Thiết bị đo lường
Thiết bị cho đo chính xác lưu lượng hơi nước, bao gồm ô áp suất vi sai và thiết bị thu thập và phân tích dữ liệu. Cũng đề cập đến các cân nhắc đặc biệt như ảnh hưởng của biến đổi áp suất, độ khô hơi nước và quá nhiệt.
****Máy đo lưu lượng hơi nước bao gồm hai phần:
- Thiết bị “sơ cấp” hoặc đơn vị đường ống, như tấm lỗ, nằm trong dòng chảy hơi nước.
- Thiết bị “thứ cấp”, như ô áp suất vi sai, chuyển đổi bất kỳ tín hiệu nào thành dạng có thể sử dụng được. Ngoài ra, một dạng bộ xử lý điện tử sẽ tồn tại có thể nhận, xử lý và hiển thị thông tin. Bộ xử lý này cũng có thể nhận thêm tín hiệu cho áp suất và/hoặc nhiệt độ để cho phép thực hiện tính toán bù mật độ.
Hình 4.4.1 cho thấy một hệ thống điển hình.
Ô áp suất vi sai (ô DP)
Nếu đơn vị đường ống là thiết bị đo áp suất vi sai, ví dụ máy đo lưu lượng ống Pitot hoặc tấm lỗ, và tín hiệu điện tử được yêu cầu, thiết bị thứ cấp sẽ là Ô Áp Suất Vi Sai (DP hoặc ΔP). Điều này sẽ chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó có thể được truyền đến bộ xử lý điện tử có khả năng nhận, lưu trữ và xử lý các tín hiệu này, theo yêu cầu của người dùng.
Ô DP điển hình là thiết bị điện dung điện, hoạt động bằng cách áp dụng áp suất vi sai lên hai bên màng kim loại nhúng trong dầu điện môi. Màng tạo thành một bản của tụ điện, và hai bên thân ô tạo thành các bản tĩnh. Chuyển động của màng do áp suất vi sai tạo ra làm thay đổi khoảng cách giữa các bản, và thay đổi điện dung của ô, từ đó dẫn đến sự thay đổi trong tín hiệu đầu ra điện.
Mức độ chuyển động của màng tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất.
Tín hiệu đầu ra từ ô đo được đưa vào mạch điện tử nơi nó được khuếch đại và chỉnh lưu thành tín hiệu tương tự 4-20 mA dc phụ thuộc tải. Tín hiệu này sau đó có thể được gửi đến nhiều thiết bị để:
- Cung cấp chỉ báo lưu lượng
- Được sử dụng với dữ liệu khác để tạo thành một phần của tín hiệu điều khiển. Mức độ tinh vi của thiết bị này phụ thuộc vào loại dữ liệu người dùng muốn thu thập. Ô DP nâng cao ****Sự tiến bộ của vi điện tử, và theo đuổi các hệ thống điều khiển ngày càng tinh vi đã dẫn đến phát triển các ô áp suất vi sai tiên tiến hơn. Ngoài chức năng cơ bản là đo áp suất vi sai, các ô hiện có thể có thêm khả năng:
- Chỉ ra áp suất thực tế (khác với áp suất vi sai).
- Có khả năng giao tiếp, ví dụ HART® hoặc Fieldbus.
- Có tính năng tự giám sát hoặc chẩn đoán.
- Có bộ “tích hợp” thông minh cho phép thực hiện tính toán và hiển thị cục bộ.
- Có thể nhận thêm đầu vào, như nhiệt độ và áp suất. Thu thập dữ liệu ****Nhiều phương pháp khác nhau có sẵn cho việc thu thập và xử lý dữ liệu này, bao gồm:
- Máy tính chuyên dụng.
- PLC độc lập (Hệ thống Bộ điều khiển Logic Lập trình được).
- DCS tập trung (Hệ thống Điều khiển Phân tán).
- SCADA (Hệ thống Giám sát Điều khiển và Thu thập Dữ liệu) Một trong những phương pháp dễ dàng hơn cho thu thập, lưu trữ và hiển thị dữ liệu là máy tính chuyên dụng. Với sự ra đời của bộ vi xử lý, các máy tính giám sát lưu lượng cực kỳ linh hoạt hiện đã có sẵn. Các tính năng hiển thị và giám sát do chúng cung cấp có thể bao gồm
- Lưu lượng hiện tại.
- Tổng lượng sử dụng hơi nước.
- Nhiệt độ/áp suất hơi nước.
- Lượng sử dụng hơi nước trong các khoảng thời gian quy định.
- Lưu lượng, áp suất hoặc nhiệt độ bất thường, và kích hoạt báo động từ xa.
- Bù cho biến đổi mật độ
- Giao tiếp với máy ghi đồ thị.
- Giao tiếp với hệ thống quản lý năng lượng. Một số loại có thể được gọi chính xác hơn là máy đo lưu lượng năng lượng vì, ngoài các biến số trên, chúng có thể sử dụng thời gian, bảng hơi nước và các biến số khác để tính toán và hiển thị cả công suất (kW hoặc Btu/h) và mức sử dụng năng lượng nhiệt (kJ hoặc Btu). Ngoài đơn vị máy tính, đôi khi có lợi khi có đầu đọc lưu lượng cục bộ. Phân tích dữ liệu ****Thu thập dữ liệu, dù là thủ công, bán tự động hay hoàn toàn tự động, cuối cùng sẽ được sử dụng như công cụ quản lý để giám sát và kiểm soát chi phí năng lượng. Dữ liệu có thể cần được thu thập trong một khoảng thời gian để cung cấp bức tranh chính xác về chi phí quy trình và xu hướng. Một số quy trình sản xuất sẽ yêu cầu dữ liệu hàng ngày, mặc dù khoảng thời gian thường được người dùng công nghiệp ưa thích là tuần sản xuất. Máy vi tính với phần mềm có khả năng xử lý tính toán thống kê và đồ họa thường được sử dụng để phân tích dữ liệu. Khi hệ thống đo lường đã được thiết lập, mục tiêu đầu tiên là xác định mối quan hệ giữa quy trình (ví dụ tấn sản phẩm/giờ) và tiêu thụ năng lượng (ví dụ kg hơi nước/giờ). Phương tiện thường đạt được điều này là vẽ đồ thị tiêu thụ (hoặc tiêu thụ riêng) so với sản lượng, và thiết lập tương quan. Tuy nhiên, cần thận trọng trong việc diễn giải bản chất chính xác của mối quan hệ này. Có hai lý do chính:
- Các yếu tố phụ có thể ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng.
- Kiểm soát sử dụng năng lượng chính có thể kém, che lấp bất kỳ mối quan hệ rõ ràng nào. Kỹ thuật thống kê có thể được sử dụng để giúp xác định ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Cần lưu ý rằng thận trọng khi sử dụng các phương pháp như vậy, vì khá dễ tạo ra mối quan hệ thống kê giữa hai hoặc nhiều biến số hoàn toàn độc lập.
Khi các yếu tố này đã được xác định và tính đến, mức tiêu thụ năng lượng tiêu chuẩn có thể được xác định. Đây là mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu có thể đạt được cho nhà máy và phương pháp vận hành hiện tại.
Sơ đồ trong Hình 4.4.3 vẽ mối quan hệ điển hình giữa sản lượng và tiêu thụ.
Khi mối quan hệ giữa tiêu thụ hơi nước và sản lượng nhà máy đã được thiết lập, nó trở thành cơ sở/tiêu chuẩn để tất cả sản lượng trong tương lai có thể được đánh giá.
Sử dụng tiêu chuẩn, quản lý của từng bộ phận sau đó có thể nhận báo cáo thường xuyên về mức tiêu thụ năng lượng và so sánh với tiêu chuẩn. Quản lý cá nhân sau đó có thể phân tích hiệu suất nhà máy bằng cách hỏi:
- Mức tiêu thụ so với tiêu chuẩn như thế nào?
- Mức tiêu thụ cao hơn hay thấp hơn tiêu chuẩn, và chênh lệch bao nhiêu?
- Có xu hướng nào trong mức tiêu thụ không? Nếu có sự chênh lệch trong tiêu thụ, có thể do nhiều lý do, bao gồm:
- Kiểm soát kém tiêu thụ năng lượng.
- Thiết bị lỗi, hoặc thiết bị cần bảo trì.
- Biến đổi theo mùa. Để cô lập nguyên nhân, cần đầu tiên kiểm tra hồ sơ quá khứ, để xác định liệu sự thay đổi là xu hướng tăng tiêu thụ hay trường hợp cá biệt. Trong trường hợp sau, kiểm tra sau đó nên được thực hiện xung quanh nhà máy để tìm rò rỉ hoặc thiết bị lỗi. Những thứ này sau đó có thể được sửa chữa theo yêu cầu.
Tiêu thụ tiêu chuẩn phải là mục tiêu đạt được cho quản lý nhà máy, và cách tiếp cận phổ biến là sử dụng đường phù hợp tốt nhất dựa trên trung bình thay vì hiệu suất tốt nhất có thể đạt được (xem Hình 4.4.4).
Khi tiêu chuẩn đã được xác định, đây sẽ là đường cơ sở tiêu thụ năng lượng mới.
Sự gia tăng nhận thức về năng lượng này sẽ không thể tránh khỏi dẫn đến giảm chi phí năng lượng và chi phí vận hành nhà máy tổng thể, do đó, hệ thống tiết kiệm năng lượng hơn.
Yêu cầu đặc biệt cho đo chính xác lưu lượng hơi nước ****Như đã đề cập trước đó trong Khối 4, máy đo lưu lượng đo vận tốc; các giá trị bổ sung cho diện tích tiết diện (A) và mật độ (P) được yêu cầu để cho phép tính toán lưu lượng khối (qm). Đối với bất kỳ lắp đặt nào, diện tích tiết diện sẽ không đổi, mật độ (P) tuy nhiên sẽ thay đổi theo áp suất và độ khô. Hai phần tiếp theo xem xét ảnh hưởng của biến đổi áp suất và độ khô đến độ chính xác của các lắp đặt máy đo lưu lượng hơi nước. Biến đổi áp suất Trong thế giới lý tưởng, áp suất trong các đường hơi quy trình sẽ giữ tuyệt đối không đổi. Rất tiếc, điều này rất hiếm khi xảy ra với tải thay đổi, dải chết kiểm soát áp suất lò hơi, tổn thất áp suất do ma sát, và các tham số quy trình đều đóng góp vào biến đổi áp suất trong đường ống chính hơi nước.
Hình 4.4.5 cho thấy chu kỳ tải cho ứng dụng hơi bão hòa. Sau khởi động, áp suất hệ thống dần tăng lên danh định 5 bar g nhưng do yêu cầu tải quy trình, áp suất thay đổi throughout ngày. Với máy đo lưu lượng không bù áp suất, sai số tích lũy có thể đáng kể.
Một số hệ thống đo lưu lượng hơi nước không có bù mật độ tích hợp, và được quy định để vận hành ở một áp suất đường ống cố định, duy nhất. Nếu áp suất đường ống thực tế không đổi, thì điều này chấp nhận được. Tuy nhiên, ngay cả biến đổi áp suất tương đối nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác máy đo lưu lượng. Đáng lưu ý vào thời điểm này là các loại máy đo lưu lượng khác nhau có thể bị ảnh hưởng theo các cách khác nhau.
Máy đo lưu lượng vận tốc
Tín hiệu đầu ra từ máy đo lưu lượng tách xoáy là hàm của vận tốc dòng chảy. Nó độc lập với mật độ, áp suất và nhiệt độ của chất lưu mà nó đang giám sát. Với cùng vận tốc dòng chảy, đầu ra không bù từ máy đo lưu lượng tách xoáy là giống nhau dù nó đang đo hơi 3 bar g, hơi 17 bar g, hay nước.
Sai số dòng chảy, do đó là hàm của sai số mật độ và có thể được biểu thị như trong Phương trình 4.4.1.
Ví dụ 4.4.1
****Làm cơ sở cho các ví dụ sau, xác định mật độ (ρ) của hơi khô bão hòa ở 4,2 bar g và 5,0 bar g.
Ví dụ 4.4.2
Máy đo lưu lượng hơi tách xoáy được quy định sử dụng ở 5 bar g được sử dụng ở 4,2 bar g. Sử dụng Phương trình 4.4.1 và dữ liệu từ Ví dụ 4.4.1 để xác định sai số kết quả (ε).
Do đó, máy đo tách xoáy không bù sẽ đọc cao hơn 14,42%
Vì một trong những đặc tính của hơi bão hòa (đặc biệt ở áp suất thấp lên đến khoảng 6 bar g) là mật độ thay đổi rất nhiều cho một thay đổi nhỏ về áp suất, bù mật độ là cần thiết để đảm bảo đọc chính xác.
Phương trình 4.4.1 có thể được sử dụng để tạo biểu đồ cho thấy sai số dự kiến trong dòng chảy cho một sai số về áp suất, như minh họa trong Hình 4.4.6.
Máy đo lưu lượng áp suất vi sai
Tín hiệu đầu ra từ tấm lỗ và ô có dạng tín hiệu áp suất vi sai. Lưu lượng khối đo được là hàm của hình dạng và kích thước lỗ, căn bậc hai của áp suất vi sai và căn bậc hai của mật độ chất lưu. Với cùng áp suất vi sai quan sát được qua tấm lỗ, lưu lượng khối tính được sẽ thay đổi theo căn bậc hai của mật độ.
Đối với máy đo tách xoáy, vận hành máy đo lưu lượng tấm lỗ ở áp suất khác với áp suất quy định sẽ gây ra sai số.
Sai số phần trăm có thể được tính bằng Phương trình 4.4.2.
Ví dụ 4.4.3.
Máy đo lưu lượng hơi tấm lỗ được quy định sử dụng ở 5 bar g được sử dụng ở 4,2 bar g. Sử dụng Phương trình 4.4.2 để xác định sai số phần trăm kết quả (ε).
Sai số dương có nghĩa là máy đo đọc cao hơn, trong trường hợp này, cứ mỗi 100 kg hơi nước đi qua, máy đo ghi nhận 106,96 kg.
Phương trình 4.4.2 có thể được sử dụng để tạo biểu đồ cho thấy sai số dự kiến trong dòng chảy cho một sai số về áp suất, như minh họa trong Hình 4.4.7.
Khi so sánh Hình 4.4.6 với Hình 4.4.7, có thể thấy rằng sai số % do thiếu bù mật độ cho máy đo tách xoáy gần như gấp đôi sai số % cho máy đo lưu lượng tấm lỗ. Do đó, bù mật độ là cần thiết nếu lưu lượng hơi nước được đo chính xác. Nếu máy đo lưu lượng hơi nước không bao gồm tính năng bù mật độ tích hợp thì cảm biến áp suất và/hoặc nhiệt độ bổ sung phải được cung cấp, kết nối trở lại hệ thống thiết bị đo lường.
Biến đổi độ khô
Mật độ của một mét khối hơi ướt cao hơn mật độ của một mét khối hơi khô. Nếu chất lượng hơi không được tính đến khi hơi đi qua máy đo lưu lượng, thì lưu lượng hiển thị sẽ thấp hơn giá trị thực tế.
Độ khô (χ) đã được thảo luận trong Mô-đun 2.2, nhưng để nhắc lại; độ khô là biểu thị tỷ lệ của hơi bão hòa và nước bão hòa. Ví dụ, một kg hơi có độ khô 0,95, chứa 0,95 kg hơi và 0,05 kg nước.
Ví dụ 4.4.4
Làm cơ sở cho các ví dụ sau, xác định mật độ (ρ) của hơi khô bão hòa ở 10 bar g với độ khô 1,0 và 0,95.
Ảnh hưởng của độ khô đến máy đo lưu lượng đo áp suất vi sai
Để nhắc lại các nhận xét trước đó liên quan đến sai số máy đo lưu lượng áp suất vi sai, lưu lượng khối (qm) sẽ tỷ lệ với căn bậc hai của mật độ (ρ), và mật độ liên quan đến độ khô. Thay đổi độ khô sẽ có ảnh hưởng đến dòng chảy được chỉ ra bởi máy đo lưu lượng. Phương trình 4.4.4 có thể được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa lưu lượng thực tế và lưu lượng hiển thị:
Tất cả máy đo lưu lượng hơi nước sẽ được hiệu chuẩn để đọc ở độ khô xác định trước (), giá trị thường là 1. Một số máy đo lưu lượng hơi nước có thể được hiệu chuẩn lại để phù hợp với điều kiện thực tế.
Ví dụ 4.4.5
Sử dụng dữ liệu từ Ví dụ 4.4.4, xác định sai số phần trăm nếu độ khô thực tế là 0,95 thay vì giá trị hiệu chuẩn 1,0, và máy đo lưu lượng hơi nước đang hiển thị lưu lượng 1 kg/s.
Do đó, dấu âm chỉ ra rằng máy đo đọc thấp hơn 2,46%. Phương trình 4.4.4 được sử dụng để biên soạn đồ thị minh họa trong Hình 4.4.8.
Ảnh hưởng của độ khô đến máy đo tách xoáy
Có thể cho rằng độ khô, trong giới hạn hợp lý, không quan trọng vì:
- Máy đo tách xoáy đo vận tốc.
- Thể tích nước trong hơi có độ khô, ví dụ, 0,95, so với tỷ lệ hơi là rất nhỏ.
- Cần đo là quá trình ngưng tụ của hơi khô. Tuy nhiên, nghiên cứu độc lập đã chỉ ra rằng các giọt nước va vào thân cản sẽ gây ra sai số và vì máy đo tách xoáy có xu hướng được sử dụng ở vận tốc cao hơn, xói mòn bởi các giọt nước cũng được dự kiến. Rất tiếc, không thể định lượng các sai số này. Kết luận Đo lưu lượng hơi nước chính xác phụ thuộc vào:
- Tính đến biến đổi áp suất - Áp suất sẽ thay đổi trong bất kỳ hệ thống hơi nước nào, và rõ ràng là vô ích khi quy định máy đo lưu lượng có độ chính xác ±2% nếu biến đổi áp suất một mình có thể gây ra sai số ±10%. Gói đo lưu lượng hơi nước phải bao gồm bù mật độ.
- Độ khô dự đoán được - Đo độ khô rất phức tạp; lựa chọn dễ dàng và tốt hơn nhiều là lắp bộ tách hơi trước bất kỳ máy đo lưu lượng hơi nước nào. Điều này sẽ đảm bảo độ khô luôn gần 1,0, bất kể điều kiện hơi nước cung cấp. Hơi quá nhiệt Với hơi bão hòa, có mối quan hệ cố định giữa áp suất hơi và nhiệt độ hơi. Bảng hơi nước cung cấp thông tin chi tiết về mối quan hệ này. Để áp dụng bù mật độ trên hơi bão hòa, chỉ cần cảm biến nhiệt độ hơi hoặc áp suất hơi để xác định mật độ (). Tín hiệu này sau đó có thể được truyền, cùng với tín hiệu dòng chảy, đến máy tính lưu lượng, nơi, giả sử máy tính chứa thuật toán bảng hơi nước, nó sẽ thực hiện tính toán lưu lượng khối.
Tuy nhiên, hơi quá nhiệt gần giống khí và không tồn tại mối quan hệ rõ ràng giữa nhiệt độ và áp suất. Khi đo lưu lượng hơi quá nhiệt, cả áp suất hơi và nhiệt độ hơi phải được cảm biến và truyền tín hiệu đồng thời. Thiết bị đo lường máy đo lưu lượng cũng phải bao gồm phần mềm bảng hơi nước cần thiết để cho phép nó tính toán điều kiện hơi quá nhiệt và hiển thị giá trị chính xác.
Nếu máy đo lưu lượng loại áp suất vi sai được lắp đặt mà không có thiết bị đo lường này, sai số đo lưu lượng sẽ luôn được hiển thị nếu có quá nhiệt.
Điều này được thể hiện tốt nhất qua ví dụ. Ví dụ 4.4.6 Xem xét máy đo lưu lượng áp suất vi sai được trang bị thiết bị đọc áp suất, nhưng không có thiết bị đọc nhiệt độ. Máy đo lưu lượng nghĩ rằng nó đang đọc hơi bão hòa ở 10 bar g với nhiệt độ tương ứng là 184°C. Rất tiếc hơi nước đang được đo là hơi quá nhiệt với nhiệt độ 220°C.
Sử dụng phương trình 4.4.2, sai số đọc có thể được tính dựa trên mật độ thấp hơn dự kiến cho hơi quá nhiệt.
Trong trường hợp này, đồng hồ sẽ đọc cao hơn 5%
Sử dụng các tham số giống như ví dụ 4.4.6, xác định lưu lượng thực tế nếu máy đo lưu lượng hiển thị lưu lượng 250 kg/h.
Phương trình 4.4.5 có thể được sử dụng để tính giá trị thực tế từ menu hiển thị.
