Enstrümantasyon

Doğru buhar akış ölçümü için enstrümanlar, diferansiyel basınç hücreleri ve veri toplama ve analiz ekipmanını içerir. Ayrıca basınç değişimlerinin etkileri, buhar kuruluk oranı ve aşırı ısınma gibi özel hususları da kapsamaktadır.

****Bir buhar akış ölçer iki bölümden oluşur:

1. Buhar akışına yerleştirilen orifis plakası gibi ‘birincil’ cihaz veya boru hattı ünitesi.
2. Sinyalleri kullanışlı bir forma dönüştüren diferansiyel basınç hücresi gibi ‘ikincil’ cihaz. Bunun yanı sıra, bilgiyi alabilen, işleyebilen ve görüntüleyebilen bir tür elektronik işlemci bulunacaktır. Bu işlemci ayrıca yoğunluk telafisi hesaplamalarının yapılmasını sağlamak için basınç ve/veya sıcaklık için ek sinyaller de alabilir.

Şekil 4.4.1 tipik bir sistemi göstermektedir.

Diferansiyel basınç hücreleri (DP hücreleri)

Boru hattı ünitesi diferansiyel basınç ölçüm cihazıysa, örneğin bir orifis plakalı akış ölçer veya Pitot tüpü, ve bir elektronik sinyal gerekiyorsa, ikincil cihaz bir Diferansiyel Basınç (DP veya ΔP) hücresi olacaktır. Bu, basınç sinyalini elektrik sinyaline dönüştürecektir. Bu sinyal daha sonra, kullanıcının gerektirdiği şekilde bu sinyalleri kabul edebilen, depolayabilen ve işleyebilen bir elektronik işlemciye aktarılabilir. Tipik bir DP hücresi, dielektrik yağa batırılmış bir metal diyafrağın her iki tarafına diferansiyel basınç uygulayarak çalışan bir elektrik kapasitans cihazıdır. Diyafrağın her iki tarafı sabit plakaları oluşturur. Diferansiyel basınçtan kaynaklanan diyafrağın hareketi, plakalar arasındaki mesafeyi değiştirir ve hücrenin elektrik kapasitansını değiştirir, bu da elektrik çıkış sinyalinde bir değişikliğe yol açar.

Diyafrağın hareket derecesi basınç farkıyla doğru orantılıdır.

Ölçüm hücresinden gelen çıkış sinyali, yük bağımlı 4-20 mA DC analog sinyale yükseltilip düzeltildiği bir elektronik devreye beslenir. Bu sinyal daha sonra çeşitli cihazlara gönderilebilir:

• Akış hızı göstergesi sağlamak
• Bir kontrol sinyalinin parçasını oluşturmak için diğer verilerle birlikte kullanmak. Bu enstrümanın karmaşıklığı, kullanıcının toplamak istediği veri türüne bağlıdır. Gelişmiş DP hücreleri ****Mikroelektronikteki ilerleme ve giderek daha karmaşık kontrol sistemlerinin peşinde koşulması, daha gelişmiş diferansiyel basınç hücrelerinin geliştirilmesine yol açmıştır. Temel diferansiyel basınç ölçme işlevinin yanı sıra, artık şu özelliklere sahip hücreler elde edilebilir:
• Gerçek (diferansiyelden farklı) basıncı gösterebilir.
• İletişim yeteneğine sahiptir, örneğin HART® veya Fieldbus.
• Kendi kendine izleme veya teşhis tesislerine sahiptir.
• Hesaplamaların gerçekleştirilmesine ve yerel olarak görüntülenmesine olanak tanıyan ‘dahili’ zekaya sahiptir.
• Sıcaklık ve basınç gibi ek girdileri kabul edebilir. Veri toplama ****Bu verilerin toplanması ve işlenmesi için birçok farklı yöntem mevcuttur, bunlar şunlardır:
• Özel bilgisayarlar.
• Bağımsız PLC’ler (Programlanabilir Mantık Denetleyici sistemleri).
• Merkezi DCS’ler (Dağıtık Kontrol Sistemleri).
• SCADA’lar (Denetimli Kontrol ve Veri Toplama sistemleri) Veri toplama, depolama ve görüntüleme için daha kolay yöntemlerden biri özel bir bilgisayardır. Mikroişlemcinin ortaya çıkmasıyla, son derece çok yönlü akış izleme bilgisayarları artık mevcuttur. Bunlar tarafından sağlanan görüntüleme ve izleme tesisleri şunları içerebilir:
• Mevcut akış hızı.
• Toplam buhar kullanımı.
• Buhar sıcaklığı/basıncı.
• Belirtilen zaman dilimlerinde buhar kullanımı.
• Anormal akış hızı, basınç veya sıcaklık ve uzaktan alarmları tetikleme.
• Yoğunluk değişimlerini telafi etme.
• Grafik kayıt cihazlarıyla arayüz oluşturma.
• Enerji yönetim sistemleriyle arayüz oluşturma. Bazıları daha doğru bir şekilde enerji akış ölçerleri olarak adlandırılabilir çünkü yukarıdaki değişkenlere ek olarak zaman, buhar tabloları ve diğer değişkenleri kullanarak hem gücü (kW veya Btu/s) hem de ısı enerjisi kullanımını (kJ veya Btu) hesaplayıp görüntüleyebilirler. Bilgisayar ünitesine ek olarak, bazen akış hızının yerel bir okunmasına sahip olmak faydalıdır. Veri analizi ****Veri toplama, manuel, yarı otomatik veya tam otomatik olsun, sonuçta enerji maliyetlerini izlemek ve kontrol etmek için bir yönetim aracı olarak kullanılacaktır. Proses maliyetlerinin ve trendlerinin doğru bir resmini vermek için verilerin belirli bir süre boyunca toplanması gerekebilir. Bazı üretim prosesleri günlük bazda veri gerektirecektir, ancak endüstriyel kullanıcılar tarafından sıklıkla tercih edilen dönem üretim haftasıdır.İstatistiksel hesaplamaları ve grafikleri işleyebilen yazılıma sahip mikrobilgisayarlar verileri analiz etmek için yaygın olarak kullanılır. Ölçüm sistemi yerleştirildikten sonra, ilk amaç proses (örneğin saatte ton ürün) ve enerji tüketimi (örneğin saatte kg buhar) arasında bir ilişki belirlemektir. Bunu başarmanın olağan yolu, tüketimi (veya spesifik tüketimi) üretime karşı çizmek ve bir korelasyon oluşturmaktır. Ancak, bu ilişkinin tam doğasını yorumlamada biraz dikkat gereklidir. Bunun iki ana nedeni vardır:
• İkincil faktörler enerji tüketim seviyelerini etkileyebilir.
• Birincil enerji kullanımının kontrolü zayıf olabilir, net bir ilişkiyi gizleyebilir. İstatistiksel teknikler, çoklu faktörlerin etkisini belirlemeye yardımcı olmak için kullanılabilir. Bu tür yöntemler kullanılırken dikkatli olunması gerektiği unutulmamalıdır, çünkü tamamen bağımsız olan iki veya daha fazla değişken arasında istatistiksel bir ilişki oluşturmak oldukça kolaydır.

Bu faktörler belirlendikten ve dikkate alındıktan sonra, standart enerji tüketimi belirlenebilir. Bu, mevcut tesis ve çalışma uygulamaları için ulaşılabilir olan minimum enerji tüketimidir.

Şekil 4.4.3’teki şema, üretim ve tüketim arasındaki tipik bir ilişkiyi göstermektedir.

Buhar tüketimi ile fabrika üretimi arasındaki ilişki bir kez kurulduğunda, tüm gelecekteki üretimin ölçülebileceği temel/standart haline gelir.

Standart kullanılarak, bireysel bölümlerin yöneticileri daha sonra enerji tüketimleri ve bunun standartla nasıl karşılaştırıldığı hakkında düzenli raporlar alabilirler. Bireysel yönetici daha sonra tesis performansını şu soruları sorarak analiz edebilir:

• Tüketim standartla nasıl karşılaştırılıyor?
• Tüketim standartın üstünde mi altında mı ve ne kadar değişiyor?
• Tüketimde herhangi bir trend var mı? Tüketimde bir varyans varsa, bunun birkaç nedeni olabilir:
• Enerji tüketiminin kötü kontrolü.
• Arızalı ekipman veya bakım gerektiren ekipman.
• Mevsimsel değişimler. Nedeni izole etmek için, önce geçmiş kayıtları kontrol etmek ve değişimin artan tüketime doğru bir trend mi yoksa tekil bir durum mu olduğunu belirlemek gerekir. İkinci durumda, tesis çevresinde sızıntılar veya arızalı ekipman parçaları için kontroller yapılmalıdır. Bunlar daha sonra gerektiği gibi onarılabilir.

Standart tüketim, tesis yöneticileri için ulaşılabilir bir hedef olmalıdır ve yaygın bir yaklaşım, ulaşılabilen en iyi performansa değil, ortalamaya dayalı en uygun çizgiyi kullanmaktır (Şekil 4.4.4’e bakınız). Standart belirlendikten sonra, bu yeni enerji tüketimi referans çizgisi olacaktır.

Enerji bilincindeki bu artış kaçınılmaz olarak enerji maliyetlerinde ve genel tesis işletme maliyetlerinde bir azalmaya, dolayısıyla daha enerji verimli bir sisteme yol açacaktır.

Doğru buhar akış ölçümü için özel gereksinimler ****Bloğ 4’te daha önce bahsedildiği gibi, akış ölçerler hızı ölçer; kütle akış hızının (qm) hesaplanması için kesit alanı (A) ve yoğunluk (P) için ek değerler gereklidir. Herhangi bir kurulum için kesit alanı sabit kalacaktır, ancak yoğunluk (P) basınç ve kuruluk oranına bağlı olarak değişecektir. Sonraki iki bölüm, basınç ve kuruluk oranı değişimlerinin buhar akış ölçer kurulumlarının doğruluğu üzerindeki etkisini incelemektedir. Basınç değişimi İdeal bir dünyada, prosesteki buhar hatlarındaki basınç tamamen sabit kalırdı. Ne yazık ki, bu, değişken yükler, kazan basıncı kontrol ölü bantları, sürtünme basınç kayıpları ve proses parametrelerinin hepsinin buhar ana hattındaki basınç değişimlerine katkıda bulunması nedeniyle çok nadiren böyledir.

Şekil 4.4.5, doymuş buhar uygulaması için çalışma döngüsünü göstermektedir. Devreye alma sonrasında sistem basıncı kademeli olarak nominal 5 bar g’ye yükselir, ancak proses yük talepleri nedeniyle basınç gün boyunca değişir. Basınç telafisiz bir akış ölçerle, kümülatif hata önemli olabilir. Bazı buhar akış ölçüm sistemlerinde yerleşik yoğunluk telafisi yoktur ve tek, sabit bir hat basıncında çalışacak şekilde belirlenmiştir. Hat basıncı gerçekten sabitse, bu kabul edilebilir. Ancak, nispeten küçük basınç değişimleri bile akış ölçer doğruluğunu etkileyebilir. Bu noktada, farklı akış ölçer türlerinin farklı şekillerde etkilenebileceğini belirtmekte fayda olabilir. Hız akış ölçerler Bir girdap ayırma akış ölçerinden gelen çıkış sinyali yalnızca akış hızının bir fonksiyonudur. İzlediği akışkanın yoğunluğundan, basıncından ve sıcaklığından bağımsızdır. Aynı akış hızı verildiğinde, girdap ayırma akış ölçerinden gelen telafisiz çıktı, 3 bar g buhar, 17 bar g buhar veya su ölçüyor olsa da aynıdır.

Akış hataları, dolayısıyla, yoğunluktaki hatanın bir fonksiyonudur ve Denklem 4.4.1’de gösterildiği gibi ifade edilebilir. Örnek 4.4.1 ****Aşağıdaki örnekler için bir temel olarak, 4.2 bar g ve 5.0 bar g’de kuru doymuş buharın yoğunluğunu (ρ) belirleyin. Örnek 4.4.2 5 bar g’de kullanılması belirtilen bir girdap ayırma buhar akış ölçeri 4.2 bar g’de kullanılmaktadır. Denklem 4.4.1’i ve Örnek 4.4.1’deki verileri kullanarak ortaya çıkan hatayı (ε) belirleyin. Bu nedenle, telafisiz girdap akış ölçeri %14,42 fazla okuyacaktır.

Doymuş buharın (özellikle yaklaşık 6 bar g’ye kadar düşük basınçlarda) özelliklerinden biri, küçük bir basınç değişiminde yoğunluğun büyük ölçüde değişmesidir, bu nedenle doğru okumaları sağlamak için yoğunluk telafisi esastır.

Denklem 4.4.1, basınçtaki bir hata için akıştaki beklenen hatayı gösteren bir grafik oluşturmak için kullanılabilir, Şekil 4.4.6’da gösterildiği gibi. Diferansiyel basınç akış ölçerler Bir orifis plakasından ve hücreden gelen çıkış sinyali, diferansiyel basınç sinyali biçimini alır. Ölçülen kütle akış hızı, deliğin şekil ve boyutunun, diferansiyel basıncın karekökünün ve akışkanın yoğunluğunun karekökünün bir fonksiyonudur. Bir orifis plakası boyunca aynı gözlemlenmiş diferansiyel basınç verildiğinde, türetilen kütle akış hızı yoğunluğun karekökü ile değişecektir.

Girdap akış ölçerleri gibi, bir orifis plakası akış ölçerini belirtilen basınçtan farklı bir basınçta çalıştırmak hatalara yol açacaktır.

Yüzde hata, Denklem 4.4.2 kullanılarak hesaplanabilir. Örnek 4.4.3.

5 bar g’de kullanılması belirtilen bir orifis plakası buhar akış ölçeri 4.2 bar g’de kullanılmaktadır. Denklem 4.4.2’yi kullanarak ortaya çıkan yüzde hatayı (ε) belirleyin. Pozitif hata, akış ölçerin fazla okuduğu anlamına gelir, bu durumda, akan her 100 kg buhar için akış ölçer 106,96 kg gösterir.

Denklem 4.4.2, basınçtaki bir hata için akıştaki beklenen hatayı gösteren bir grafik oluşturmak için kullanılabilir, Şekil 4.4.7’de gösterildiği gibi.

Şekil 4.4.6 ile Şekil 4.4.7 karşılaştırıldığında, girdap akış ölçeri için yoğunluk telafisi eksikliğinden kaynaklanan % hatanın, orifis plakası akış ölçeri için % hatanın yaklaşık iki katı olduğu görülebilir. Bu nedenle, buhar akışı doğru bir şekilde ölçülecekse yoğunluk telafisi esastır. Buhar akış ölçerinde yerleşik yoğunluk telafisi özelliği yoksa, enstrümantasyon sistemine geri bağlı ek basınç ve/veya sıcaklık sensörleri sağlanmalıdır. Kuruluk oranı değişimi

Bir metreküp ıslak buharın yoğunluğu, bir metreküp kuru buharın yoğunluğundan daha yüksektir. Buhar akış ölçerinden geçerken buharın kalitesi dikkate alınmazsa, gösterilen akış hızı gerçek değerden düşük olacaktır.

Kuruluk oranı (χ) daha önce Modül 2.2’de tartışılmıştır, ancak yinelemek gerekirse; kuruluk oranı, doymuş buhar ve doymuş su oranlarının bir ifadesidir. Örneğin, kuruluk oranı 0,95 olan bir kilogram buhar, 0,95 kilogram buhar ve 0,05 kilogram su içerir. Örnek 4.4.4 Aşağıdaki örnekler için bir temel olarak, kuruluk oranları 1,0 ve 0,95 olan 10 bar g’de kuru doymuş buharın yoğunluğunu (ρ) belirleyin. Kuruluk oranının diferansiyel basınç ölçen akış ölçerler üzerindeki etkisi Diferansiyel basınç akış ölçer hatalarıyla ilgili önceki yorumları yinelemek gerekirse, kütle akış hızı (qm) yoğunluğun (ρ) kareköküyle orantılı olacaktır ve yoğunluk kuruluk oranıyla ilişkilidir. Kuruluk oranındaki değişimler, akış ölçerin gösterdiği akışı etkileyecektir. Denklem 4.4.4, gerçek akış ile gösterilen akış arasındaki ilişkiyi belirlemek için kullanılabilir: Tüm buhar akış ölçerler, önceden belirlenmiş bir kuruluk oranında () okumak üzere kalibre edilecektir, tipik değer 1’dir. Bazı buhar akış ölçerleri gerçek koşullara uyacak şekilde yeniden kalibre edilebilir.

Örnek 4.4.5

Örnek 4.4.4’teki verileri kullanarak, gerçek kuruluk oranının kalibre edilen 1,0 değeri yerine 0,95 olması ve buhar akış ölçerinin 1 kg/s’lik bir akış hızı göstermesi durumunda yüzde hatayı belirleyin. Bu nedenle, negatif işaret akış ölçerin %2,46 az okuduğunu gösterir. Denklem 4.4.4, Şekil 4.4.8’de gösterilen grafiği derlemek için kullanılmıştır. Kuruluk oranının girdap akış ölçerler üzerindeki etkisi

Kuruluk oranının, mantıklı sınırlar dahilinde, önemsiz olduğu savunulabilir çünkü:

• Girdap akış ölçerler hızı ölçer.
• Kuruluk oranı örneğin 0,95 olan buhardaki suyun hacmi, buhara oranla çok küçüktür.
• Ölçülmesi gereken kuru buharın yoğuşmasıdır. Ancak, bağımsız araştırmalar, su damlalarının kör gövdeye çarpmasının hatalara neden olacağını ve girdap akış ölçerlerinin daha yüksek hızlarda kullanılmaya eğilimli olması nedeniyle su damlaları tarafından aşınmanın da beklenebileceğini göstermiştir. Ne yazık ki, bu hataları nicelendirmek mümkün değildir. Sonuç Doğru buhar akış ölçümü şunlara bağlıdır:
• Basınç değişimlerinin dikkate alınması - Herhangi bir buhar sisteminde basınç değişecektir ve yalnızca basınç değişimlerinin ±%10 hata verebileceği durumda ±%2 doğrulukta bir akış ölçer belirlemek açıkça faydasızdır. Buhar akış ölçüm paketi yoğunluk telafisi içermelidir.
• Öngörülebilir kuruluk oranı - Kuruluk oranı ölçümü çok karmaşıktır; çok daha kolay ve daha iyi bir seçenek, herhangi bir buhar akış ölçerinin önüne bir buhar separatörü kurmaktır. Bu, sağlanan buharın durumundan bağımsız olarak, kuruluk oranının her zaman 1,0’e yakın olmasını sağlayacaktır. Aşırı ısınmış buhar Doymuş buharda, buhar basıncı ile buhar sıcaklığı arasında sabit bir ilişki vardır. Buhar tabloları bu ilişki hakkında ayrıntılı bilgi sağlar. Doymuş buhara yoğunluk telafisi uygulamak için, yalnızca yoğunluğu () belirlemek için buhar sıcaklığını veya buhar basıncını algılamak yeterlidir. Bu sinyal daha sonra akış sinyaliyle birlikte, bilgisayarın bir buhar tablosu algoritması içerdiğini varsayarak, kütle akış hızı hesaplamalarını yapacak akış bilgisayarına beslenebilir.

Ancak, aşırı ısınmış buhar bir gaza yakın olduğundan, sıcaklık ve basınç arasında bariz bir ilişki yoktur. Aşırı ısınmış buhar akış hızlarını ölçerken, hem buhar basıncı hem de buhar sıcaklığı aynı anda algılanmalı ve sinyal verilmelidir. Akış ölçer enstrümantasyonu, aşırı ısınmış buhar koşullarını hesaplamasını ve doğru değerleri göstermesini sağlamak için gerekli buhar tablosu yazılımını da içermelidir.

Bu enstrümantasyona sahip olmayan bir diferansiyel basınç tipi buhar akış ölçeri takılırsa, aşırı ısınma mevcut olduğunda her zaman bir akış ölçüm hatası görüntülenecektir.

Bu en iyi bir örnekle gösterilir. Örnek 4.4.6 Basınç okuma ekipmanı olan ancak sıcaklık okuma ekipmanı olmayan bir diferansiyel basınç akış ölçerini ele alalım. Akış ölçer, 184°C’lik karşılık gelen sıcaklığıyla 10 bar g’de doymuş buhar okuduğunu düşünmektedir. Ne yazık ki, ölçülen buhar 220°C sıcaklıkta aşırı ısınmıştır.

Denklem 4.4.2 kullanılarak, aşırı ısınmış buhar için beklenenden daha düşük yoğunluğa dayanarak okuma hatası hesaplanabilir. Bu durumda akış ölçer %5 fazla okuyacaktır

Örnek 4.4.6 ile aynı parametreleri kullanarak, akış ölçerin 250 kg/s’lik bir akış hızı göstermesi durumunda gerçek akış hızını belirleyin.

Denklem 4.4.5, görüntülenen menüden gerçek değeri hesaplamak için kullanılabilir.