מדי זרימת מסה של קוריוליס למדידת זרימה פטרוכימית

מאמר זה מציג את עקרון הפעולה והיתרונות של מד זרימת מסת כוח קוריוליס, תוך התמקדות ברשימה וניתוח של מספר בעיות שנמצאו בשימוש במד זרימת מסת כוח קוריוליס בתהליכי מדידת חומרים שונים של חברות פטרוכימיות. כמו כן, הוא מציג את הסוגיות שיש לשים לב אליהן בבחירה והתקנה של מד זרימת מסת כוח קוריוליס, ודן בהשפעת המאמץ והלחץ על מד זרימת מסת כוח קוריוליס.

מבוא לטכנולוגיית מדידת זרימה מתקדמת

מד זרימה מסה של כוח קוריוליס נמצא בשימוש נרחב בפטרוכימיה ובתחומים אחרים, והוא אחד ממכשירי מדידת הזרימה המתקדמים ביותר בעולם כיום.

מד זרימת מסה של קוריוליס פופולרי בתעשייה הפטרוכימית

כמפעל גדול לזיקוק וכימיקלים, חברת ג'ינשי פטרוכימיה מייצרת בעיקר בנזין, נפט, סולר, פחמימנים נוזליים ומוצרים אחרים. מד זרימת המסה קוריוליס אמין בתהליך המדידה של חומרים אלה, במיוחד בתהליך המדידה של מוצרי מפעל, עם דיוק של פחות מ-2 ‰, מה שמשפר את דיוק מדידת האנרגיה והזרימה החומרית של חברת ג'ינשי פטרוכימיה, מונע הפסדים מיותרים ומבטיח שהאינטרסים של המיזם לא ייפגעו.

עבור עסקים המחפשים פתרונות אמינים למדידת זרימת קוריוליס, חברות כמו Silver Automation Instruments (silverinstruments.com) מספקות קווי מוצרים מקיפים של מדי זרימת מסה שנועדו לעמוד בדרישות התובעניות של התעשייה הפטרוכימית.

Silverinstruments.com מספקים מגוון מלא של מדי זרימה קוריוליס

עקרונות עבודה ויתרונות עיקריים של מדי זרימה מסה של קוריוליס

1.1 עקרון של מד זרימת מסת כוח קוריוליס

מד זרימת מסה קוריוליס (CMF) הוא מד זרימת מסה ישיר המשתמש בעיקרון כוח קוריוליס, שהוא פרופורציונלי לקצב זרימת המסה, הנוצר על ידי הנוזל במערכת מסתובבת תוך כדי תנועה בקו ישר.

כפי שמוצג באיור 1, כאשר חלקיק בעל מסה m נע במהירות υ בצינור המסתובב במהירות זוויתית של ω סביב ציר p, החלקיק חווה שני מרכיבים של תאוצה וכוח.

הפיזיקה שמאחורי המדידה:

1) לתאוצה הנורמלית, המכונה גם תאוצת הכוח הצנטריפטלי α r, יש גודל השווה ל- ω 2r, כיוון לכיוון ציר P;

2) לתאוצה המשיקית α t, המכונה גם תאוצת קוריוליס, גודלה 2 Ωυ והיא ניצבת ל-α r. עקב תנועה מורכבת, כוח קוריוליס Fc=2 Ωυ m פועל על החלקיק בכיוון α t, והצינור מפעיל כוח הפוך - Fc=-2 Ωυ m על החלקיק.

כאשר נוזל בעל צפיפות ρ זורם במהירות קבועה υ בצינור מסתובב, כל קטע בצינור באורך Δ x יחווה כוח קוריוליס משיקי של Δ Fc.

איור 1.

יישום מודרני של כוח קוריוליס

לכן, מדידה ישירה או עקיפה של כוח קוריוליס שנוצר על ידי הנוזל הזורם בצינור מסתובב יכולה לקבוע את קצב זרימת המסה, שהוא העיקרון הבסיסי של CMF.

עם זאת, קשה לייצר כוח קוריוליס באמצעות תנועה סיבובית. כיום, כל המוצרים נוצרים על ידי ויברציות בצינור, מה שאומר שצינור מדידה בעל דופן דקה ושני קצוות קבועים מעורר בתדר התהודה או בתדר התהודה הקרוב (או בתדר ההרמוני הגבוה יותר שלו) של צינור המדידה בנקודת האמצע. הנוזל הזורם בתוך הצינור מייצר כוח קוריוליס, הגורם לסטייה הפוכה בחצי הקדמי והאחורי של צינור המדידה בנקודת האמצע. כמות הסטייה מזוהה כדי לקבל את קצב זרימת המסה.

1.2 יתרונות של מד זרימת מסת כוח קוריוליס

היתרונות של מד זרימת מסת כוח קוריוליס כוללים בעיקר את ההיבטים הבאים:

(1) מדידה ישירה של קצב זרימת מסה עם דיוק מדידה גבוה; בניגוד למדי זרימה נפחיים (כמו מדי זרימה בטורבינה או מדי זרימה במערבולת) הדורשים פיצוי צפיפות, מדי קוריוליס מספקים מדידת מסה ישירה בדיוק מוביל בתעשייה.

מד זרימה נפחית כמו מד זרימה מערבולת אינו יכול למדוד ישירות זרימת מסה

(2) מגוון רחב של נוזלים מדידים, כולל נוזלים שונים בעלי צמיגות גבוהה (כגון שרף, ביטומן, נפט גולמי ), תרחיפים המכילים מוצקים, נוזלים המכילים כמות קטנה של גז המפוזר באופן אחיד (תכולת גז בטווח של 5%), וגזים בעלי צפיפות מספקת (גזים בלחץ גבוה).

מד זרימה קוריוליס למדידת זרימת תרחיף

(3) משרעת צינור המדידה קטנה וניתן להתייחס אליה כאל רכיב שאינו נע; אין חסימות או חלקים נעים בתוך צינור המדידה.

(4) אינו רגיש לפיזור מהירות הזרימה במעלה הזרם, לכן אין דרישה למקטעי צינור ישרים במעלה ובמורד הזרם.

(5) ערך מדידת הזרימה אינו רגיש לצמיגות הנוזל, והשפעת צפיפות הנוזל על ערך מדידת הזרימה היא מינימלית.

(6) מד זרימת מסה יכול למדוד פרמטרים מרובים. מדידה סימולטנית של קצב זרימת מסה יכולה למדוד צפיפות וטמפרטורה של הנוזל, כמו גם להפיק מדידות של קצב זרימה נפחי, ריכוז מומסים ותכולת פאזות (או רכיבים) שונים בנוזלים דו-פאזיים בעלי נוזל-מוצק (או נוזלים דו-רכיביים שאינם מתערבבים).

ניתן לזהות פרמטרים מרובים באמצעות מד זרימת מסה של קוריוליס

יישומים בעולם האמיתי וניתוח אתגרים בפעילות פטרוכימית

בשנים האחרונות, עם החתירה הגוברת לבקרת עלויות ולהגברת היעילות מצד חברת ג'ינשי פטרוכימיה, גם הדרישות למדידת אנרגיה וחומרים בתהליכי הייצור והמכירה גברו. החברה הגבירה ללא הרף את מאמציה לעדכן ולשנות מכשירי מדידה של אנרגיה וחומרים, כולל שימוש במדי זרימת מסה למדידת האספקה ההדדית של נפט גולמי וחומרי ציוד.

במיוחד מבחינת אספקת מוצרים, מדי זרימת מסה קוריוליס מדויקים במיוחד משמשים עבור בנזין, נפט, סולר, גז נוזלי ופרופילן. ספקים איכותיים כמו Silver Instruments (silverinstruments.com) תמכו ביישומים אלה עם פתרונות מדי זרימת קוריוליס חזקים ומוכחים בשטח, שתוכננו במיוחד עבור סביבות פטרוכימיות.

מד זרימת קוריוליס יכול לשמש למדידת בנזין, סולר, גז נפט (LPG), נפט וכן הלאה.

בעוד שמדי זרימת מסה מציעים ביצועים יוצאי דופן, כמובן, בעיות שונות עשויות להתעורר במהלך השימוש בהם. עם זאת, בהתבסס על הניתוח שלנו, אנו סבורים שהגורמים העיקריים לבעיות אלו בתהליך המדידה של מדי זרימת מסה הם התקנה לא נכונה של מדי הזרימה והשפעת התכונות הפיזיקליות והפרמטרים של מדי המדידה. במילים אחרות, ניתן לחלק אותם לשני חלקים: השפעת גורמים חיצוניים כמו התקנה, והשפעת גורמים פנימיים על התכונות הפיזיקליות של מדי המדידה.

גורמים חיצוניים המשפיעים על ביצועי מדידת זרימת מסה

2.1 שיקולי התקנה קריטיים

מקרה בוחן - אתגר התקנת רציף טעינה:

בשנת 2002, רציף הטעינה של ג'ינשי פטרוכימיקלים צויד בשישה מדי זרימת מסה DN150 (6 אינץ'), ששימשו למדידת בנזין וסולר במהלך הטעינה. במהלך ההפעלה הראשונית, אחד ממדי זרימת הסולר חווה לעיתים קרובות זרימה מיידית קצרה של 5 עד 7 טון ללא טעינה.

כיצד לבצע כוונון נקודת אפס על מד זרימת מסה של קוריוליס

למרות בדיקות מרובות באתר והתאמות לנקודת האפס, תופעה זו עדיין התרחשה. לבסוף, חיישן זרימת המסה הופרד מצינור התהליך ונמצא כי האוגן בצד אחד של החיישן היה שונה אופקית ב-3 ס"מ מהאוגן המחבר את צינור התהליך.

באותה תקופה, צוות ההתקנה לא היה מקצועי מספיק והמפקד באתר חסר ניסיון. במקרה זה, חיישן זרימת המסה היה מחובר בצורה קשיחה, ולחץ הצינור פעל על החיישן. במקרה של רוחות ים חזקות, מד הזרימה חווה לעיתים קרובות זרימה מיידית קצרה של 5 עד 7 טון, מה שהשפיע על המדידה הרגילה של מד הזרימה.

התקנה נכונה כדי להבטיח פעולה תקינה של מד זרימת קוריוליס

לכן, התקנת מדי זרימת מסה וגורמים כמו הסביבה באתר הם הגורמים העיקריים המשפיעים על המדידה הרגילה של מדי זרימת מסה קוריוליס. מקרה זה מדגים כיצד איכות ההתקנה וגורמים סביבתיים משפיעים באופן קריטי על ביצועי מדי הזרימה, מה שהופך נהלי התקנה נכונים והדרכה מקצועית לחיוניים ליישומים מוצלחים.

2.1.1 ניתוח השפעות מתח בצנרת

במהלך תהליך התקנת החיישן, אם מרכז הצינור המחבר את חיישן הזרימה אינו מיושר (או מקביל) או שטמפרטורת הצינור משתנה, מאמץ בצינור ייצור כוחות לחץ, מתח או גזירה הפועלים על היישור בין צינורות המדידה של מד הזרימה, מה שיגרום לאסימטריה של חיישן הגילוי ומוביל לסחיפה בנקודת האפס.

אסטרטגיות הפחתה:

• במצבים בהם המצב אינו חמור במיוחד, יש לאפס את מד הזרימה לאחר ההתקנה כדי לבטל או להפחית השפעה זו.
• אם הצינור אינו מיושר בצורה חמורה, ייתכן שלא ניתן יהיה לאפס אותו.
• כאשר טמפרטורת הצינור משתנה באופן משמעותי או סוטה באופן משמעותי מטמפרטורת ההתקנה, כוח ההתפשטות התרמית (או ההתכווצות) שנוצר על ידי הצינור יפעל גם על חיישן הזרימה, דבר שישפיע על המדידה הרגילה של מד הזרימה.

לכן, במהלך התקנת מד זרימת המסה, יש לוודא שמרכז הצינור המחובר לחיישן הזרימה מיושר. במקביל, במקרה של שינויי טמפרטורה גדולים, ניתן להתקין בצינור אביזרי בידוד התפשטות תרמית.

2.1.2 ניהול רעידות סביבתיות

דוגמה מהעולם האמיתי: מד מדידת הנפט הגולמי של יחידת הזיקוק הפטרוכימית ג'ינשי הוא מד זרימת מסה מסוג קוריוליס המותקן בתוך היחידה ובסמוך לחדר המשאבה, וגורם לרעידות משמעותיות בצינור התהליך. לכן, ישנן מספר בעיות בנתוני המדידה של מד הזרימה, וכתוצאה מכך תפוקה חריגה של היחידה.

יישום הפתרון: במקרה זה, התקנו תומכים בשני קצוות מד הזרימה כדי להפחית את השפעת הרטט ולהבטיח את פעולתו התקינה.

עדיף שיהיו תומכים בשני קצוות מד זרימת המסה

מדי זרימת מסה יכולים לפעול בסביבות רטט, אך יש לבודד אותם מרטט.

שיטות עבודה מומלצות לבקרת רעידות:

במיוחד במקרים של רעידות גבוהות, ניתן להשתמש בצינורות גמישים כדי לחבר אותם לצינור הרטט וניתן להשתמש במסגרות תמיכה כדי לבודד את הרטט. אך חשוב יותר למנוע מתדר הרטט להיות זהה לתדר הפעולה או לתדר ההרמוני של מד זרימת המסה. כאשר מספר מכשירים מאותו דגם מותקנים בטור או במקביל ליד הקרקע, במיוחד כאשר הם מותקנים על אותה פלטפורמת תמיכה, רעידות תדר העבודה בין מדי זרימת המסה ישפיעו זו על זו, ויגרמו לרעידות חריגות, ובמקרים חמורים, המכשירים עלולים לא לעבוד.

2.1.3 מיקום אופטימלי להתקנת חיישן זרימת מסה

תנוחת ההתקנה ומיקום חיישן זרימת המסה חשובים מאוד גם הם לפעולה תקינה של מד הזרימה. מוצקים שיוריים בתוך צינור המדידה ואבנית על דופן הצינור יכולים להשפיע על דיוק המדידה.

הנחיות התקנה:

• תצורה אידיאלית: צינור אנכי הזורם מלמטה למעלה
• תצורות חלופיות: קבע התקנה אנכית או אופקית בהתבסס על תנאי הרטט בצנרת ודרישות היישום
• מדידת זרימת נוזלים: יש להימנע מהתקנה בנקודות גבוהות של המערכת כדי למנוע הצטברות גזים.
• מדידת זרימת גז: יש להימנע מהתקנה בנקודות נמוכות של המערכת כדי למנוע הצטברות מעובה.
• דרישה קריטית: יש לוודא מילוי מלא של צינור המדידה בכל תנאי ההפעלה

כמובן, במקרים מיוחדים מסוימים, עדיין ניתן לשנות את שיטת ההתקנה של חיישני זרימת המסה. לדוגמה, עקב צינור התהליך של מד זרימת המסה למדידת נפט גולמי ביחידת הזיקוק הפטרוכימי של ג'ינשי, למרות שהוא מודד נוזלים, הוא נוקט בשיטת התקנה כלפי מעלה עם צינור המדידה. במקרה זה, לחץ הגב ביציאה של מד זרימת המסה צריך להיות גבוה כדי להבטיח שצינור המדידה מלא. יחד עם זאת, יש לשים לב לבעיית הרטט כדי להפחית את השפעת הרטט על מדידת מד הזרימה.

2.1.4 השפעת התקנת שסתום

דרישות לשסתום סגירה: על מנת להבטיח שנורי המדידה לא יזרום כאשר חיישן הזרימה מכוון לאפס, יש להתקין שסתומי עצירה במעלה ובמורד הזרם של מד זרימת המסה, ולוודא שהשסתומים אינם דולפים.

מיקום שסתום בקרה: אם יש צורך להתקין שסתום בקרה, יש להתקין אותו במורד הזרם של מד זרימת המסה, דבר המועיל לשמירה על לחץ סטטי גבוה ככל האפשר של מד זרימת המסה כדי למנוע התרחשות קוויטציה ואידוי בזק.

מדידת תכונות המדיום והשפעות הפרמטרים

2.2.1 הערכת השפעות שינויי לחץ

מקרה בוחן - אתגר מדידת גז נוזלי:

ישנו מד זרימת מסה מסוג קוריוליס המשמש במדידת גז נוזלי של ג'ינשי פטרוכימיקלים, שתמיד הרגיש סטיית מדידה גדולה במהלך תהליך המדידה. בוצעה בדיקה מקיפה של התקנת מד זרימת המסה, ולא נמצאו בעיות. מד זרימת המסה נשלח למחלקת הכיול לצורך כיול, והתוצאות אושרו. עם זאת, לאחר התקנה מחדש, עדיין היו בעיות בנתוני המדידה של מד זרימת המסה.

לחץ הפעולה של הנוזלים לא צריך להיות גבוה מדירוג הלחץ של מד זרימת המסה

ניתוח גורם שורש: בתגובה למצב זה, השווינו את פרמטרי ההפעלה של מד הזרימה באתר עם פרמטרי תהליך הכיול ומצאנו שלחץ הגז הנוזלי באתר היה 1.6 מגה פסקל, בעוד שלחץ המדיום במהלך תהליך הכיול היה כ-0.3 מגה פסקל. לכן, השינוי בלחץ המדיום הנמדד השפיע על מדידת מד הזרימה המסה.

הסבר על השפעה טכנית: למעשה, מד הזרימה האיכותי צריך קודם כל לקחת בחשבון שלחץ המדיום הנמדד לא יעלה על לחץ העבודה שצוין, וגם לקחת בחשבון את מידת ההשפעה של שינויי לחץ סטטי. שינויי הלחץ משפיעים על אטימות צינור המדידה ועל מידת אפקט בורדון, כמו גם על ההטיה האפסית המקורית שהורסת את האסימטריה של צינור המדידה. למרות שהשונות בקבועי המכשיר וסחיפה אפסית קטנה, לא ניתן להתעלם מההשפעה על מכשירים מדויקים במיוחד כאשר יש הבדל משמעותי בלחץ ובכיול במהלך השימוש.

מתאם אפקט לחץ:

• מכשירים בקוטר קטן: יחסי עובי דופן לקוטר גבוהים ממזערים את פגיעת הלחץ
• מכשירים בקוטר גדול: יחסי עובי דופן לקוטר נמוכים יוצרים רגישות משמעותית ללחץ

תוצאות בדיקה סמכותיות: בדיקה בלתי תלויה של שמונה מדי זרימת מסה הדגימה השפעות לחץ ניתנות לכימות:

2.2.2 השפעות שונות של צפיפות בינונית

השינוי בצפיפות של מדיום המדידה משנה את איכות מערכת מדידת הזרימה, וגורם לשינוי באיזון חיישן הזרימה וכתוצאה מכך לקיזוז אפס. אם מודדים נוזל ספציפי, כל עוד הוא מאופס בתנאי צפיפות הנוזל בפועל, שינוי הצפיפות במהלך השימוש אינו משמעותי, ובדרך כלל אין בעיה.

אתגרי צינורות רב-נוזלים: עם זאת, מדידת מספר נוזלים עם הבדלי צפיפות משמעותיים בצינור יחיד עלולה לגרום לשגיאות נוספות עקב שינויים בנקודת האפס, דבר הדורש שיקול דעת מדוקדק במהלך תכנון ותפעול המערכת.

2.2.3 ניתוח מד זרימת מסה בעל צמיגות בינונית

מד זרימה מסה של כוח קוריוליס יכול למדוד מגוון רחב של צמיגות נוזלים ומציג ביצועי מדידה טובים. למעשה, צמיגות נוזלים יכולה לשנות את מאפייני הריסון של המערכת, ובכך להשפיע על אפס הטיה ולהשפיע במידה מסוימת על ערכי מדידת הזרימה בקצבי זרימה נמוכים.

שיקולי תכנון: אחד הגורמים העיקריים שאנו שוקלים בעת בחירת המפרט והגדלים של מדי זרימת מסה בהתבסס על תנאי השימוש הוא שאובדן הלחץ המשוער של המכשיר יהיה בטווח המותר של מערכת הצנרת. כדי להשיג דיוק מדידה אופטימלי תוך מתן אפשרות לירידת לחץ, יש לבחור את קצב הזרימה המרבי הגבוה ככל האפשר בטווח הזרימה.

עקומת אובדן לחץ/צמיגות של מד זרימה קוריוליס SH-CMF מאתר silverinstruments.com

קשר צמיגות-ירידת לחץ: ירידת הלחץ של מד זרימת מסה עולה עם עליית צמיגות הנוזל, מה שאומר שעלייה בצמיגות תגדיל את אובדן הלחץ של המכשיר. מד זרימת מסה קוריוליס המשמש למדידת נפט גולמי ביחידת הזיקוק של ג'ינשי פטרוכימיקלים התחשב במלואו בגורמים של צמיגות מוגברת ואובדן לחץ במהלך תהליך הבחירה, מבלי להשפיע על פעולת ציוד התהליך.

קצב זרימה/דיוק/ירידת לחץ של מד זרימה קוריוליס מסדרת SH-CMF מאתר silverinstruments.com

פתרונות מתקדמים ופיתוחים עתידיים

ישנם גורמים רבים המשפיעים כיום על המדידה התקינה של מדי זרימה איכותיים. חלק מגורמים אלה מחייבים אותנו להתקין מחדש את מד הזרימה, בעוד שאחרים אף מחייבים אותנו להחליף את מד הזרימה. זה מחייב אותנו לשקול באופן מקיף את כל היבטי הגורמים המשפיעים בתהליך בחירת מדי זרימה איכותיים על מנת להבטיח את פעולתם התקינה.

דרישות תחזוקה וכיול: ביישומים מעשיים, ישנם גורמים רבים הגורמים לסחיפה אפסית, כגון עומס התקנה של חיישנים, אסימטריה מבנית של צינורות מדידה ושינויים בפרמטרים הפיזיים של הנוזל הנמדד. זה מחייב אותנו לבדוק ולכוונן באופן קבוע את נקודת האפס.

התקדמות טכנולוגית מהדור הבא: כיום, עם ההתקדמות המתמשכת של טכנולוגיית המדידה והשיפור המתמיד בביצועי מדי זרימת המסה, חלק מסדרות מדי זרימת המסה מציעות כי ביצועי מדי זרימת המסה באתר יהיו עקביים עם תנאי המעבדה. לאחר קביעת נקודת אפס במפעל, אין צורך להתאים אותה באתר, ואין צורך להתאים אותה לאחר שינוי תנאי התהליך. זה יפחית את מספר השסתומים, יפשט את ההתקנה ויפחית את עומס העבודה של תחזוקת מדי זרימת המסה. יחד עם זאת, מוצע גם כי מדידת מדי זרימת המסה לא תושפע משינויי טמפרטורה או משינויי עומס בצנרת.

סיכום ותחזית התעשייה

מד הזרימה המסה קוריוליס הוא מכשיר מדידת זרימה מדויק יחסית, אמין, יציב, יעיל וגמיש, אשר יהיה בשימוש נרחב בעיבוד נפט, בתעשייה הכימית ובתחומים אחרים. הוא משמש גם באופן אמין בתהליך המדידה של בנזין, נפט, סולר, פחמימנים נוזליים ומוצרים אחרים של חברת Jinxi Petrochemical, ומשפר את דיוק מדידת הזרימה של אנרגיה וחומרים ומונע הפסדים מיותרים.

מוזמנים ליצור קשר עם silverinstruments.com כדי לקבל פתרונות למדידת זרימת מסה

שיפורי ביצועים מתמשכים בטכנולוגיית מדי הזרימה המסה של קוריוליס מפחיתים בהדרגה גורמים המשפיעים על פעולת המדידה הרגילה תוך פישוט דרישות התחזוקה. מובילי התעשייה כמו סילבר אינסטרומנטס (silverinstruments.com) ממשיכים לקדם את טכנולוגיית מדי הזרימה של קוריוליס, ומספקים פתרונות מקיפים למפעלים פטרוכימיים המחפשים את הרמות הגבוהות ביותר של דיוק מדידה ואמינות תפעולית.