Przepływomierze Micro Motion w ofercie firmy Emerson

Gaz ziemny stosowany jest przede wszystkim do:

• opalania, zasilania turbin i innych silników (tych użytkowników interesuje wartość energetyczna gazu);
• do dalszej przeróbki chemicznej (dla tych użytkowników ważna jest masa dostarczanego komponentu, np. metanu).

Przepływomierze, które zwykliśmy od dawna stosować, np. zwężki, przepływomierze turbinowe, rotorowe, miechowe oraz przepływomierze ultradźwiękowe, mierzą objętość V_r płynącego medium w warunkach roboczych (panującego ciśnienia P_r, temperatury gazu T_r). Otrzymane wyniki przelicza się (1) na przepływ V_b w warunkach bazowych/normalnych.

Vb = f(Vr; Pr, Tr, …)

(1)

Przy rozliczaniu paliw gazowych w jednostkach energii E (standard techniczny ST-IGG-0202:2014 „Pomiary i rozliczenia paliwa gazowego” str. 17) mnoży się przepływ V_b przez wynikający ze składu gazu współczynnik Kv (wartość kaloryczną):

E = Vb · Kv,

(2)

gdzie K_v = H_s/3,6 to przemnożone przez współczynnik 3,6 ciepło spalania.

H_s – ciepło spalania gazu – jest ilością ciepła wydzieloną przy całkowitym spaleniu 1 m³ gazu. Jednostką ciepła spalania gazu jest MJ/m³ gazu w warunkach normalnych, tzn. przy ciśnieniu 101,3 kPa i w temperaturze 25 °C. Wartość opałowa odpowiada ilości ciepła wydzielonego przy spaleniu 1 m³ gazu, gdy woda zawarta w produktach spalania występuje w postaci pary (wartość opałowa jest mniejsza od ciepła spalania o wielkość ciepła skraplania pary wodnej).

W przypadku klientów, których interesuje masa M dostarczonego składnika (np. metanu), obliczenie wygląda podobnie – przepływ V_b należy pomnożyć przez udział masowy k oraz przez gęstość ρ mieszaniny.

M = Vb · k · ρ

(3)

Masowe przepływomierze Coriolisa działają na innej zasadzie niż przepływomierze objętościowe – mierzą bezpośrednio przepływ masowy. Omawiane obliczenia ulegają uproszczeniu, przeliczanie do warunków bazowych nie jest potrzebne, bo mierzona jest masa. Układy pomiarowe wykorzystujące te przepływomierze są mniej skomplikowane, a pomiary prostsze, wygodniejsze i bardziej dokładne.

Rozliczenie paliw gazowych w jednostkach energii polega na przemnożeniu (bez przeliczania na warunki bazowe) wartości przepływu masowego V_m przez współczynnik K_m (wartość kaloryczną)

E = Vm · Km

(4)

Podobnie jest w przypadku obliczeń masy dostarczonego komponentu (np. metanu). Wystarczy masę pomnożyć przez procentowy udział danego komponentu w gazie.

M = Vm · km

(5)

Konstrukcja i zasada działania

Płynące w rurkach gaz lub ciecz mają pęd określony masą i prędkością przepływu. Wahające się (drgające) rurki (pod wpływem sterowania elektromagnesem) dodają (wymuszają) poprzeczną składową pędu. Płynące cząstki medium transportują poprzeczną składową pędu wzdłuż rurki. Zmiana pędu w czasie oznacza siłę. Wraz ze zmianą prędkości transportu cząsteczek medium zmienia się więc rozkład sił wzdłuż wahającej się rurki. Ta – zamiast wahać się równolegle jak huśtawka – zaczyna, wraz ze wzrostem przepływu danego medium, coraz wyraźniej skręcać się („wężykować”). Efekt ten mierzy się w układzie elektronicznym jako przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegami napięcia występującymi na dwóch cewkach pomiarowych.

Zastosowanie dwóch drgających w przeciwfazie rurek „podwaja” obserwowany efekt i jednocześnie zmniejsza wpływ warunków zewnętrznych (np. drgań instalacji), które wpływają tak samo na obie rurki, podczas gdy my mierzymy ruch rurek względem siebie (pomiary różnicowe).

Zachowanie się wygiętej (rys. 1) rurki można też opisać inaczej – korzystając z efektu Coriolisa. Wyprowadza się wzór na siłę Coriolisa F_c, która powoduje obserwowany efekt skręcanie (wężykowania):

(6)

gdzie m i υ to masa i prędkość przepływającego medium, a ω jest prędkością kątową wahania się rurki.

Przepływomierze Coriolisa firmy Emerson umożliwiają pomiary wielu zmiennych:

• Wielkość przepływu masowego określa się na podstawie pomiaru przesunięcia fazowego występującego w ruchu pomiędzy obu rurkami (rys. 2). Przepływomierze serii CMFS pozwalają na pomiary przepływu gazu z dokładnością 0,25%.
• Gęstość medium określa się na podstawie częstotliwości rezonansowej układu rurek wypełnionych badanym medium. Niestety dokładność pomiaru gęstości ±0,1 kg/m³ w przypadku gazu będzie często niewystarczająca. Gęstość gazu ziemnego w warunkach normalnych to około 0,73 kg/m³, ale przy ciśnieniu 50 barów to już około 36 kg/m³. Pomiar gęstości ma istotne znaczenie zarówno w diagnostyce przepływomierza, jak i sprawdzeniu warunków przepływu (np. obecności cieczy, zabrudzeń, osadów).
• Unikalną właściwością przepływomierzy masowych jest możliwość określania współczynnika sprężystości rurek. Idea tego pomiaru polega na wymuszeniu nieco innej niż rezonansowa częstotliwości drgań, a następnie porównaniu amplitudy tych drgań z zachowaną w pamięci fabryczną krzywą rezonansową. Sprężystość zależy od aktualnej grubości ścianek rurek. Gdy mamy do czynienia z medium korozyjnym (siarkowodór, sól itp.) albo ściernym (np. piasek), to na podstawie sprężystości rurek możemy monitorować stan rurek przepływomierza. Automatycznie możemy wprowadzić poprawki korygujące pomiar przepływu i na czas zamówić nowy czujnik – zanim stary ulegnie zniszczeniu.
• Przepływomierze Coriolisa umożliwiają pomiar temperatury rurek. Takie rozwiązanie pozwala na kompensację zmiany współczynnika sprężystości rurek spowodowaną zmianą temperatury.

Zalety

Podstawową zaletą przepływomierzy masowych Coriolisa jest bezpośredni pomiar przepływu masy, bez konieczności przeliczania. Nie ma znaczenia np. ściśliwość gazu.

Z zasady działania pozwalają na pomiar dwukierunkowy – nie wymagają układu zaworów przełączających przy zmianie kierunku przepływu. Nie wymagają także odcinków prostoliniowych. Obie powyższe cechy oznaczają znaczną oszczędność miejsca w instalacji.

Przepływomierze Micro Motion nie wymagają zewnętrznego pomiaru temperatury. Mają zintegrowany pomiar temperatury rurek, same stanowiąc źródło zgrubnego pomiaru temperatury.

W wielu aplikacjach dla zapewnienia wymaganej dokładności pomiarów nie jest konieczna kompensacja ciśnienia. Wpływ ciśnienia na wynik pomiaru można uwzględnić przy zastosowaniu wzoru:

(7)

gdzie: Q_m,r – zmierzony strumień masy, Q_m,w – rzeczywisty strumień masy, p – nadciśnienie, k – współczynnik zależny od przepływomierza jest podawany przez producenta na tabliczce znamionowej.

Typowe wartości to:

• 0% – dla CMF050, CMF100
• 0,006%/bar – dla przepływomierza CMF200.

Przy pomiarze przepływu gazu ziemnego za pomocą przepływomierza CMF200 wzrost ciśnienia o 50 barów wprowadzi dodatkową niepewność pomiaru na poziomie –0,3%.

Przepływomierze masowe serii CMF mają zatwierdzenie typu również dla gazu. Nadają się do pomiarów rozliczeniowych (zgodnie z MID). Można je kalibrować wodą, co przenosi się na gaz (potwierdzone deklaracją NMI). Przykładowe stanowisko w Ede (Holandia) do kalibracji wodą charakteryzuje się niepewnością pomiaru na poziomie 0,014%. Autodiagnostyka pozwala na określenie aktualnego stanu rurek i wprowadzenie ewentualnych poprawek do mierzonego przepływu.

Przykład: dla DN100 zmiana promienia o 0,25 mm przy niezmienionym przepływie masowym daje 0,5% zmiany prędkości przepływu. Przepływomierz ultradźwiękowy pokaże zmianę przepływu. Podsumowując:

• w przypadku osadów pomiar za pomocą przepływomierza Coriolisa będzie niezakłócony, a pojawienie się osadu zostanie wykryte;
• w przypadku ubytku materiału spowodowanego np. korozją bądź erozją rurek przepływomierz masowy to wykryje i skompensuje pomiar, natomiast przepływomierz objętościowy nie.

Właściwości metrologiczne

Przy rozliczeniach w jednostkach energii na całkowitą niepewność pomiaru wpływ ma niepewność pomiaru masowego i niepewność wyznaczania ciepła spalania. W tabeli 1 te dwa elementy składowe przedstawiono oddzielnie i porównano pierwszy z nich z przepływomierzami objętościowymi.

Tab.1. Przykładowy bilans niepewności dla przepływów

	Przepływomierz  ultradźwiękowy/turbinowy nieoznaczoność (%)	Przepływomierz turbinowy nieoznaczoność (%)	Przepływomierz masowy CMFS nieoznaczoność (%)
Powtarzalność	0,05	0,5
Stanowisko kalibracyjne	0,17	0,17	0,014
Algorytm przeliczenia dla małych ciśnień	0,1	0,1
Pomiar ciśnienia	0,2	0,2
Pomiar temperatury	0,1	0,1
Razem	0,3	0,58	0,25

Porównanie to zostało wykonane przy założeniu „niskich ciśnień” – należy pamiętać, że wraz ze wzrostem ciśnienia, przy pomiarach objętościowych, rośnie niepewność obliczania współczynnika ściśliwości.

Ten problem w ogóle nie istnieje w przepływomierzach Coriolisa. Przy wysokich ciśnieniach warto więc rozpatrzeć możliwość zastosowania tego typu przepływomierza.

Następnym elementem jest określenie wartości opałowej. Nieokreśloność wyznaczania składu gazu zależy od tego skąd pochodzą dane, czy są przyjmowane na podstawie szacunków, symulacji przepływów, czy pomiarów chromatograficznych (jak dokładnych i jak częstych).

Wrażliwość na skład gazu

Wartość opałowa 1 Nm³ gazu silnie zależy od udziału węglowodorów (tab. 2). Przykładowo: wartości opałowe metanu i etanu różnią się o 43%, podczas gdy wartości opałowe 1 kg tych samych węglowodorów o 7%.

Tab. 2. Wartość opałowa węglowodorów

	MJ/NM3	MJ/KG
CH4	37,76	52,73
C2H6	66,16	49,28

Tak więc przy rozliczaniu gazu w jednostkach energii na podstawie przepływu masowego, niepewność wynikająca z podziału procentowego węglowodorów będzie miała istotnie mniejsze znaczenie, niż wtedy, gdy obliczenia bazują na objętości.

Aplikacje, obszar zastosowań

Przepływomierze Coriolisa lepiej nadają się do pomiarów przy wysokich ciśnieniach. Wraz ze wzrostem ciśnienia maleje zakresowość. Aktualnie dla 5 MPa wynosi 1:100. Dla ciśnienia 5 barów jest to już 1:10. Na stacjach redukcyjnych przepływomierz należy (o ile to możliwe) umieszczać po stronie wyższego ciśnienia. Takie rozwiązanie pozwala na większą zakresowość pomiarów, a ponadto strata ciśnienia na przepływomierzu może nie być problemem, a wręcz korzystną cechą.

Zastosowanie przepływomierza masowego w układzie sterowania pracą nawanialni pozwala na naturalną realizację pętli regulacyjnej (stabilizacja masy nawaniacza do masy gazu). Dodatkowo brak wymaganych odcinków prostoliniowych pozwala na istotną minimalizację miejsca zabudowy.

Dwukierunkowość przepływomierza oznacza, że nie trzeba jej realizować za pomocą zaworów. Ponadto pozwalają one (jak pokazano uprzednio) na bardzo precyzyjne pomiary i nie wymagają pomiaru temperatury.

Pomiar ciśnienia w wielu aplikacjach nie jest konieczny. W praktyce zmiana o 50 barów oznacza niepewność pomiaru w granicach klasy przepływomierza.

Dodanie prostownicy strumienia przepływu (Zankera) do przepływomierza ultradźwiękowego oznacza, że w tym miejscu będzie działał poprawnie przepływomierz Coriolisa dający podobny spadek ciśnienia.

Jak pokazuje praktyka, przepływomierze Micro Motion, dzięki przemyślanej konstrukcji opartej na dwóch odpowiednio wyprofilowanych i zamocowanych rurkach, wykazują wysoką odporność na wibracje mechaniczne i pulsacje ciśnienia pochodzące z zewnętrznego źródła, np. z kompresora.

Ograniczenia

Używanie przepływomierzy Coriolisa wiąże się też oczywiście z pewnymi ograniczeniami:

• Strata ciśnienia powstająca na przepływomierzu (czerwona linia na rys. 4) wynika z kształtu i średnicy rurek. W niektórych zastosowaniach może ograniczać zakres ekonomicznie uzasadnionych aplikacji.
• Maksymalna dopuszczalna prędkość przepływu gazu ziemnego wynosi aktualnie około 100 m/s. Ma to szczególne znaczenie przy niższych ciśnieniach. Większa prędkość powoduje wzrost poziomu zakłóceń i obniżenie jakości pomiaru.
• Niższe ciśnienia oznaczają niższą zakresowość pomiarów: dla 50 barów jest 1:100; dla 5 barów 1:10 (rys. 4).
• Dla małych przepływów szybko wzrasta niepewność pomiaru (rys. 4).
• Obecność cieczy w gazie (w zależności od ilości i tego, czy są to opary, kropelki czy „korki”) wymaga dodatkowego bilansu faz (np. na podstawie pomiaru gęstości). Przy większej ilości cieczy, ze względu na dużą różnicę gęstości (niesionego pędu) pomiar ilości gazu jest obarczony większą niepewnością. Dodatkowo „korki” cieczy powodują duże skoki w pomiarach pływu, co objawia się jako duży szum pomiarowy. Aktualny poziom technologii nie pozwala na swobodny pomiar mieszaniny gaz-ciecz w dowolnych proporcjach.
• Obecność ciał stałych transportowanych w gazie (np. piasku) może powodować niszczenie (erozję) powierzchni wewnętrznej rurek. Jest to proces relatywnie powolny. Ma wpływ głównie na żywotność przepływomierza. Diagnostyka pozwala na określenie aktualnego stanu rurek.
• Korozja chemiczna – podobnie jak erozja.
• Odkładanie się osadów, które może prowadzić do zablokowania rurek.

Podsumowanie

Przepływomierze masowe Coriolisa pozwalają na bardzo dokładne dwukierunkowe pomiary przepływu gazu, a jednocześnie nie wymagają odcinków prostoliniowych. Pomiary masowe upraszczają obliczenia zarówno przy rozliczeniach w jednostkach energii, jak i przy rozliczaniu się z masy dostarczonego komponentu. Przepływomierze Micro Motion mogą być kalibrowane wodą. W porównaniu do kalibracji gazem (w warunkach zbliżonych do roboczych) kalibracja wodą jest bardziej dokładna i tańsza. Przepływomierze masowe dają więc możliwości diagnostyczne, na które warto zwrócić uwagę.

EMERSON PROCESS MANAGEMENT Sp. z o.o.

tel. 22 45 95 227
e-mail: Marek.Perycz@emerson.com

source: Automatyka 5/2016