(ב) וריאציה עם מספר ריינולדס המבוססת על קוטר פנימי.
כיצד להתקין מד זרימת טורבינת גז בצורה נכונה?
התקנה נכונה להשגת תוצאת מדידת הזרימה הטובה ביותר
מחקר שנערך על ידי תחנת המחקר להנדסת גז של בריטניה אישר כי מד זרימה מסוג זה מפגין חוסר רגישות יוצא דופן להפרעות זרימה, מה שהופך צינורות ישרים במעלה או במורד הזרם להכרחיים ברוב ההתקנות המעשיות (Fenwick and Jepson, 1975; השווה Harriger, 1966). הסיבות העיקריות כוללות:
1. וורטיקליות מופחתת בצינורות טבעתיים בקוטר גדול, הנובעת הן משימור תנע זוויתי והן מהאפקט המיישר של מרכך הזרימה;
2. התכווצות זרימה משמעותית המתרחשת במקטעי צנרת בקוטר קטן;
3. השפעות אינטגרליות הנובעות מהקשר הליניארי בין מקדם העילוי לזוויות פגיעה קטנות.
הם הסיקו כי יש לפרוס מזגני זרימה רק בחלק הכניסה אם קיימות מערבולות במעלה הזרם.
ואן דר קאם ודאם (1993) הסיקו כי התקנת מזגני זרימה בכניסה יכולה להפחית ביעילות את זרימת המערבולת. לדוגמה, שגיאת המדידה הנגרמת על ידי שני מרפקים המותקנים במישורים שונים (עם זווית מערבולת של 40°) לא תעלה על 0.3%. שינויים בקוטר הצינור במעלה הזרם של מד הזרימה אינם חשובים יחסית. במקרים קיצוניים, מיישר זרימה באמצעות צרור צינורות מספיק. חספוס פני השטח אינו משפיע על הביצועים. השפעות הטמפרטורה בטווח של 20 מעלות צלזיוס הן מינימליות אך קשות לאימות עקב היעדר שיטות מדידה בקרה נחוצות. מדי זרימה בטורבינות אינם מתאימים לזרימות גז רטובות או מלוכלכות. הגז צריך להישאר נקי, נטול נוזלים ואבק, ויש להשתמש במסנן בעל דירוג מינימלי של 5 מיקרומטר בעת הצורך. יש לנקות היטב את הצינור במעלה הזרם לפני ההתקנה (בונר, 1993; ISO 9951).
על פי מחקרו של הריגר (1966), ניתן לאמץ שיטת התקנה משולבת, שבה הצינור באורך 4D במעלה הזרם מורכב ממזגן זרימה דו-ממדי ומקטע צינור ישר דו-ממדי. עם זאת, זרימה מערבולת ופעימות עלולים לגרום להשפעות משמעותיות. מדי זרימה עם מזגני זרימה מובנים יכולים לבטל את השפעת זרימת המערבולת. אם אביזרי צנרת ממוקמים בתוך 5D במעלה הזרם למד הזרימה, יש צורך להתקין כנפי יישור. במהלך התקנת מד הזרימה, נדרש יישור קפדני עם הצינור, ואסור שיהיו בליטות בתוך קטע 5D במעלה הזרם. הצינור במורד הזרם צריך לשמור על קוטר קבוע ללא הגבלות נוספות.
מספיק צינורות ישרים לפני ואחרי מד זרימת טורבינת גז
ואן דר קאם וואן דלן (1991) מצאו שעבור מדי זרימה של טורבינות גז בקוטר 12 אינץ', מרחק במעלה הזרם של 10D מספיק כדי להבטיח פעולה תקינה בתנאים המותרים, בעוד ש-15D נדרש כאשר קיימת זרימת מערבולת.
מיקאן ואחרים (1996א', 1996ב') וונדט ואחרים (1996) חקרו באופן ניסיוני את התפלגות המהירות בצנרת ואת השפעותיה על מדי זרימה בטורבינות גז. המחקרים השתמשו בטכניקות מדידה של דופלר בלייזר ובחנו את ההשפעה של תצורות התקנה שונות על ביצועי מדי הזרימה של מערבולת, כולל: 1. מזגני זרימה; 2. התקנות מרפק יחיד; 3. מרפקים כפולים שאינם קופלנריים; 4.50% חסימת זרימה בין המרפקים.
קוראים המעוניינים בכך מוזמנים לעיין בפרסומים המקוריים. בעוד שרוב השגיאות הניסוייות נותרו מתחת ל-1%, זה לא נצפה באופן אוניברסלי בכל תנאי הבדיקה.
ג'ורג' (2002) בחן את ההתקדמות בטכנולוגיית מדי זרימה של טורבינות במסגרת דו"ח AGA מס' 7 המתוקן. המחקר זיהה שתי התפתחויות משמעותיות מאז 1996: עיצובים בעלי רוטור כפול ומדי זרימה בעלי טווח מורחב. הממצאים העיקריים כוללים:
• עבור תנאי זרימה קצרת טווח, קרבה, זרימה במערבולת וזרימה במערבולת טהורה, ארבעה מכשירים מכוילים במשותף הדגימו שגיאות מדידה של ±1%;
• שילוב נכון של מערכות זרימה בכניסת המונה יכול להפחית סטיות ל-±0.25%;
• תצורות של רוטור יחיד לעומת שני רוטורים הראו השפעה זניחה על הטיה במדידה;
• שינויים כתוצאה מלחץ דורשים חקירה נוספת.
איסלאם ואחרים (2003) דיווחו על תוצאות ניסוייות של מדי זרימה בטורבינה עם מזגני זרימה משולבים תחת תנאי זרימת אוויר מופרעים.
באלה וטקאראס (2003) תיעדו סטייה של כ-1% בביצועי מד זרימת הגז לאחר שנת פעולה אחת, שניתן לייחס אותה ל:
1. הצטברות מעובה נוזלית
2. מזהמים שיוריים מייצור צינורות
אולבוסט ואקרהובד (2008) המליצו על פרוטוקולי התחזוקה הבאים:
1. בדיקת חספוס פני השטח הפנימיים של הצינור
2. אימות שלמות מזגן הזרימה
3. בדיקת יישור מד הזרימה
4. נהלי בדיקה חזותית
מגבלות תפעוליות:
• מהירות יתר זמנית של עד 20% מותרת (אם כי מהירות יתר מתמשכת גורמת נזק)
• נדרש ניטור טמפרטורה בתוך 2D במורד הזרם של מד הזרימה (טווח שצוין על ידי היצרן: -10 עד 50°C)
• ייבוש בגז חובה כאשר תנאי התהליך מובילים לעיבוי נוזלים בצנרת
גילוי וניטור
השיטה הנפוצה ביותר למדידת מהירות גלגל הטורבינה כרוכה בשימוש בתיבת הילוכים, אשר עשויה ליצור התנגדות עקב הפסדי העברה של גלגלי השיניים. בנוסף, התנגדות יכולה להיגרם על ידי צימוד אלקטרומגנטי, מנגנוני תצוגת זרימה ותהליכי כיול. שימוש בגילוי אלקטרומגנטי יכול להפחית משמעותית התנגדות כזו.
עבור אותות בתדר גבוה, ניתן להשתמש במתגי אינדוקציה מגנטית או מתגי קרבה על להבי אלומיניום, רצועות מתכת על הציר, או דיסקים מונעים של הציר הראשי כדי לחלץ אותות על סמך אפקט המיתוג, ולהשיג תדר מדידה של עד 3 קילוהרץ. עבור יישומים הדורשים 1 עד 10 פולסים לכל סיבוב, ניתן להשתמש במתגי ריד או בחיישני חריץ.
ריב ויואכים (2002) פיתחו כלי ניטור מקוון עבור מדי זרימה של טורבינות גז בשם AccuLERT G-II (FMC Measurement Solutions), אשר טוען כי הוא מסוגל לזהות ולנתח שגיאות מכניות ושגיאות הקשורות לנוזלים.
AccuLERT יכול לנטר את יחס זמן העלייה, יחס זמן הירידה וסטיית התקן. בנוסף, הוא יכול גם לנטר משתנים מרכזיים כגון קצב זרימה, זמן ושינויים במהלך הפעולה כדי להעריך את מצב הפעולה של מד הזרימה.
נוזלים לא יציבים
מדי זרימה של טורבינות גז רגישים לתנאי זרימה פועמים. כאשר הנוזל מאיץ, זווית הפגיעה המוגברת על להבי הטורבינה גורמת להאצה מהירה יותר של הרוטור. לעומת זאת, האטת זרימה עלולה להוביל להיעצרות הלהב עם התנגדות גרירה מינימלית, וכתוצאה מכך להערכת יתר של הזרימה הכוללת. מדידה ממושכת של זרימות פועמות מאוד עלולה לגרום נזק למסבים במכלולי הטורבינה.
הד (1956) קבע את מקדם הפעימה עבור מדי זרימה של טורבינות, שהוגדר כ:
q
i /q
V = (1+αbΓ²)
כאשר
qi הוא קצב הזרימה המוצג על ידי המד,
qV הוא קצב הזרימה בפועל, (α
= 1/8 מייצג את חוק השונות הסינוסואידלית של הנוזל, b יכול להיחשב כ-1 עבור מדי זרימה שאינם עוקבים, ו-Γ היא משרעת משטר זרימה מלאה
יחסית למהירות הממוצעת. Head מאמין ש-Γ=0.1 הוא הערך הקריטי לשגיאות משמעותיות.
ניתן לקבל את עקומת הדעיכה המהירות ללא נוזל מניתוח חולף, כפי שמוצג באיור 3. האיור מאפשר קביעת זמן האטת הרוטור עד לעצירה ואת השיפוע הסופי של עקומת הדעיכה. שיפוע זה מתואם פיזית עם יחס הכוח הגרר-לאינרציאלי בתנאי זרימה אפס, ומשמש כאינדיקטור אבחוני למצב המיסב.
עם זאת, דה יונג וואן דר קאם (1993) הטילו ספק באמינותו בתנאי לחץ גבוה. הקוראים יכולים גם לעיין במאמר של לי ואוואנס (1970), המתאר כיצד הם השיגו את עקומת הנחתת המהירות באמצעות שיטת עומס חיכוך מכני חיצוני וסיפקו ערכים אופייניים של כוח אינרציה. לדוגמה, עבור מד זרימה בלחץ נמוך בקוטר 150 מ"מ, האינרציה הסיבובית של הרוטור הפלסטי היא I=0.242×10⁻³kg⋅m³, והאינרציה הסיבובית של הרוטור מאלומיניום בלחץ גבוה היא I=0.486×10⁻³kg⋅m³. הם גם התחשבו בשונות העלים עם ערך של η=0.2.
איור 3 עקומת דעיכת מהירות סיבוב של מד זרימה מסתובב בחופשיות
במהלך בדיקת ספין-דאון
(מופק באישור ASME, על פי לי ואוואנס, 1970)
לי ואחרים (1975) סיפקו את השגיאה הנגרמת מתנודות סינוסואידליות. בהנחה של התרחיש הגרוע ביותר, שבו הרוטור אינו יכול לעקוב אחר הפעימה עקב אינרציה מוגזמת, מתקבלת שגיאה של כ-0.5% במדד פעימה של 0.1, ושגיאה של כ-2% מתקבלת ב-0.2, כאשר מדד הפעימה הוא
Γ=
איור 4 נגזר מתוצאותיהם של פנוויק וג'פסון (1975), הממחישות את השפעת פעימות גל מרובע על מדי זרימה של טורבינות. מקי (1992) מצא שהשגיאה הייתה 0 בשונות של 2% ועברה את 1.5% ב-6% [אטקינסון, 1992]. שיטות חישוב נומריות שימשו לקביעת השגיאות שנגרמו על ידי פעימות נוזל סינוסואידליות בקירוב במדי זרימה. צ'יזרייט ואחרים (1996) העלו חששות לגבי היעדר נתונים מדווחים על צורות גל פעומות.
פנוויק וג'פסון (1975) ערכו ניסויים על ידי החדרת זרימה פועמת של 60 שניות לתוך מד זרימה בקוטר 100 מ"מ, וכתוצאה מכך המדידות חרגו מקצב הזרימה בפועל ב-40%.
יונגובסקי ווייס (1996) בדקו מד זרימה בקוטר 100 מ"מ תחת זרימת אוויר פועמת בתדרים הנעים בין 5 ל-185 הרץ. תוצאותיהם הראו שכאשר היחס בין מהירות שורש ממוצע הריבועים למהירות הממוצעת היה 0.1, הקריאות הוערכו ביתר ב-1%, וכאשר היא הייתה 0.2, הערכת היתר הגיעה ל-4%.
סטולטנקמפ ועמיתיו (2003) הציגו מחקר מעניין, שדן באפשרות של קריאות מטעות של מד זרימה בטורבינה הנגרמות מתנודות גז עקב השפעות אקוסטיות. הם גם הציעו מודל תיאורטי להסבר התופעה.
עיבדתי כמה נתונים ניסיוניים שבהם קצב זרימת הגז הטבעי עבר מגבוה לנמוך, מלווה בשינויים פתאומיים ובשגיאות משמעותיות - התנהגות שכבר ניבאו על ידי ג'פסון ואחרים במתודולוגיה שלהם.
איור 4 השפעות של זרימה מווסתת במד
זרימה בטורבינה של 100 מ"מ היכן להשתמש במדדי זרימה של טורבינות גז?
מד זרימת טורבינת גז מתאים לכל הגזים שאינם קורוזיביים וגזי דלק, כולל:
מד זרימת גז CO2 , גז עירוני, גז טבעי, גז זיקוק, גז תנור קוק,
מד זרימת פרופאן , מד זרימת בוטאן, תערובות גז גז פחמימני/אוויר, אצטילן, אתאן, מד זרימת חנקן, פחמן דו-חמצני CO2, אוויר וכל הגזים האינרטיים.
מדי זרימת טורבינות גז מודדים גז טבעי
מדי זרימה בטורבינות אינם משמשים בדרך כלל למדידת חמצן מהסיבות הבאות:
1. חומר הסיכה חייב להיות לא מגיב עם חמצן.
2. מהירות זרימת החמצן בצנרת לא תעלה על 10 מטר/שנייה, מכיוון שמהירויות גבוהות יותר עלולות לגרום לחמצון בצנרת - מדי זרימה של טורבינות גז דורשים מהירויות נמוכות עוד יותר.
פפרם (1981) עיבד טכניקת מדידת זרימת נוזלים מקובלת כדי לפתח שיטת מדידת זרימת מסה עבור גז אתילן. שיטה זו השתמשה במד זרימה, צפיפות, מחשב זרימה ומודאת בוכנה דו-כיוונית. הדיוק הנטען של מד זרימה זה היה ±0.2%, כאשר הלינאריות נשמרת מ-20% עד 100% מהקנה מידה המלא.
יתרונות וחסרונות
מד זרימת טורבינת גז מדויק
1. בלאי או פגיעה מכנית משנים את החיכוך ואת גיאומטריית הלהב, מפחיתים את טווח הכיוון של מד הזרימה וגורמים לסטיות בקריאה. סינון יכול להאט את התדרדרות המד, ובדיקות תקופתיות הן חיוניות. בדיקת האטה יכולה להצביע על התדרדרות המיסב.
2. תנודות מהירות בנוזל גורמות לקריאת יתר. לדוגמה, מחזור זרימה של 10 דקות הפעלה/10 דקות כיבוי עלול להוביל להערכה יתר של 3%.
3. זרימה מסתחררת מעוותת את הקריאות, מה שמצריך שימוש במישר זרימה.
4. שינויי לחץ וחיכוך גבוה של המיסבים עלולים לגרום לסחיפה של עד 2% בקריאה.
5. כשל במד הזרימה אינו פוגע בבטיחות זרימת הגז.
בנוסף, ואן דר קאם, דאם וואן דלן (1990) דנו באמינות, דיוק גבוה, מדידה עם רוטור כפול ומערכות מיסבים.
