Кориолисовые массовые расходомеры для измерения расхода нефтехимической продукции

В данной статье описываются принцип работы и преимущества кориолисового массового расходомера, а также перечисляются и анализируются некоторые проблемы, возникающие при использовании кориолисового массового расходомера в различных процессах измерения расхода материалов на нефтехимических предприятиях. Также рассматриваются вопросы, на которые следует обратить внимание при выборе и установке кориолисового массового расходомера, и обсуждается влияние напряжений и давления на кориолисовый массовый расходомер.

Введение в передовые технологии измерения расхода

Массовый расходомер Кориолиса широко используется в нефтехимической и других отраслях и является одним из самых передовых приборов для измерения расхода в мире на сегодняшний день.

Массовый расходомер Кориолиса популярен в нефтехимической промышленности.

Будучи крупным нефтеперерабатывающим и химическим предприятием, компания Jinxi Petrochemical Company в основном производит бензин, керосин, дизельное топливо, жидкие углеводороды и другие продукты. Кориолисовый массовый расходомер надёжен в процессе измерения этих материалов, особенно в процессе измерения заводской продукции, с точностью менее 2 ‰, что повышает точность измерения расхода энергии и материалов компании Jinxi Petrochemical Company, предотвращает ненужные потери и гарантирует сохранность интересов предприятия.

Для предприятий, которым требуются надежные решения для измерения расхода по методу Кориолиса, такие компании, как Silver Automation Instruments (silverinstruments.com), предлагают комплексные линейки продукции для измерения массового расхода, разработанные с учетом строгих требований нефтехимической промышленности.

Silverinstruments.com предлагает полную линейку кориолисовых расходомеров

Принципы работы и основные преимущества кориолисовых массовых расходомеров

1.1 Принцип действия массового расходомера Кориолиса

Кориолисовый массовый расходомер (CMF) — это прямой массовый расходомер, использующий принцип силы Кориолиса, которая пропорциональна массовому расходу, создаваемому жидкостью во вращающейся системе при движении по прямой.

Как показано на рисунке 1, когда частица массой m движется со скоростью υ в трубопроводе, вращающемся с угловой скоростью ω вокруг оси p, частица испытывает две составляющие: ускорение и силу.

Физика, лежащая в основе измерения:

1) Нормальное ускорение, также известное как ускорение центростремительной силы α r, имеет величину, равную ω 2r, направление к оси P;

2) Тангенциальное ускорение α t, также известное как ускорение Кориолиса, имеет величину 2 Ωυ и перпендикулярно α t. Вследствие сложного движения на частицу в направлении α t действует сила Кориолиса Fc=2 Ωυ·м, а трубопровод оказывает на частицу обратную силу - Fc=-2 Ωυ·м.

Когда жидкость с плотностью ρ течет с постоянной скоростью υ во вращающемся трубопроводе, любой участок трубопровода длиной Δ x будет испытывать тангенциальную силу Кориолиса Δ Fc.

Рисунок 1.

Современная реализация силы Кориолиса

Таким образом, путем прямого или косвенного измерения силы Кориолиса, создаваемой жидкостью, протекающей во вращающемся трубопроводе, можно определить массовый расход, что является основным принципом КМП.

Однако создать силу Кориолиса посредством вращательного движения сложно. В настоящее время все изделия генерируются вибрацией трубопровода, что означает, что тонкостенная измерительная трубка с двумя закреплёнными концами возбуждается на резонансной или близкой к резонансной частоте (или на более высокой гармонической частоте) измерительной трубки в её средней точке. Жидкость, протекающая внутри трубки, создаёт силу Кориолиса, вызывая противоположное отклонение передней и задней половин измерительной трубки в средней точке. Величина отклонения измеряется для получения значения массового расхода.

1.2 Преимущества кориолисового массового расходомера

К преимуществам кориолисового массового расходомера в основном относятся следующие аспекты:

(1) Прямое измерение массового расхода с высокой точностью измерений. В отличие от объемных расходомеров (таких как турбинные расходомеры или вихревые расходомеры), требующих компенсации плотности, кориолисовы расходомеры обеспечивают прямое измерение массы с лидирующей в отрасли точностью.

Объемный расходомер, такой как вихревой расходомер, не может напрямую измерять массовый расход.

(2) Широкий спектр измеряемых жидкостей, включая различные жидкости с высокой вязкостью (например, смола, битум, сырая нефть ), суспензии, содержащие твердые частицы, жидкости, содержащие небольшое количество равномерно распределенного газа (содержание газа в пределах 5%), и газы с достаточной плотностью (газы под высоким давлением).

Кориолисовый расходомер для измерения расхода шлама

(3) Амплитуда измерительной трубки мала и может рассматриваться как неподвижный компонент; внутри измерительной трубки нет никаких препятствий или движущихся частей.

(4) Нечувствителен к распределению скорости потока вверх по течению, поэтому нет необходимости в прямых участках трубы вверх и вниз по течению.

(5) Значение измерения расхода нечувствительно к вязкости жидкости, а влияние плотности жидкости на значение измерения расхода минимально.

(6) Массовый расходомер может измерять несколько параметров. Одновременное измерение массового расхода позволяет измерять плотность и температуру жидкости, а также объёмный расход, концентрацию растворённых веществ и содержание различных фаз (или компонентов) в двухфазных жидкостно-твёрдых средах (или несмешивающихся двухкомпонентных жидкостях).

Массовый расходомер Кориолиса может измерять множество параметров.

Реальные приложения и анализ проблем в нефтехимических операциях

В последние годы, в связи с растущим стремлением компании Jinxi Petrochemical Company к контролю затрат и повышению эффективности, требования к измерению расхода энергии и материалов в процессах производства и сбыта также возросли. Компания постоянно наращивает усилия по обновлению и модернизации приборов учета энергии и материалов, включая использование массовых расходомеров для измерения взаимных поставок сырой нефти и материалов для оборудования.

Высокоточные кориолисовые массовые расходомеры используются, в частности, для измерения расхода бензина, керосина, дизельного топлива, сжиженного газа и пропилена. Высококачественные поставщики, такие как Silver Instruments (silverinstruments.com), поддерживают эти внедрения, предлагая надёжные, проверенные на практике решения для кориолисовых расходомеров, специально разработанные для нефтехимической промышленности.

Расходомер Кориолиса может использоваться для измерения расхода бензина, дизельного топлива, сжиженного нефтяного газа, керосина и т. д.

Несмотря на исключительные эксплуатационные характеристики массовых расходомеров, при их эксплуатации могут возникнуть различные проблемы. Однако, основываясь на нашем анализе, мы полагаем, что основными причинами этих проблем в процессе измерения массовыми расходомерами являются неправильная установка расходомеров и влияние физических свойств и параметров измеряемой среды. Другими словами, их можно разделить на две части: влияние внешних факторов, таких как монтаж, и влияние внутренних факторов на физические свойства измеряемой среды.

Внешние факторы, влияющие на эффективность измерения массового расхода

2.1 Важные рекомендации по установке

Пример использования – проблема установки погрузочной платформы:

В 2002 году наливная платформа компании Jinxi Petrochemical была оборудована шестью массовыми расходомерами DN150 (6 дюймов), которые использовались для измерения расхода бензина и дизельного топлива во время налива. В ходе первоначальной эксплуатации один из расходомеров дизельного топлива часто фиксировал кратковременный расход 5–7 тонн без налива.

Как выполнить настройку нулевой точки кориолисового расходомера

Несмотря на многочисленные проверки на месте и корректировки нулевой точки, это явление всё ещё наблюдалось. В конце концов, датчик массового расхода был отсоединён от технологического трубопровода, и было обнаружено, что фланец с одной стороны датчика на 3 см по горизонтали отличается от фланца, соединяющего технологический трубопровод.

В то время монтажная бригада была недостаточно профессиональной, а у начальника участка не было опыта. В данном случае датчик массового расхода был жёстко закреплён, и на него действовали нагрузки от трубопровода. При сильном морском ветре расходомер часто подвергался кратковременному воздействию потока в 5–7 тонн, что влияло на нормальные измерения расходомера.

Правильная установка для обеспечения корректной работы кориолисового расходомера

Таким образом, установка массовых расходомеров и такие факторы, как окружающая среда на объекте, являются основными факторами, влияющими на нормальные измерения кориолисовых массовых расходомеров. Этот случай демонстрирует, как качество установки и окружающая среда критически влияют на работу расходомера, поэтому для успешного внедрения необходимы правильные процедуры установки и рекомендации экспертов.

2.1.1 Анализ воздействия напряжений на трубопровод

В процессе установки датчика, если центр трубопровода, соединяющего датчик расхода, не выровнен (или не параллелен) или температура трубопровода изменяется, напряжение в трубопроводе будет формировать силы давления, растяжения или сдвига, которые воздействуют на совмещение измерительных трубок массового расходомера, вызывая асимметрию датчика обнаружения и приводя к дрейфу нулевой точки.

Стратегии смягчения последствий:

• В ситуациях, когда ситуация не очень серьезная, расходомер необходимо обнулить после установки, чтобы исключить или уменьшить это влияние.
• Если трубопровод сильно смещен, то его может оказаться невозможным обнулить.
• При значительном изменении температуры трубопровода или ее существенном отклонении от температуры установки сила теплового расширения (или сжатия), создаваемая трубопроводом, также будет действовать на датчик расхода, что повлияет на нормальное измерение расходомера.

Поэтому при монтаже массового расходомера необходимо обеспечить совмещение центра трубопровода, подключаемого к датчику расхода. При этом, в случае больших перепадов температур, в трубопроводе можно установить термоизоляционные арматуры.

2.1.2 Управление вибрацией окружающей среды

Пример из реальной практики: Расходомер сырой нефти на установке перегонки нефти Цзиньси представляет собой кориолисовый массовый расходомер, установленный внутри установки, рядом с насосным отделением, что вызывает значительную вибрацию в технологическом трубопроводе. В результате возникают проблемы с показаниями расходомера, что приводит к ненормальной производительности установки.

Реализация решения: В данном случае мы установили опоры на обоих концах расходомера, чтобы снизить воздействие вибрации и обеспечить его нормальную работу.

Лучше иметь опоры на обоих концах расходомера.

Расходомеры массы могут работать в условиях вибрации, но должны быть изолированы от вибрации.

Лучшие практики контроля вибрации:

В случаях высокой вибрации, особенно при сильной вибрации, можно использовать гибкие трубки для соединения с вибрационной трубкой, а опорные рамы – для изоляции вибрации. Однако ещё важнее не допустить совпадения частоты вибрации с рабочей частотой или гармонической частотой массового расходомера. При последовательной или параллельной установке нескольких приборов одной модели вблизи земли, особенно на одной опорной платформе, вибрации рабочих частот между массовыми расходомерами будут влиять друг на друга, вызывая аномальные вибрации, а в тяжёлых случаях – и вовсе приводить к выходу приборов из строя.

2.1.3 Оптимальное расположение датчика массового расхода для установки

Положение и расположение датчика массового расхода также очень важны для нормальной работы расходомера. Остаточные твердые частицы внутри измерительной трубки и накипь на ее стенках могут влиять на точность измерений.

Инструкции по установке:

• Идеальная конфигурация: вертикальный трубопровод, текущий снизу вверх
• Альтернативные конфигурации: определите вертикальную или горизонтальную установку в зависимости от условий вибрации трубопровода и требований к применению.
• Измерение расхода жидкости: избегайте установки в верхних точках системы, чтобы предотвратить скопление газа.
• Измерение расхода газа: избегайте установки в нижних точках системы, чтобы предотвратить накопление конденсата.
• Критическое требование: обеспечить полное заполнение измерительной трубки при любых условиях эксплуатации.

Конечно, в некоторых особых случаях способ установки датчиков массового расхода может быть изменён. Например, в связи с особенностями технологического трубопровода массового расходомера для измерения расхода сырой нефти на нефтехимической перегонной установке Цзиньси, хотя он измеряет жидкости, он монтируется снизу вверх с измерительной трубкой. В этом случае выходное противодавление массового расходомера должно быть высоким для обеспечения заполнения измерительной трубки. В то же время следует уделять внимание проблеме вибрации, чтобы снизить её влияние на показания расходомера.

2.1.4 Влияние установки клапана

Требования к запорным клапанам: Чтобы гарантировать отсутствие потока измеряемой среды при настройке датчика расхода на ноль, необходимо установить запорные клапаны до и после массового расходомера, а также убедиться, что клапаны не протекают.

Расположение регулирующего клапана: Если необходимо установить регулирующий клапан, его следует установить ниже по потоку от массового расходомера, что позволит поддерживать максимально возможное статическое давление массового расходомера, предотвращая возникновение кавитации и мгновенного испарения.

Измерение свойств среды и влияния параметров

2.2.1 Оценка воздействия изменения давления

Пример исследования – проблема измерения сжиженного газа:

На предприятии Jinxi Petrochemical для измерения расхода сжиженного газа используется кориолисовый массовый расходомер, который постоянно демонстрировал значительную погрешность измерения. Была проведена комплексная проверка установки массового расходомера, которая не выявила никаких проблем. Массовый расходомер был отправлен в калибровочный отдел для калибровки, результаты которой были признаны удовлетворительными. Однако после переустановки проблемы с показаниями массового расходомера сохранились.

Рабочее давление жидкости не должно превышать номинального давления расходомера.

Анализ первопричин: В связи с этой ситуацией мы сравнили рабочие параметры полевого расходомера с параметрами процесса калибровки и обнаружили, что давление сжиженного газа на месте составляло 1,6 МПа, в то время как давление среды во время калибровки составляло около 0,3 МПа. Следовательно, изменение давления измеряемой среды повлияло на показания массового расходомера.

Объяснение технического воздействия: Фактически, качественный расходомер должен в первую очередь учитывать, что давление измеряемой среды не должно превышать заданное рабочее давление, а также степень влияния изменений статического давления. Изменения давления влияют на герметичность измерительной трубки и величину эффекта Бурдона, а также на исходное смещение нуля, которое разрушает асимметрию измерительной трубки. Хотя изменение констант прибора и дрейф нуля невелики, их влияние на высокоточные приборы нельзя игнорировать при существенной разнице давления и калибровки во время эксплуатации.

Корреляция эффекта давления:

• Инструменты малого диаметра: высокое соотношение толщины стенки к диаметру минимизирует воздействие давления
• Инструменты большого диаметра: низкое соотношение толщины стенки к диаметру создает значительную чувствительность к давлению

Результаты авторитетных испытаний: Независимые испытания восьми массовых расходомеров продемонстрировали количественно измеримые эффекты давления:

2.2.2 Эффекты изменения средней плотности

Изменение плотности измеряемой среды влияет на качество работы системы измерения расхода, вызывая изменение баланса датчика расхода и, как следствие, смещение нуля. При измерении конкретной жидкости, если обнуление производится в условиях фактической плотности жидкости, изменение плотности во время эксплуатации незначительны, и, как правило, проблем не возникает.

Проблемы многожидкостных трубопроводов: Однако измерение нескольких жидкостей со значительными различиями в плотности на одном трубопроводе может привести к дополнительным ошибкам из-за колебаний нулевой точки, что требует тщательного рассмотрения при проектировании и эксплуатации системы.

2.2.3 Анализ ударного массового расходомера средней вязкости

Массовый расходомер, работающий на основе силы Кориолиса, может измерять широкий диапазон вязкости жидкостей и демонстрирует хорошие измерительные характеристики. Вязкость жидкости может изменять демпфирующие характеристики системы, тем самым влияя на смещение нуля и оказывая определённое влияние на результаты измерения расхода при низких расходах.

Конструктивные особенности: Одним из основных факторов, которые мы учитываем при выборе характеристик и размеров массовых расходомеров в зависимости от условий эксплуатации, является соответствие расчётных потерь давления прибора допустимому диапазону трубопроводной системы. Для достижения оптимальной точности измерений с учётом падения давления максимальный расход следует выбирать максимально возможным в пределах диапазона расхода.

Кривая потери давления/вязкости кориолисового расходомера SH-CMF с сайта silverinstruments.com

Зависимость вязкости от падения давления: падение давления в массовом расходомере увеличивается с ростом вязкости жидкости, а это означает, что увеличение вязкости увеличит потерю давления в приборе. Кориолисовый массовый расходомер, используемый для измерения расхода сырой нефти на установке дистилляции компании Jinxi Petrochemical, полностью учел факторы повышенной вязкости и потери давления в процессе отбора, не влияя на работу технологического оборудования.

Расход/точность/падение давления кориолисового расходомера серии SH-CMF от silverinstruments.com

Передовые решения и будущие разработки

В настоящее время существует множество факторов, влияющих на нормальное качество измерений, производимых качественными расходомерами. Некоторые из них требуют переустановки расходомера, а другие — его полной замены. Это требует комплексного рассмотрения всех аспектов влияющих факторов при выборе качественных расходомеров для обеспечения их нормальной работы.

Требования к техническому обслуживанию и калибровке: На практике существует множество факторов, вызывающих дрейф нуля, таких как монтажные напряжения датчиков, структурная асимметрия измерительных трубок и изменения физических параметров измеряемой жидкости. Это требует регулярной проверки и корректировки нулевой точки.

Технологии нового поколения: В настоящее время, благодаря постоянному совершенствованию измерительных технологий и улучшению характеристик массовых расходомеров, некоторые серии массовых расходомеров предполагают, что их рабочие характеристики на месте эксплуатации должны соответствовать лабораторным условиям. После установки нулевой точки на заводе нет необходимости в корректировке на месте, а также в корректировке после изменения условий процесса. Это позволит сократить количество клапанов, упростить монтаж и снизить трудоемкость обслуживания массовых расходомеров. Кроме того, предполагается, что на показания массовых расходомеров не будут влиять изменения температуры или напряжения в трубопроводе.

Заключение и перспективы отрасли

Кориолисовый массовый расходомер – это относительно точный, надежный, стабильный, эффективный и гибкий прибор для измерения расхода, который найдет широкое применение в нефтеперерабатывающей, химической промышленности и других отраслях. Он также надежно применяется в процессах измерения расхода бензина, керосина, дизельного топлива, жидких углеводородов и других продуктов нефтехимической компании Jinxi Petrochemical, повышая точность измерения расхода энергии и материалов и предотвращая ненужные потери.

Добро пожаловать на сайт silverinstruments.com, чтобы получить решения для измерения массового расхода.

Постоянное совершенствование технологии кориолисовых массовых расходомеров постепенно снижает факторы, влияющие на нормальный процесс измерений, и упрощает требования к техническому обслуживанию. Лидеры отрасли, такие как Silver Instruments (silverinstruments.com), продолжают совершенствовать технологию кориолисовых расходомеров, предлагая комплексные решения для нефтехимических предприятий, стремящихся к высочайшей точности измерений и эксплуатационной надежности.