Przepływomierze masowe Coriolisa firmy Micro Motion® pracujące

Przepływomierze masowe Coriolisa firmy Micro Motion® pracujące

Marek Perycz
Emerson Process Management Sp.z O.O.
Przepływomierze masowe Coriolisa firmy Micro Motion®
pracujące przy pomiarach przepływu gazu ziemnego.
Właściwości metrologiczne, zastosowania, ograniczenia,
diagnostyka
Streszczenie. Przedstawiony poniżej tekst dotyczy przepływomierzy masowych Coriolisa firmy Micro Motion pracujących przy pomiarach przepływu gazu
ziemnego. Omówiona jest zasada działanie i budowa tych przepływomierzy. Podano właściwości metrologiczne. Podkreślono zalety i możliwości, które
daje stosowanie diagnostyki. Podano obszar stosowalności i ograniczenia w zastosowaniu przepływomierzy masowych.
Summary. In the paper are described Micro Motion Coriolis flow meters for gas flow measurement. Construction and principle of operation is discussed.
Metrological characteristics are shown. Pointed are advantages of Coriolis. Highlighted diagnostics advantages. Short described are applications and
limitations.
Słowa kluczowe: Coriolis, przepływomierz masowy, diagnostyka.
Key words: Coriolis, mass flowmeters; diagnostics
gdzie Kv =Hs/3,6 to przemnożone przez współczynnik 3,6
ciepło spalania.
Hs - ciepło spalania gazu jest ilością ciepła wydzieloną przy
3
całkowitym spaleniu 1m gazu. Jednostką ciepła spalania
3
gazu jest MJ/m gazu w warunkach normalnych tzn. przy
o
ciśnieniu 101,3 kPa i w temperaturze 25 C. Wartość
opałowa odpowiada ilości ciepła wydzielonego przy
3
spaleniu 1m gazu, gdy woda zawarta w produktach
spalania występuje w postaci pary (wartość opałowa jest
mniejsza od ciepła spalania o wielkość ciepła skraplania
pary wodnej).
Wstęp
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 jak
np. zwężki, przepływomierze turbinowe, rotorowe,
miechowe oraz przepływomierze ultradźwiękowe, mierzą
objętość Vr płynącego medium w warunkach roboczych
(panującego ciśnienia Pr, temperatury gazu Tr). Otrzymane
wyniki przelicza się (f) na przepływ Vb w warunkach
bazowych/normalnych.
(1)
Vb=f(Vr; Pr, Tr, …)
W przypadku klientów, których interesuje masa M
dostarczonego składnika (np. metanu), obliczenie wygląda
podobnie tylko, że wtedy Vb mnoży się przez udział
masowy k i przez gęstość ρ mieszaniny.
(3)
M=Vb . k .ρ
Przy rozliczaniu paliw gazowych w jednostkach
energii E ([1] standard techniczny ST-IGG-0202:2014
„Pomiary i rozliczenia paliwa gazowego” str. 17) mnoży się
w/w przepływ Vb przez wynikający ze składu gazu
współczynnik Kv (wartość kaloryczną):
(2)
E=Vb . Kv
Masowe przepływomierze Coriolisa działają na innej
zasadzie niż przepływomierze objętościowe – mierzą
bezpośrednio przepływ masowy. Omawiane powyżej
obliczenia ulegają uproszczeniu, przeliczanie do warunków
bazowych nie jest potrzebne, bo mierzona jest masa.
Układy pomiarowe wykorzystujące te przepływomierze są
1
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 Vm przez współczynnik Km
(wartość kaloryczną)
(4)
E=Vm . Km
Podobnie jest w przypadku obliczeń masy dostarczonego
komponentu (np. metanu). Wystarczy masę pomnożyć
przez procentowy udział danego komponentu w gazie.
(5)
M=Vm . km
Konstrukcja i zasada działania [2]
Rysunek 2 Umiejscowienie cewek i pomiar przepływu
Zastosowanie 2 drgających w przeciw fazie 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 (jak na rys. 1) rurki można też
opisać inaczej: korzystając z efektu Coriolisa. Wyprowadza
się wzór na siłę Coriolisa Fc, która powoduje obserwowany
efekt skręcanie (wężykowania):
(6)
Rysunek 1. Konstrukcja i zasada działania przepływomierzy
Coriolisa
Gdzie: m i v to masa i prędkość przepływającego medium,
a ω jest prędkością kątową wahania się rurki.
Przepływomierze Coriolisa firmy Micro Motion umożliwiają
pomiary wielu zmiennych:
Wielkość przepływu masowego określa się na
podstawie pomiaru przesunięcia fazowego
występującego w ruchy pomiędzy obu rurkami
(patrz 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 przez badane medium. Niestety
3
dokładność pomiaru gęstości ±0.1 kg/m
w
przypadku
gazu
będzie
często
niewystarczająca. Gęstość gazu ziemnego
3
w warunkach normalnych to ok. 0,73 kg/m , ale
3
przy 50 barach to już ok. 36 kg/m . Pomiar
Płynące w rurkach gaz lub ciecz posiadają 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 dwu cewkach
pomiarowych.
2
gęstości
ma
istotne
znaczenie
zarówno
w diagnostyce przepływomierza jak i sprawdzeniu
warunków przepływu (np. obecności cieczy,
zabrudzeń, osadów).
Unikalną własnością 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 mają zainstalowany
pomiar temperatury rurek. Takie rozwiązanie
pozwala na kompensację zmiany współczynnika
sprężystości rurek od zmian temperatury.
Przy pomiarze przepływu gazu ziemnego przy pomocy
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 [3]. Nadają się do pomiarów
rozliczeniowych (zgodnie z MID). Można je kalibrować na
wody wodzie co przenosi się na gaz (potwierdzone przez
na mocy deklaracji NMI [4]). Przykładowe stanowisko
w Ede (Holandia) do kalibracji na wodzie, charakteryzuje
się niepewnością pomiaru na poziomie 0,014%.
Autodiagnostyka pozwala na określenie aktualnego stanu
rurek i na wprowadzenie ewentualnych poprawek do
mierzonego przepływu.
Przykład: dla DN100 zmiana promienia o 0,25 mm przy
niezmienionym przepływie masowym daje 0,5% zmiany
w prędkości przepływu,. Przepływomierz ultradźwiękowy
pokaże zmianę przepływu. Podsumowując:
w przypadku osadów pomiar przy pomocy
„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.
Zalety
Podstawową zaletą przepływomierzy masowych „Coriolisa”
jest bezpośredni pomiar przepływu masy, bez konieczności
przeliczeń. 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 od
ciśnienia. Wpływ ciśnienia na wynik pomiaru można
Własności metrologiczne
Przy rozliczeniach w jednostkach energii na całkowitą
niepewność pomiaru wpływ ma niepewność pomiaru
masowego i niepewność wyznaczania ciepła spalania.
Rozpatrzmy te dwa elementy składowe oddzielnie
i porównajmy pierwszy z nich z przepływomierzami
objętościowymi:
Powtarzalność
Stanowisko
kalibracyjne
Algorytm
przeliczenia
dla małych
ciśnień
Pomiar
ciśnienia
Pomiar
temperatury
uwzględnić przy zastosowaniu wzoru:
(7)
Qm , r
Qm , w
1 k p
Gdzie:
Qm,r – zmierzony strumień masy
Qm,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
Przepływomierz
ultradźwiękowy/tur
bin turbinowy
nieoznaczoność
[%]
Przepływomierz
turbinowy
nieoznaczoność
[%]
Przepływomierz
masowy CMFS
nieoznaczoność
[%]
0,05
0,17
0,5
0,17
0,014
0,1
0,1
0,2
0,2
0,1
0,1
Razem
0,3
0,58
0,25
Tabela 1. Przykładowy bilans niepewności dla przepływów
Powyższe porównanie zostało zrobione przy założeniu
„niskich ciśnień” , należy pamiętać, że wraz ze wzrostem
ciśnienia, przy pomiarach objętościowych, rośnie
niepewność liczenia współczynnika ściśliwości.
3
Aplikacje, obszar stosowalności
Przepływomierze Coriolisa lepiej nadają się na wysokie
ciśnienia.
Wraz
ze
wzrostem
ciśnienia
maleje
zakresowość. Aktualnie dla 5 MPa wynosi 1:100.
Dla 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 przy pomocy zaworów.
Pozwalają (jak pokazano uprzednio)na bardzo precyzyjne
pomiary.
Nie wymagają pomiaru temperatury.
Pomiar ciśnienia w wielu aplikacjach nie jest konieczny.
W praktyce zmiana o 50 bar oznacza niepewność pomiaru
w granicach klasy przepływomierza.
Dodanie
prostownicy
przepływu
(Zankera)
do
przepływomierza ultradźwiękowego oznacza, że w tym
miejscu zapewne będzie działał przepływomierz Coriolisa
dający podobny spadek ciśnienia.
Jak pokazuje praktyka, przepływomierze Micro Motion,
dzięki przemyślanej konstrukcji opartej na dwu
odpowiednio wyprofilowanych i zamocowanych rurkach,
wykazują wysoką odporność na wibracje mechaniczne
i pulsacje ciśnienia pochodzące z zewnętrznego źródła
np. z kompresora.
Niepewność U(Z)
3,5%
3,0%
2,5%
2,0%
1,5%
1,0%
0,5%
0,0%
0
5
10
15
20 MPa 25
Rysunek 3. Oszacowanie niepewności U(Z) obliczanych
współczynników ściśliwości w funkcji ciśnienia gazu (na
podstawie[5]-SGERG88)
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
3
Wartość opałowa jednego Nm gazu silnie zależy od
udziału węglowodorów. Przykładowo: wartości opałowe
metanu i etanu różnią się o 43%, podczas gdy wartości
opałowe 1 kg tych samych węglowodorów o 7%.
Ograniczenia
Strata ciśnienia powstająca na przepływomierzu
(patrz czerwona linia na rysunku 4) wynika
z kształtu i średnicy rurek. W niektórych
zastosowaniach
może
ograniczać
zakres
ekonomicznie uzasadnionych aplikacji.
Maksymalna dopuszczalna prędkość przepływu
gazu ziemnego wynosi aktualnie ok. 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 bar jest 1:100; dla 5 bar 1:10
(patrz rys. 4).
Wartość opałowa
MJ/Nm3
MJ/kg
CH4
37,76
52,73
C2H6
66,16
49,28
Węglowodór
Tak więc przy rozliczaniu gazu w jednostkach energii
w oparciu o przepływ masowy niepewność wynikająca
z podziału procentowego węglowodorów będzie miała
istotnie mniejsze znaczenie niż wtedy gdy obliczenia
bazują na objętości.
4
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 (patrz: diagnostyka).
Może prowadzić do zablokowania rurek.
Podsumowanie
Przepływomierze masowe Coriolisa mają wiele zalet przy
stosowaniu w gazownictwie. Pozwalają na bardzo
dokładne dwukierunkowe pomiary przepływu gazu,
a jednocześnie nie wymagają odcinków prostoliniowych.
Pomiary masowe upraszają obliczenia zarówno przy
rozliczeniach w jednostkach energii jak i przy rozliczaniu
się z masy dostarczonego komponentu. Przepływomierze
MicroMotion mają możliwość kalibrację na wodzie. W
porównaniu do kalibracji na gazie (w warunkach zbliżonych
do roboczych) kalibracja na wodzie jest bardziej dokładna
i tańsza. Przepływomierze masowe posiadają możliwości
diagnostyczne, na które warto zwrócić uwagę.
Literatura
Rysunek 4. Porównanie zakresowości pomiarów dla
ciśnień roboczych 5 bar i 50 bar
[1] ST-IGG-0202:2014, Pomiary i rozliczenia paliwa gazowego
Dla małych przepływów szybko wzrasta
niepewność pomiaru (patrz 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
swobody
pomiar
mieszaniny
gaz-ciecz
w dowolnych proporcjach.
[2] PS-00374; Micro Motion® ELITE® Coriolis Flow and Density
Meters;2014
[3]:T10020; NMi EC-type certification, 2007
[4] NMi-12200340-02; Declaration, 2012
[5] ISO12213-3; Natural gas-Calculation of compressibility
factor;1997
Autor
Marek Perycz
Emerson Process Management Sp.z O.O.
[email protected]
Tel 22 4595 227
5