КИП и автоматика

****Расходомер пара состоит из двух частей:

1. Первичного устройства или трубопроводного узла, такого как диафрагма, расположенного в потоке пара.
2. Вторичного устройства, например ячейки дифференциального давления, которое преобразует сигналы в пригодную для использования форму. Кроме того, обычно имеется некоторый электронный процессор, который принимает, обрабатывает и отображает информацию. Этот процессор также может получать дополнительные сигналы давления и/или температуры для выполнения расчетов компенсации плотности.

На Рисунке 4.4.1 показана типовая система.

Ячейки дифференциального давления (ячейки DP)

Если трубопроводный узел представляет собой устройство измерения дифференциального давления, например расходомер с диафрагмой или трубкой Pitot, и требуется электронный сигнал, вторичным устройством будет ячейка дифференциального давления (DP или ΔP). Она преобразует сигнал давления в электрический сигнал. Затем этот сигнал может передаваться на электронный процессор, способный принимать, хранить и обрабатывать эти сигналы в соответствии с требованиями пользователя. Типичная ячейка DP представляет собой электрическое емкостное устройство, работающее за счет приложения дифференциального давления к обеим сторонам металлической диафрагмы, погруженной в диэлектрическое масло. Диафрагма образует одну пластину конденсатора, а обе стороны корпуса ячейки - неподвижные пластины. Перемещение диафрагмы под действием дифференциального давления изменяет расстояние между пластинами и электрическую емкость ячейки, что, в свою очередь, приводит к изменению выходного электрического сигнала.

Степень перемещения диафрагмы прямо пропорциональна разности давлений.

Выходной сигнал измерительной ячейки поступает в электронную схему, где усиливается и выпрямляется в нагрузкозависимый аналоговый сигнал 4-20 mA dc. Затем этот сигнал можно использовать различными устройствами для того, чтобы:

• Обеспечивать индикацию расхода.
• Использоваться совместно с другими данными как часть управляющего сигнала. Степень сложности этого оборудования зависит от того, какие именно данные пользователь хочет собирать. Современные ячейки DP ****Развитие микроэлектроники и стремление к все более сложным системам управления привели к появлению более совершенных ячеек дифференциального давления. Помимо базовой функции измерения дифференциального давления, сегодня доступны ячейки, которые:
• Могут показывать фактическое, а не только дифференциальное, давление.
• Имеют возможности связи, например HART® или Fieldbus.
• Обладают функциями самоконтроля и диагностики.
• Имеют встроенный интеллект, позволяющий выполнять вычисления и отображать их локально.
• Могут принимать дополнительные входные сигналы, такие как температура и давление. Сбор данных ****Существует множество методов сбора и обработки этих данных, включая:
• Специализированные компьютеры.
• Автономные PLCs (Programmable Logic Controller systems).
• Централизованные DCSs (Distributed Control Systems).
• SCADAs (Supervisory Control And Data Acquisition systems) Одним из наиболее простых способов сбора, хранения и отображения данных является специализированный компьютер. С появлением микропроцессоров стали доступны очень универсальные вычислители контроля расхода. Функции отображения и мониторинга могут включать:
• Текущий расход.
• Общее потребление пара.
• Температуру/давление пара.
• Потребление пара за заданные промежутки времени.
• Ненормальный расход, давление или температуру с передачей удаленных аварийных сигналов.
• Компенсацию изменений плотности.
• Подключение к самописцам.
• Подключение к системам управления энергией. Некоторые из них правильнее называть расходомерами энергии, поскольку помимо перечисленных переменных они могут использовать время, таблицы пара и другие параметры для вычисления и отображения как мощности (kW или Btu/h), так и тепловой энергии (kJ или Btu). Помимо компьютерного блока, иногда полезно иметь локальную индикацию расхода. Анализ данных ****Собранные данные, будь то вручную, полуавтоматически или полностью автоматически, в конечном итоге используются как управленческий инструмент для мониторинга и контроля затрат на энергию. Для получения достоверной картины затрат процесса и трендов данные может потребоваться собирать в течение определенного времени. Некоторые производственные процессы требуют ежедневных данных, хотя чаще промышленным пользователям удобнее анализировать производственную неделю. Для анализа данных широко используются микрокомпьютеры с программным обеспечением для статистических расчетов и построения графиков. После ввода измерительной системы в эксплуатацию первой задачей является определение зависимости между процессом, например tonnes of product/hour, и потреблением энергии, например kg of steam/hour. Обычный способ состоит в построении графика потребления (или удельного потребления) относительно выпуска продукции и установлении корреляции. Однако при интерпретации точного характера этой зависимости требуется осторожность. Для этого есть две основные причины:
• На уровень энергопотребления могут влиять вторичные факторы.
• Управление основным потреблением энергии может быть недостаточно качественным, что скрывает явную зависимость. Статистические методы можно использовать для выявления влияния нескольких факторов. Следует помнить, что при применении таких методов необходима осторожность, поскольку довольно легко получить статистическую связь между двумя или более совершенно независимыми переменными.

После выявления и учета этих факторов можно определить стандартное энергопотребление. Это минимальное энергопотребление, достижимое для текущей установки и принятых эксплуатационных практик.

На диаграмме Рисунка 4.4.3 показана типовая зависимость между выпуском продукции и потреблением.

После того как установлена зависимость между потреблением пара и производительностью предприятия, она становится базой или стандартом, относительно которого можно оценивать все последующее производство.

Используя этот стандарт, руководители отдельных участков могут регулярно получать отчеты о своем энергопотреблении и его сравнении со стандартом. Затем каждый руководитель может анализировать работу своего участка, задавая вопросы:

• Как потребление соотносится со стандартом?
• Выше оно или ниже стандарта и насколько сильно отклоняется?
• Есть ли тренды в потреблении? Если наблюдается отклонение потребления, причин может быть несколько, в том числе:
• Плохое управление энергопотреблением.
• Неисправное оборудование или оборудование, требующее технического обслуживания.
• Сезонные изменения. Чтобы изолировать причину, необходимо сначала проверить прошлые записи и определить, является ли изменение тенденцией к росту потребления или единичным случаем. Во втором случае следует проверить установку на наличие утечек или неисправного оборудования. После этого такие проблемы устраняются по мере необходимости.

Стандартное потребление должно быть достижимой целью для руководителей установок, и обычный подход заключается в использовании линии наилучшего приближения, основанной на среднем, а не на лучшем достигнутом результате (см. Рисунок 4.4.4). После определения стандарта он становится новой базовой линией энергопотребления.

Рост осознанности в вопросах энергии неизбежно приводит к снижению затрат на энергию и общих эксплуатационных расходов, а значит, к более энергоэффективной системе.

Специальные требования для точного измерения расхода пара ****Как уже упоминалось ранее в Блоке 4, расходомеры измеряют скорость; для вычисления массового расхода (qm) дополнительно необходимы значения площади поперечного сечения (A) и плотности (P). Для любой установки площадь поперечного сечения остается постоянной, однако плотность (P) изменяется с давлением и степенью сухости. В следующих двух разделах рассматривается влияние колебаний давления и степени сухости на точность установок расходомеров пара. Изменение давления В идеальном мире давление в технологических паровых линиях оставалось бы абсолютно постоянным. К сожалению, в реальности это встречается очень редко: переменные нагрузки, зоны нечувствительности регулирования давления котла, потери давления на трение и параметры процесса - все это способствует колебаниям давления в паровой магистрали.

На Рисунке 4.4.5 показан рабочий цикл для применения насыщенного пара. После пуска давление в системе постепенно возрастает до номинальных 5 bar g, но из-за требований технологической нагрузки давление меняется в течение дня. Если расходомер не имеет компенсации давления, суммарная ошибка может быть значительной. Некоторые системы измерения расхода пара не имеют встроенной компенсации плотности и рассчитаны на работу только при одном фиксированном давлении в линии. Если давление в линии действительно постоянно, это допустимо. Однако даже сравнительно небольшие колебания давления могут повлиять на точность расходомера. Здесь стоит отметить, что разные типы расходомеров могут реагировать на эти изменения по-разному. Расходомеры скорости Выходной сигнал vortex shedding flowmeter зависит только от скорости потока. Он не зависит от плотности, давления и температуры контролируемой среды. При одной и той же скорости потока нескомпенсированный выходной сигнал vortex shedding flowmeter будет одинаковым независимо от того, измеряет ли он пар 3 bar g, пар 17 bar g или воду.

Ошибки измерения расхода, следовательно, зависят от ошибки в плотности и могут быть выражены, как показано в Уравнении 4.4.1. Пример 4.4.1 ****В качестве основы для следующих примеров определите плотность (ρ) сухого насыщенного пара при 4.2 bar g и 5.0 bar g. Пример 4.4.2 Vortex shedding расходомер пара, рассчитанный на работу при 5 bar g, используется при 4.2 bar g. Используя Уравнение 4.4.1 и данные из Примера 4.4.1, определите возникающую ошибку (ε). Следовательно, нескомпенсированный вихревой расходомер будет завышать показания на 14.42%

Поскольку одной из характеристик насыщенного пара, особенно при низких давлениях до примерно 6 bar g, является сильное изменение плотности при небольшом изменении давления, компенсация плотности необходима для обеспечения точных показаний.

Уравнение 4.4.1 можно использовать для построения графика ожидаемой ошибки расхода при ошибке давления, как показано на Рисунке 4.4.6. Расходомеры дифференциального давления Выходной сигнал от диафрагмы и ячейки имеет форму сигнала дифференциального давления. Измеряемый массовый расход зависит от формы и размера отверстия, квадратного корня из перепада давления и квадратного корня из плотности среды. При одном и том же наблюдаемом перепаде давления на диафрагме вычисленный массовый расход будет изменяться пропорционально квадратному корню из плотности.

Как и для вихревых расходомеров, работа расходомера с диафрагмой при давлении, отличном от расчетного, вызывает ошибки.

Процентную ошибку можно вычислить по Уравнению 4.4.2. Пример 4.4.3.

Паровой расходомер с диафрагмой, рассчитанный на работу при 5 bar g, используется при 4.2 bar g. Используя Уравнение 4.4.2, определите результирующую процентную ошибку (ε). Положительная ошибка означает, что расходомер завышает показания; в данном случае на каждые 100 kg проходящего пара расходомер зарегистрирует 106.96 kg.

Уравнение 4.4.2 можно использовать для построения графика ожидаемой ошибки расхода при ошибке давления, как показано на Рисунке 4.4.7.

Сравнивая Рисунок 4.4.6 с Рисунком 4.4.7, можно увидеть, что процентная ошибка из-за отсутствия компенсации плотности у вихревого расходомера примерно вдвое больше, чем у расходомера с диафрагмой. Следовательно, компенсация плотности необходима, если расход пара должен измеряться точно. Если расходомер пара не имеет встроенной функции компенсации плотности, необходимо предусмотреть дополнительные датчики давления и/или температуры, подключенные к системе КИП. Изменение степени сухости

Плотность одного кубического метра влажного пара выше, чем плотность одного кубического метра сухого пара. Если при прохождении пара через расходомер качество пара не учитывается, то показываемый расход будет ниже фактического значения.

Степень сухости (χ) уже обсуждалась в Модуле 2.2, но повторим: степень сухости - это выражение соотношения насыщенного пара и насыщенной воды. Например, один килограмм пара со степенью сухости 0.95 содержит 0.95 килограмма пара и 0.05 килограмма воды. Пример 4.4.4 В качестве основы для следующих примеров определите плотность (ρ) сухого насыщенного пара при 10 bar g для степеней сухости 1.0 и 0.95. Влияние степени сухости на расходомеры, измеряющие дифференциальное давление Повторяя более ранние замечания об ошибках расходомеров дифференциального давления, массовый расход (qm) будет пропорционален квадратному корню из плотности (ρ), а плотность связана со степенью сухости. Изменения степени сухости будут влиять на расход, показываемый расходомером. Уравнение 4.4.4 можно использовать для определения зависимости между фактическим расходом и показанием расходомера: Все расходомеры пара калибруются на показание при заранее заданной степени сухости (), обычно это значение равно 1. Некоторые расходомеры пара можно перекалибровать под реальные условия.

Пример 4.4.5

Используя данные из Примера 4.4.4, определите процентную ошибку, если фактическая степень сухости равна 0.95 вместо калиброванного значения 1.0, а расходомер пара показывает расход 1 kg/s. Следовательно, отрицательный знак означает, что расходомер занижает показания на 2.46%. Уравнение 4.4.4 используется для построения графика, показанного на Рисунке 4.4.8. Влияние степени сухости на вихревые расходомеры

Можно утверждать, что степень сухости в разумных пределах не имеет большого значения, потому что:

• Вихревые расходомеры измеряют скорость.
• Объем воды в паре со степенью сухости, например, 0.95 очень мал по отношению к объему пара.
• Измерять требуется конденсацию сухого пара. Однако независимые исследования показали, что капли воды, ударяющие по плохообтекаемому телу, вызывают ошибки, и поскольку вихревые расходомеры обычно используются при более высоких скоростях, следует ожидать также эрозию от капель воды. К сожалению, количественно оценить эти ошибки невозможно. Заключение Точное измерение расхода пара зависит от:
• Учета колебаний давления - Давление будет изменяться в любой паровой системе, и очевидно бессмысленно задавать расходомер с точностью ±2%, если только из-за колебаний давления возможны ошибки ±10%. Комплект измерения расхода пара должен включать компенсацию плотности.
• Предсказуемой степени сухости - Измерение степени сухости очень сложно; значительно более простой и лучший вариант - установить паровой сепаратор перед любым расходомером пара. Это обеспечит степень сухости, всегда близкую к 1.0, независимо от состояния подаваемого пара. Перегретый пар Для насыщенного пара существует фиксированная зависимость между давлением и температурой пара. Таблицы пара содержат подробную информацию об этой зависимости. Чтобы применить компенсацию плотности для насыщенного пара, достаточно измерять либо температуру пара, либо его давление для определения плотности (). Затем этот сигнал вместе с сигналом расхода подается в вычислитель расхода, который, если в нем есть алгоритм таблиц пара, выполняет расчет массового расхода.

Однако перегретый пар близок по свойствам к газу, и очевидной связи между температурой и давлением нет. При измерении расхода перегретого пара необходимо одновременно измерять и передавать и давление, и температуру пара. Система КИП расходомера также должна включать необходимое программное обеспечение с таблицами пара, чтобы вычислять параметры перегретого пара и показывать правильные значения.

Если установлен расходомер пара дифференциального давления без такой КИП, при наличии перегрева измерение расхода всегда будет сопровождаться ошибкой.

Лучше всего это показать на примере. Пример 4.4.6 Рассмотрим расходомер дифференциального давления, оснащенный измерением давления, но без измерения температуры. Расходомер считает, что измеряет насыщенный пар при 10 bar g с соответствующей температурой 184°C. К сожалению, фактически измеряемый пар является перегретым и имеет температуру 220°C.

Используя Уравнение 4.4.2, можно вычислить ошибку показаний, исходя из меньшей, чем ожидалось, плотности перегретого пара. В этом случае прибор будет завышать показания на 5%

Используя те же параметры, что и в Примере 4.4.6, определите фактический расход, если расходомер показывает расход 250 kg/h.

Уравнение 4.4.5 можно использовать для расчета фактического значения по отображаемому показанию.