Instrumentation

Appareils pour une mesure précise du débit de steam, y compris les cellules de pression différentielle et les équipements de collecte et d’analyse des données. Couvre également les considérations spéciales telles que les effets de la variation de pression, la fraction de sécheresse du steam et la surchauffe.

******Un débitmètre de steam comprend deux parties :

Le dispositif « primaire » ou élément de pipeline, tel qu’un diaphragme à orifice, situé dans l’écoulement de steam.
Le dispositif « secondaire », tel qu’une cellule de pression différentielle, qui traduit tout signal en une forme utilisable. En outre, une certaine forme de processeur électronique existera qui pourra recevoir, traiter et afficher les informations. Ce processeur peut également recevoir des signaux supplémentaires de pression et/ou de température pour permettre des calculs de compensation de densité.

La Figure 4.4.1 montre un système typique.

Cellules de pression différentielle (cellules DP)

Si l’élément de pipeline est un dispositif de mesure de pression différentielle, par exemple un débitmètre à diaphragme à orifice ou un tube de Pitot, et qu’un signal électronique est requis, le dispositif secondaire sera une cellule de pression différentielle (DP ou ΔP). Celle-ci convertira le signal de pression en signal électrique. Ce signal peut ensuite être transmis à un processeur électronique capable d’accepter, de stocker et de traiter ces signaux, selon les besoins de l’utilisateur. Une cellule DP typique est un dispositif à capacité électrique, qui fonctionne en appliquant une pression différentielle de chaque côté d’un diaphragme métallique immergé dans une huile diélectrique. Le diaphragme forme une plaque d’un condensateur, et chaque côté du corps de la cellule forme les plaques fixes. Le mouvement du diaphragme produit par la pression différentielle modifie la séparation entre les plaques et modifie la capacité électrique de la cellule, qui à son tour entraîne un changement du signal de sortie électrique.

Le degré de mouvement du diaphragme est directement proportionnel à la différence de pression.

Le signal de sortie de la cellule de mesure est envoyé à un circuit électronique où il est amplifié et redressé en un signal analogique 4-20 mA DC dépendant de la charge. Ce signal peut ensuite être envoyé à une variété de dispositifs pour :

Fournir une indication du débit
Être utilisé avec d’autres données pour former une partie d’un signal de commande. La sophistication de cet appareil dépend du type de données que l’utilisateur souhaite collecter. Cellules DP avancées ****L’avancement de la microélectronique et la poursuite de systèmes de commande de plus en plus sophistiqués ont conduit au développement de cellules de pression différentielle plus avancées. En plus de la fonction de base de mesure de pression différentielle, des cellules peuvent désormais être obtenues qui :
Peuvent indiquer la pression réelle (par opposition à la pression différentielle).
Ont des capacités de communication, par exemple HART® ou Fieldbus.
Ont des fonctions d’auto-surveillance ou de diagnostic.
Ont une intelligence « embarquée » permettant d’effectuer des calculs et de les afficher localement.
Peuvent accepter des entrées supplémentaires, telles que la température et la pression. Collecte de données ****De nombreuses méthodes différentes sont disponibles pour la collecte et le traitement de ces données, parmi lesquelles :
Ordinateurs dédiés.
PLC autonomes (systèmes de contrôleur logique programmable).
DCS centralisés (systèmes de commande distribuée).
SCADA (systèmes de supervision et d’acquisition de données). L’une des méthodes les plus simples pour la collecte, le stockage et l’affichage des données est un ordinateur dédié. Avec l’avènement du microprocesseur, des ordinateurs de surveillance de débit extrêmement polyvalents sont désormais disponibles. L’affichage et les fonctions de surveillance qu’ils fournissent peuvent inclure :
Débit actuel.
Utilisation totale de steam.
Température/pression du steam.
Utilisation du steam sur des périodes de temps spécifiées.
Débit, pression ou température anormaux, et déclenchement d’alarmes à distance.
Compensation des variations de densité.
Interface avec des enregistreurs graphiques.
Interface avec des systèmes de gestion de l’énergie. Certains peuvent plus précisément être appelés débitmètres d’énergie car, en plus des variables ci-dessus, ils peuvent utiliser le temps, les tables de vapeur et d’autres variables pour calculer et afficher à la fois la puissance (kW ou Btu/h) et l’utilisation d’énergie thermique (kJ ou Btu). En plus de l’unité informatique, il est parfois bénéfique d’avoir un affichage local du débit. Analyse des données ****La collecte de données, qu’elle soit manuelle, semi-automatique ou entièrement automatique, sera finalement utilisée comme outil de gestion pour surveiller et maîtriser les coûts énergétiques. Les données devront peut-être être collectées sur une période de temps pour donner une image précise des coûts et des tendances du processus. Certains processus de production nécessiteront des données quotidiennes, bien que la période souvent préférée par les utilisateurs industriels soit la semaine de production. Des micro-ordinateurs avec un logiciel capable de gérer des calculs statistiques et des graphiques sont couramment utilisés pour analyser les données. Une fois le système de mesure en place, le premier objectif est de déterminer une relation entre le processus (par exemple tonnes de produit/heure) et la consommation d’énergie (par exemple kg de steam/heure). Le moyen habituel d’y parvenir est de tracer la consommation (ou la consommation spécifique) par rapport à la production et d’établir une corrélation. Cependant, une certaine prudence est requise dans l’interprétation de la nature exacte de cette relation. Il y a deux raisons principales à cela :
Des facteurs secondaires peuvent affecter les niveaux de consommation d’énergie.
La commande de l’utilisation d’énergie primaire peut être médiocre, obscurcissant toute relation claire. Des techniques statistiques peuvent être utilisées pour aider à identifier l’effet de facteurs multiples. Il convient de noter que de la prudence doit être exercée lors de l’utilisation de telles méthodes, car il est assez facile d’établir une relation statistique entre deux ou plus variables qui sont totalement indépendantes.

Une fois ces facteurs identifiés et pris en compte, la consommation d’énergie standard peut alors être déterminée. C’est la consommation d’énergie minimale qui est réalisable pour l’installation et les pratiques opérationnelles actuelles.

Le diagramme de la Figure 4.4.3 trace une relation typique entre la production et la consommation.

Une fois la relation entre la consommation de steam et la production de l’usine établie, elle devient la base/le standard par rapport auquel toutes les productions futures peuvent être mesurées.

En utilisant le standard, les responsables de chaque section peuvent alors recevoir des rapports réguliers sur leur consommation d’énergie et comment celle-ci se compare au standard. Le responsable individuel peut alors analyser les performances de son installation en se posant les questions suivantes :

Comment la consommation se compare-t-elle au standard ?
La consommation est-elle supérieure ou inférieure au standard, et de combien varie-t-il ?
Y a-t-il des tendances dans la consommation ? S’il y a une variation de consommation, cela peut être dû à un certain nombre de raisons, incluant :
Une mauvaise commande de la consommation d’énergie.
Un équipement défectueux, ou un équipement nécessitant une maintenance.
Des variations saisonnières. Pour isoler la cause, il est nécessaire de vérifier d’abord les enregistrements passés, pour déterminer si le changement est une tendance vers une consommation accrue ou un cas isolé. Dans ce dernier cas, des vérifications doivent être effectuées autour de l’installation pour détecter les fuites ou les équipements défectueux. Ceux-ci peuvent ensuite être réparés selon les besoins.

La consommation standard doit être un objectif réalisable pour les responsables d’installation, et une approche courante consiste à utiliser la droite de meilleure régression basée sur la moyenne plutôt que sur les meilleures performances réalisables (voir Figure 4.4.4). Une fois le standard déterminé, celui-ci deviendra la nouvelle ligne de référence de consommation d’énergie.

Cette prise de conscience énergétique accrue entraînera inévitablement une diminution des coûts énergétiques et des coûts de fonctionnement globaux de l’installation, et par conséquent, un système plus efficace sur le plan énergétique.

Exigences spéciales pour une mesure précise du débit de steam ****Comme mentionné précédemment dans le Bloc 4, les débitmètres mesurent la vitesse ; des valeurs supplémentaires pour la section transversale (A) et la densité (P) sont nécessaires pour permettre le calcul du débit massique (qm). Pour toute installation, la section transversale restera constante, la densité (P) cependant variera avec la pression et la fraction de sécheresse. Les deux sections suivantes examinent l’effet de la variation de pression et de la fraction de sécheresse sur la précision des installations de débitmètres de steam. Variation de pression Dans un monde idéal, la pression dans les conduites de steam de processus resterait absolument constante. Malheureusement, c’est très rarement le cas avec des charges variables, des zones mortes de commande de pression de chaudière, des pertes de pression par friction, et des paramètres de processus contribuant tous à des variations de pression dans la conduite principale de steam.

La Figure 4.4.5 montre le cycle de fonctionnement pour une application de steam saturé. Après le démarrage, la pression du système monte progressivement vers le 5 bar g nominal mais en raison des demandes de charge du processus, la pression varie tout au long de la journée. Avec un débitmètre sans compensation de pression, l’erreur cumulée peut être significative. Certains systèmes de débitmétrie de steam n’ont pas de compensation de densité intégrée, et sont spécifiés pour fonctionner à une seule pression de ligne fixe. Si la pression de ligne est effectivement constante, alors cela est acceptable. Cependant, même des variations de pression relativement faibles peuvent affecter la précision du débitmètre. Il peut être utile de noter à ce stade que différents types de débitmètres peuvent être affectés de différentes manières. Débitmètres de vitesse Le signal de sortie d’un débitmètre à vortex est une fonction de la vitesse d’écoulement uniquement. Il est indépendant de la densité, de la pression et de la température du fluide qu’il surveille. À la même vitesse d’écoulement, la sortie non compensée d’un débitmètre à vortex est la même qu’il mesure du steam à 3 bar g, du steam à 17 bar g, ou de l’eau.

Les erreurs de débit sont donc une fonction de l’erreur de densité et peuvent être exprimées comme montré dans l’Équation 4.4.1. Exemple 4.4.1 ****Comme base pour les exemples suivants, déterminer la densité (ρ) du steam sec saturé à 4,2 bar g et 5,0 bar g. Exemple 4.4.2 Un débitmètre de steam à vortex spécifié pour être utilisé à 5 bar g est utilisé à 4,2 bar g. Utiliser l’Équation 4.4.1 et les données de l’Exemple 4.4.1 pour déterminer l’erreur résultante (ε). Par conséquent, le débitmètre à vortex non compensé surestimera de 14,42%

Comme l’une des caractéristiques du steam saturé (en particulier aux basses pressions jusqu’à environ 6 bar g) est que la densité varie considérablement pour un petit changement de pression, la compensation de densité est essentielle pour garantir des lectures précises.

L’Équation 4.4.1 peut être utilisée pour générer un graphique montrant l’erreur attendue du débit pour une erreur de pression, comme montré à la Figure 4.4.6. Débitmètres à pression différentielle Le signal de sortie d’un diaphragme à orifice et d’une cellule prend la forme d’un signal de pression différentielle. Le débit massique mesuré est une fonction de la forme et de la taille du trou, de la racine carrée de la pression différentielle et de la racine carrée de la densité du fluide. À la même pression différentielle observée à travers un diaphragme à orifice, le débit massique dérivé variera avec la racine carrée de la densité.

Comme pour les débitmètres à vortex, l’utilisation d’un débitmètre à diaphragme à orifice à une pression autre que la pression spécifiée donnera lieu à des erreurs.

L’erreur en pourcentage peut être calculée en utilisant l’Équation 4.4.2. Exemple 4.4.3.

Un débitmètre de steam à diaphragme à orifice spécifié pour être utilisé à 5 bar g est utilisé à 4,2 bar g. Utiliser l’Équation 4.4.2 pour déterminer l’erreur en pourcentage résultante (ε). L’erreur positive signifie que le débitmètre surestime, dans ce cas, pour chaque 100 kg de steam passant, le débitmètre enregistre 106,96 kg.

L’Équation 4.4.2 peut être utilisée pour générer un graphique montrant l’erreur attendue du débit pour une erreur de pression, comme montré à la Figure 4.4.7.

En comparant la Figure 4.4.6 avec la Figure 4.4.7, on peut voir que l’erreur % due à l’absence de compensation de densité pour le débitmètre à vortex est approximativement le double de l’erreur % pour le débitmètre à diaphragme à orifice. Par conséquent, la compensation de densité est essentielle si le débit de steam doit être mesuré avec précision. Si le débitmètre de steam ne comprend pas de fonction de compensation de densité intégrée, alors des capteurs supplémentaires de pression et/ou de température doivent être fournis, reliés au système d’instrumentation. Variation de fraction de sécheresse

La densité d’un mètre cube de steam humide est supérieure à celle d’un mètre cube de steam sec. Si la qualité du steam n’est pas prise en compte lorsque le steam traverse le débitmètre, alors le débit indiqué sera inférieur à la valeur réelle.

La fraction de sécheresse (χ) a déjà été discutée dans le Module 2.2, mais pour résumer ; la fraction de sécheresse est une expression des proportions de steam saturé et d’eau saturée. Par exemple, un kilogramme de steam avec une fraction de sécheresse de 0,95 contient 0,95 kilogramme de steam et 0,05 kilogramme d’eau. Exemple 4.4.4 Comme base pour les exemples suivants, déterminer la densité (ρ) du steam sec saturé à 10 bar g avec des fractions de sécheresse de 1,0 et 0,95. L’effet de la fraction de sécheresse sur les débitmètres mesurant la pression différentielle Pour réitérer les commentaires précédents concernant les erreurs des débitmètres à pression différentielle, le débit massique (qm) sera proportionnel à la racine carrée de la densité (ρ), et la densité est liée à la fraction de sécheresse. Les changements de fraction de sécheresse auront un effet sur le débit indiqué par le débitmètre. L’Équation 4.4.4 peut être utilisée pour déterminer la relation entre le débit réel et le débit indiqué : Tous les débitmètres de steam seront étalonnés pour lire à une fraction de sécheresse () prédéterminée, la valeur typique est 1. Certains débitmètres de steam peuvent être ré-étalonnés pour s’adapter aux conditions réelles.

Exemple 4.4.5

En utilisant les données de l’Exemple 4.4.4, déterminer l’erreur en pourcentage si la fraction de sécheresse réelle est de 0,95 plutôt que la valeur étalonnée de 1,0, et que le débitmètre de steam indiquait un débit de 1 kg/s. Par conséquent, le signe négatif indique que le débitmètre sous-estime de 2,46%. L’Équation 4.4.4 est utilisée pour compiler le graphique montré à la Figure 4.4.8. L’effet de la fraction de sécheresse sur les débitmètres à vortex

On peut argumenter que la fraction de sécheresse, dans des limites raisonnables, n’a pas d’importance parce que :

Les débitmètres à vortex mesurent la vitesse.
Le volume d’eau dans le steam avec une fraction de sécheresse de, par exemple, 0,95, en proportion du steam est très petit.
C’est la condensation du steam sec qui doit être mesurée. Cependant, des recherches indépendantes ont montré que les gouttelettes d’eau heurtant le corps déviateur provoqueront des erreurs et comme les débitmètres à vortex ont tendance à être utilisés à des vitesses plus élevées, l’érosion par les gouttelettes d’eau est également à prévoir. Malheureusement, il n’est pas possible de quantifier ces erreurs. Conclusion La débitmétrie précise du steam dépend de :
La prise en compte des variations de pression - La pression variera dans tout système de steam, et il est clairement futile de spécifier un débitmètre avec une précision de ±2% si les variations de pression seules peuvent donner des erreurs de ±10%. Le système de débitmétrie de steam doit inclure la compensation de densité.
Une fraction de sécheresse prévisible - La mesure de la fraction de sécheresse est très complexe ; une option beaucoup plus facile et meilleure consiste à installer un séparateur de steam en amont de tout débitmètre de steam. Cela garantira que la fraction de sécheresse est toujours proche de 1,0, quelle que soit la condition du steam fourni. Steam surchauffé Avec le steam saturé, il existe une relation fixe entre la pression de steam et la température de steam. Les tables de vapeur fournissent des informations détaillées sur cette relation. Pour appliquer la compensation de densité sur le steam saturé, il est seulement nécessaire de détecter soit la température du steam soit la pression du steam pour déterminer la densité (). Ce signal peut ensuite être envoyé, avec le signal de débit, à l’ordinateur de débit, où, en supposant que l’ordinateur contient un algorithme de table de vapeur, il effectuera alors les calculs de débit massique.

Cependant, le steam surchauffé est proche d’être un gaz et aucune relation évidente n’existe entre la température et la pression. Lors de la mesure des débits de steam surchauffé, la pression de steam et la température de steam doivent être détectées et signalées simultanément. L’instrumentation du débitmètre doit également inclure le logiciel de table de vapeur nécessaire pour lui permettre de calculer les conditions du steam surchauffé et d’indiquer les valeurs correctes.

Si un débitmètre de steam de type pression différentielle est installé qui ne possède pas cette instrumentation, une erreur de mesure de débit sera toujours affichée si une surchauffe est présente.

Ceci est mieux montré comme un exemple. Exemple 4.4.6 Considérons un débitmètre à pression différentielle équipé d’un équipement de lecture de pression, mais sans équipement de lecture de température. Le débitmètre pense qu’il lit du steam saturé à 10 bar g avec sa température correspondante de 184°C. Malheureusement, le steam mesuré est surchauffé avec une température de 220°C.

En utilisant l’équation 4.4.2, l’erreur de lecture peut être calculée sur la base de la densité inférieure à celle anticipée pour le steam surchauffé. Dans ce cas, le compteur surestimerait de 5%.

En utilisant les mêmes paramètres que l’exemple 4.4.6, déterminer le débit réel si le débitmètre affiche un débit de 250 kg/h.

L’Équation 4.4.5 peut être utilisée pour calculer la valeur réelle à partir du menu affiché.