Расчет размеров металлических трубчатых ротаметров для сверхчистой воды и азота

Быстрый ответ

Расширение нефтехимического завода на Тайване потребовало установки четырех ротаметров с металлическими трубками для двух режимов работы. Два устройства размером DN25 и DN20 (1 дюйм и 3/4 дюйма) должны были иметь корпуса из нержавеющей стали 316 с тефлоновым покрытием, выход HART 4-20 мА и защиту NEMA 4X или IP65 для измерения сверхчистой воды со скоростью 0-250 кг/ч и азота со скоростью 0-50 Нм³/ч. Четвертая линия требовала только локальной индикации, поэтому в спецификации был указан ротаметр с прозрачной ПВХ-трубкой для измерения скорости 0-7 Нм³/ч. Компания Silver Automation Instruments производит обе конфигурации на одной и той же платформе ротаметров с металлическими трубками HH50, обеспечивая точность ±0,5% от диапазона измерений.

Предыстория: Один проект расширения, четыре точки потока, две жидкости.

Этот случай взят из реального комплекта оборудования для расширения нефтехимического завода на Тайване. Проект предусматривал четыре ротаметра на четырех отдельных метках. Два из них работали с ультрачистой водой и азотом, обеспечивая полную выходную мощность передатчика. Два других были предназначены для работы с азотом: один требовал выхода HART для интеграции с DCS, а другой — только локального масштабирования.

Такое сочетание характерно для проектов расширения существующих промышленных зон. На контрольно-измерительные приборы для инженерных сетей редко выделяется такой же бюджет, как и на технологические линии. Инженер, рассчитывающий размеры четырех ротаметров для одного проекта, часто в итоге указывает два или три разных уровня производительности, а не один стандартный прибор, повторяющийся четыре раза.

Мы много раз наблюдали подобную ситуацию на нефтехимических и химических заводах по производству волокна на Тайване и в Юго-Восточной Азии. Новая производственная линия требует тщательного мониторинга с использованием HART-контроллера 4-20 мА для отслеживания тенденций в системе DCS. В то же время для линии продувки или вентиляции, которую оператор проверяет только проходя мимо, устанавливается более дешевый локальный считывающий блок, вообще без электроники.

Применение 1: Ротаметр с металлической трубкой DN25 для сверхчистой воды, 0-250 кг/ч

В первом варианте требовался ротаметр с металлической трубкой диаметром 1 дюйм (DN25) для линии подачи сверхчистой воды (СПВ), установленный в линию, с вертикальным потоком снизу вверх. Корпус и поплавок были изготовлены из нержавеющей стали 316 с тефлоновым покрытием и соединены фланцем RF диаметром 1 дюйм (150#). Поскольку СПВ легко загрязняется, материал трубки, который не будет выделять частицы или выщелачивать ионы в поток, здесь имеет большее значение, чем в типичном применении для технологической воды.

Нормальный расход был установлен на уровне 150 кг/ч, с максимальным значением 250 кг/ч. В объемном выражении, при удельной плотности 1000 кг/м³, это составляет примерно от 0,15 до 0,25 м³/ч, или около 0,66–1,1 галлонов в минуту. Это небольшая линия по нефтехимическим меркам, и именно с такой нагрузкой хорошо справляется ротаметр с металлической трубкой, поскольку устройства со стеклянной трубкой не рассчитаны на рабочее давление, указанное здесь.

Рабочее давление достигало 5 кг/см²G (около 4,9 бар, или 71 psi) при нормальном режиме работы 3 кг/см²G (43 psi), а температура превышала 60°C (140°F). Технические характеристики допускали падение давления на расходомере до 0,5 кг/см²G (0,49 бар, 7,1 psi), что типично для ротаметра с металлической трубкой такого размера и диапазона расхода. Выходной сигнал составлял 4-20 мА с использованием HART, питание контура осуществлялось от 24 В постоянного тока, корпус соответствовал стандарту NEMA 4X или IP65, а номинальная точность составляла ±0,5% от диапазона.

Применение 2: Ротаметры с металлическими трубками DN20 для контроля концентрации азота, 0-50 Нм³/ч

В рамках этого проекта были установлены два прибора, выполнявшие практически идентичную функцию измерения расхода азота : оба на трубах диаметром 3/4 дюйма (DN20) с фланцами 3/4 дюйма 150# RF, корпусами из нержавеющей стали 316 с тефлоновым покрытием, а также с тем же выходом HART 4-20 мА и корпусом NEMA 4X/IP65, что и измеритель UPW. Диапазон измерения расхода составлял 0-50 Нм³/ч, что примерно соответствует 29,4 SCFM, при нормальной рабочей точке 15 Нм³/ч (8,8 SCFM).

Подобные линии для создания защитного слоя азота и продувки постоянно встречаются на нефтехимических заводах. Для создания защитного слоя в резервуарах, продувки приборов и подачи уплотнительного газа используется один и тот же распределительный коллектор, и каждая ветка обычно получает свой собственный локальный индикатор расхода, чтобы операторы могли убедиться, что нужное количество газа поступает туда, куда необходимо.

Плотность газа имеет значение для выбора размера ротаметра, в отличие от плотности газа, используемого в жидкостях. В данной спецификации указана молекулярная масса 28, что соответствует азоту, и вязкость 0,01 сП. Ротаметр, откалиброванный по другому газу или другому эталонному давлению, будет показывать неверные показания, иногда со значительным отклонением, поэтому поплавок и шкала здесь нуждались в калибровке по фактическому рабочему газу и заявленному максимальному рабочему давлению 5 кг/см²G (71 psi) и нормальному рабочему давлению 2 кг/см²G (28 psi). Максимальная температура снова составляла 60°C (140°F), при нормальной работе при комнатной температуре.

Применение 3: Ротаметр с прозрачной ПВХ-трубкой DN20, только для локальной индикации, 0-7 Нм³/ч

Четвертый датчик был исключением. Он имел тот же диаметр трубки 3/4 дюйма (DN20) и радиочастотное соединение 3/4 дюйма 150#, что и два вышеупомянутых HART-датчика, но не имел никакого выходного сигнала передатчика, только локальные показания шкалы. Материал трубки и поплавка был заменен с нержавеющей стали 316 с тефлоновой облицовкой на прозрачный ПВХ. Диапазон расхода снизился до 0-7 Нм³/ч, примерно до 4,1 SCFM, а номинальное давление также уменьшилось: 5 кг/см²G (71 psi) максимум, но всего 1 кг/см²G (14 psi) при нормальной работе.

Это распространенный способ экономии средств на менее важных ответвлениях трубопровода. Ротаметр с прозрачной ПВХ-трубкой стоит значительно дешевле, чем передатчик HART из нержавеющей стали, и для трубопровода, на который оператору достаточно лишь взглянуть во время осмотра, это часто является оптимальным решением. Однако ротаметры с ПВХ-трубками имеют более низкие пределы давления и температуры, чем устройства с металлическими трубками, поэтому рабочее давление на этом ответвлении должно оставаться значительно ниже номинального значения трубки, а не просто в пределах расчетного давления технологического процесса.

Краткое описание технических характеристик

Почему ротаметр был необходим в этих четырех случаях

Ни для одной из этих четырех точек измерения расхода не требовалась точность или повторяемость, которые оправдали бы использование кориолисового или электромагнитного расходомера. Дозирование сточных вод с расходом менее 1,1 галлона в минуту и ​​расход азотных соединений менее 30 стандартных кубических футов в минуту находятся в диапазоне, где точность ротаметра с металлической трубкой ±0,5% от диапазона более чем достаточна, и где важна более низкая стоимость установки.

Компромисс стоит назвать честно. Показания ротаметра зависят от плотности проходящей через него жидкости. Изменение газа, значительное изменение давления или изменение удельной плотности жидкости — калибровка перестает действовать, если прибор не был подобран и откалиброван для этих конкретных условий. Именно поэтому в этом проекте для каждого прибора указывались свои параметры жидкости, давления и температуры, а не использовалась одна калибровка для всех четырех.

Для точек, где показания расхода передаются в систему DCS или регистрируются в пакетном журнале, мы рекомендуем выход HART 4-20 мА, как указано на трех из четырех представленных здесь этикеток. Для линий продувки или вентиляции, где достаточно быстрой визуальной проверки, версия с прозрачной трубкой и только локальной индикацией позволяет снизить стоимость, не жертвуя при этом необходимыми для приложения характеристиками.