многих случаях решить проблему неравномерного потока можно формирователями различных типов. Их устанавливают в трубу, чтобы выпрямить поток прежде, чем он достигнет расходомера.

Термально-массовые расходомеры FCI серии ST100

С точки зрения установки есть расходомеры двух типов: с проточной частью и погружной. Проточные расходомеры устанавливают соосно внутри секции трубы. Погружные – сверху через бобышку или штуцер.

Бывают расходомеры, установить которые можно только одним способом. Например, приборы на основе трубы Вентури должны быть установлены в линию внутри трубы. Для сравнения, термально-массовые расходомеры и измерительные приборы, которые работают по принципу перепада давления, можно установить как в проточную часть, так и погрузить в процесс.

Наконец, важно обратить внимание на то, что некоторые технологии расходомеров основаны на прямом измерении массы. Таким приборам не требуется дополнительная компенсация по давлению и температуре. Для расходомеров, которые основаны на объемных измерениях, нужно дополнительно устанавливать датчики давления и температуры и вычислитель, что напрямую влияет на стоимость проекта.

Требования к обслуживанию

Все расходомеры требуют технического обслуживания. При этом частота обслуживания бывает разная. Это зависит в том числе от типа измеряемой газовой смеси.

Конструкция некоторых расходомеров меньше подвержена загрязнению, и обслуживать ее проще. Например, расходомер с погружным зондом и сальниковыми уплотнениями можно быстро извлечь из трубы без остановки процесса, очистить на месте сжатым воздухом или тряпкой и вернуть в процесс.

Выводы

Контрольный список критериев, которые влияют на выбор расходомера, выглядит так:

• точность измерения

• повторяемость результатов измерения

• технология (принцип измерения)

• тип калибровки

• требования к установке

• частота и условия технического обслуживания

• стоимость

При этом на реальную стоимость владения расходомером влияют 3 фактора: цена покупки, цена установки и цена жизненного цикла. Поэтому учитывать только закупочную стоимость будет некорректно.

Есть 2 типа установки расходомеров. Приборы с погружным зондом проще в монтаже, поэтому их обслуживание как правило обходится дешевле, чем расходомеров с проточной частью.

Последний по порядку, но не последний по значимости вопрос – это стоимость жизненного цикла расходомера. Как долго прибор будет эксплуатироваться? Какой у него срок службы: 5, 10 или 20 лет? Какое обслуживание потребуется в этот период?

У одних расходомеров в конструкции есть подвижные части, которые ломаются и требуют ремонта. В конструкции других есть небольшие измерительные отверстия, которые со временем забиваются грязной средой и требуют очистки. Со временем все эти расходы увеличивают стоимость владения расходомером.

В заключение стоит отметить, что правильный выбор расходомера – это действительно важно. Чем тщательнее изучена технология и возможности самого прибора, тем эффективнее будут принятые решения.