Hmotnostný prietok na objemový prietok: Sprievodca konverziou pre inžinierov

Petrochemický závod vo východnej Číne prevádzkoval dva prietokomery v sérii na rovnakom zberači nasýtenej pary: vortexový merač po prúde a Coriolisov hmotnostný prietokomer proti prúdu. Celý mesiac sa prístroje navzájom sledovali v rozmedzí dvoch percent. Potom závod presunul parné zaťaženie, tlak v zberači klesol počas víkendu takmer o štyri bary a tieto dva údaje sa rozchádzali o jedenásť percent. Vírový merač, objemové zariadenie, aplikoval pevnú hustotu, ktorá bola naprogramovaná pri uvedení do prevádzky. Coriolisov meter meral hmotnosť priamo. Ani jeden merač nebol chybný. Chyba bola koncepčná: rastlina zaobchádzala s meraním objemu, ako keby to bol hromadný údaj bez opätovného skúmania hustoty.

Každý inžinier, ktorý pracoval s prietokovou inštrumentáciou, sa stretol s nejakou verziou tohto problému. Vzťah medzi hmotnostným prietokom a objemovým prietokom vyzerá klamlivo jednoducho: jedna rovnica, jedna hodnota hustoty. Ale hustota je zriedka taká, ako hovorí štítok. Nesprávna konverzia skresľuje materiálové bilancie, podkopáva účtovanie pary a energie, plytvá energiou a v extrémnych prípadoch môže posunúť proces do nebezpečného prevádzkového stavu.

Tento článok vysvetľuje, čo vám každý prietok vlastne hovorí, ako sa medzi nimi dá previesť, čo sa stane s hustotou v skutočných podmienkach procesu, ktoré technológie prístrojov merajú hmotnosť priamo a ktoré namiesto toho merajú objem a ako si správne vybrať pre svoju službu. Záver dopredu: hmotnostný tok je fyzikálne zachovaná veličina, na ktorej je postavená hospodárnosť a bezpečnosť procesu; objemový prietok je pohodlným zástupcom, ktorý je spoľahlivý len vtedy, keď je hustota známa, stabilná a správne aplikovaná.

Hmotnostný prietok a objemový prietok: Čo vám každé množstvo skutočne hovorí

Hmotnostný prietok je množstvo tekutiny, ktorá prejde daným prierezom za jednotku času. V priemyselnej praxi sa vyjadruje v kilogramoch za hodinu, tonách za hodinu alebo librách za minútu. Hmota sa zachováva v akomkoľvek bežnom procese: nemôže byť vytvorená alebo zničená zmenami tlaku, teploty alebo fázy. Ak sa zdá, že proces stráca alebo naberá na hmotnosti, to, čo v skutočnosti vidíte, je zmena v inventári, nie zmena samotného čísla hmoty.

Objemový prietok je objem tekutiny, ktorá prejde prierezom za jednotku času, v kubických metroch za hodinu alebo v litroch za minútu. Objem nie je zachovaný. Rovnaký kilogram plynu, ktorý zaberá jeden meter kubický pri atmosférickom tlaku, zaberá zlomok tohto objemu pri vyššom tlaku. Čerpadlo, ktoré dodáva konštantný objem na otáčku, bude dodávať veľmi odlišné hmotnostné prietoky v závislosti od hustoty tekutiny, ktorá do neho vstupuje.

Praktický dôsledok je jednoduchý a často prehliadaný: keď je procesná otázka formulovaná ako „koľko materiálu sa vyrába, spotrebúva alebo prenáša“, odpoveď patrí na masovom základe. Keď je otázka „ako rýchlo sa táto nádrž plní“ alebo „aký je prietok v tomto vodovodnom potrubí“, objemový základ je prirodzený a vhodný. Zámena týchto dvoch nie je problémom jednotiek; je to problém významu.

Tieto dve veličiny sú spojené hustotou. Ak chcete získať hmotnostný prietok z objemového prietoku, vynásobte ho hustotou kvapaliny pri prevádzkových podmienkach merača. Ak chcete získať objemový tok z hmotnostného toku, vydeľte ho rovnakou hustotou. Aritmetika je triviálna. Technickým problémom je určiť, ktorá hodnota hustoty sa má použiť, a to je miesto, kde začína väčšina skutočných chýb.

Konverzný vzorec: Jedna rovnica, jeden úlovok

Kde ṁ je hmotnostný prietok, Q je objemový prietok a ρ je hustota tekutiny, vzťah je:

ṁ = Q × ρ , a preto Q = ṁ / ρ

Najprv si prepracujte tekutý príklad. Voda pri 20 °C má hustotu približne 998 kg/m2 ³ . Linka s dĺžkou 20 m ³ /h vody preto unesie 20 × 998 = 19 960 kg/h, čiže takmer 20 ton za hodinu. Pretože hustota vody sa mení s teplotou pomaly, tento prevod zostáva platný roky, keď je teplota stabilná.

Teraz si vezmite príklad plynu. Vzduch s teplotou 25 °C a atmosférickým tlakom má hustotu približne 1,18 kg/m ³ . Dvadsať metrov kubických za hodinu tohto vzduchu sa rovná iba asi 24 kg/h. Ten istý vzduch sa stlačí na 6 bar absolútnych a hustota stúpne na približne 7,1 kg/m ³ ; rovnaký objemový prietok teraz predstavuje asi 142 kg/h. Objemové číslo sa nezmenilo, ale prepravovaná hmota sa zvýšila šesťnásobne. Každý, kto by premenil prvú podmienku s druhou hustotou alebo naopak, by bol mimo o stovky percent.

V tom je háčik v názve tejto časti: prevodný faktor je sám osebe premennou. Pre tekutiny sa mení pomaly. Pre plyny sa mení pri každej zmene tlaku a teploty. Pre paru sa môže dramaticky meniť v miernom rozsahu tlaku.

S dohovormi o podávaní správ je spojený aj druhý háčik. V praxi zemného plynu a stlačeného vzduchu sa prietoky často uvádzajú v bežných metroch kubických za hodinu (Nm ³ /h) alebo štandardné metre kubické za hodinu (Sm ³ /h). Toto nie sú skutočné objemové prietoky v podmienkach linky. Sú to hmotnostné prietoky vyjadrené ako objem, ktorý by plyn zaberal pri pevných referenčných podmienkach: 0 °C a 1,01325 baru pre bežné metre kubické alebo 15 °C alebo 20 °C pri rovnakom tlaku pre štandardné metre kubické. Číslo uvádzané ako 10 000 Nm ³ /h je hmotnostný prietok približne 7 500 kg/h pre typické zloženie zemného plynu, bez ohľadu na skutočný tlak v potrubí. Prepočet medzi skutočným objemom, normálnym objemom a hmotnosťou preto vyžaduje, aby boli správne uvedené referenčné podmienky aj skutočné prevádzkové podmienky.

Hustota: Most, ktorý sa pohybuje

Hustota je hmotnosť na jednotku objemu. Jeho správanie v podmienkach procesu určuje, koľko chýb absorbujete, keď použijete objemové odčítanie ako záskok pre hmotnosť. Rôzne skupiny tekutín sa správajú veľmi odlišne a tento rozdiel riadi celú logiku výberu nástroja opísanú ďalej v tomto článku.

Kvapaliny sú takmer nestlačiteľné, ale tepelne expandujú. Voda stráca zhruba 0,03 percenta svojej hustoty na stupeň Celzia v rozsahu 10 až 60 °C; celé rozpätie od 10 °C do 50 °C mení hustotu asi o 1,2 percenta. Znie to málo a často to tak je. Ale do 1000 m ³ /h vodnej čiary, chyba hustoty 1,2 percenta je 12 ton za hodinu skrytej chyby. Uhľovodíky expandujú viac: ľahká nafta mení hustotu o niečo viac ako 2 percentá medzi 15 °C a 40 °C. Pri preprave kvapalných palív do úschovy je 2-percentná chyba úplne podstatná, a preto sa hustota meria, nie sa predpokladá, v dávkovacích lyžinách.

Plyny sa správajú podľa zákona ideálneho plynu k prvej aproximácii: ρ = P × M / (R × T), kde P je absolútny tlak, T je absolútna teplota, M je molárna hmotnosť a R je univerzálna plynová konštanta. Zdvojnásobenie absolútneho tlaku zdvojnásobí hustotu. Zvýšením absolútnej teploty z 280 K na 320 K sa hustota zníži o 12,5 percenta. Skutočný plyn sa odchyľuje od ideálneho zákona a táto odchýlka je zachytená faktorom stlačiteľnosti Z, ale kvalitatívny záver zostáva nezmenený: hustota plynu sa veľmi mení pri každej zmene tlaku alebo teploty.

Steam je špeciálny prípad. Hustota nasýtenej pary je strmou funkciou tlaku. Medzi 5 bar absolútnym a 10 bar absolútnym sa hustota nasýtenej pary takmer zdvojnásobí, z približne 2,67 na približne 5,15 kg/m ³ . Objemový paromer kalibrovaný na nižší stav podhodnotí hmotnostný prietok takmer o 50 percent, keď nastane vyšší stav.

Vzor je konzistentný. Pre kvapaliny môže byť prijateľná pevná hustota v úzkom teplotnom okne. Pre plyny a paru to prakticky nikdy nie je.

Prečo sú priemyselné procesy postavené na masovom toku

Ak preskúmate inžinierske výpočty, ktoré podporujú typický procesný závod, takmer všetky sú založené na masovom základe. Výnimkou je niekoľko aplikácií, o ktorých sa hovorí v ďalšej časti, v ktorých je objem prirodzenou komerčnou jednotkou. Pochopenie toho, prečo pri meraní prietoku dominuje hmotnosť, vysvetľuje, prečo je výber prístroja často rozhodnutím o priamom meraní hmotnosti alebo jej rekonštrukcii z objemu.

Najjasnejším príkladom je spaľovanie a uvoľňovanie energie. Kotol, pec alebo plynová turbína potrebujú riadený pomer vzduchu a paliva a tento pomer je pomerom hmotností, nie objemov. Zmena tlaku palivového plynu, ktorá zostane nepovšimnutá, zmení množstvo paliva dodaného pre rovnaký objemový údaj, posunie stechiometriu, zmení teplotu plameňa, zvýši emisie a zníži účinnosť. Operátori, ktorí sledujú iba objemový prietok spaľovacieho vzduchu a paliva, sú voči týmto posunom prakticky slepí.

Parné systémy rozvádzajú energiu a energia v pare je prenášaná jej hmotou. Jedna tona nasýtenej pary za hodinu pri tlaku 8 barov uvoľní pri kondenzácii rádovo dve tretiny megawattu užitočného procesného tepla. 10-percentná chyba v odčítaní hmotnostného prietoku pary je preto 10-percentná chyba v energetickej bilancii zariadenia, ktorá sa objaví ako nevysvetliteľná medzera v správach o účinnosti kotla alebo v bilancii vratného kondenzátu.

Stechiometria chemickej reakcie poskytuje tretí dôvod. Nástrek reaktora tvorený dvoma oddelenými prúdmi sa mieša podľa molárnych pomerov. Mole sú hmotnosť delená molekulovou hmotnosťou. Ak prívodný systém odmeria jednu zložku objemovo a hustota sa posunie, molárny pomer sa zmení a reaktor môže produkovať produkt nespĺňajúci špecifikácie, stratiť drahý katalyzátor alebo umožniť nebezpečné vedľajšie reakcie.

Materiálové bilancie, účtovanie výnosov a kontrola strát tiež vyžadujú hmotnosť. Závod, ktorý uzatvára mesačné hmotnostné bilancie, používa súčty na zistenie únikov, krádeží, porúch procesov a účtovných chýb. Tieto rovnováhy zosúlaďujú hmotnosti, nie objemy, pretože sa zachováva iba hmotnosť. Objemové odčítanie, ktoré vstupuje do váhy bez platnej hustoty, vytvára fantómové zisky alebo straty, ktoré si vyžadujú dni skúmania.

Nakoniec sú bezpečnostné systémy dimenzované na hmotnosť. Pretlakové ventily a spínacie hlavice musia zvládnuť hmotnostný tok, ktorý môže vytvoriť najhorší vierohodný scenár. Dimenzovanie odľahčovacích zariadení z objemových údajov bez presnej hustoty je rýchlou cestou k poddimenzovanému reliéfnemu systému a vážnej medzere vo vrstvách ochrany zariadenia.

Keď je objemový prietok tým správnym meradlom

Hmotnostný prietok nie je vždy množstvo, ktoré potrebujete. Rozpoznanie legitímnych volumetrických aplikácií zabraňuje nadmerným výdavkom na hromadné prístroje a udržuje inžinierstvo čestné.

Vodné a odpadové siete sú najväčšou kategóriou. Distribučné systémy sú účtované podľa objemu, nádrže sú dimenzované podľa objemu a krivky čerpadiel sú publikované na základe objemu. Zmeny hustoty vody v normálnom prevádzkovom rozsahu sú dostatočne malé na to, aby sa ignorovali pre všetky okrem najprísnejších hmotnostných bilancií. Rozvody komunálnej vody, chladiacej vody a odpadovej vody dobre obsluhujú elektromagnetické alebo ultrazvukové merače s priamym odčítaním objemu.

Druhú kategóriu tvorí dávkové plnenie a dávkovanie. Keď je cieľom naplniť nádobu na určitú úroveň alebo dodať definovaný objem kvapaliny do reaktora, cieľom procesu je samotné odčítanie objemu. Hmotnosť vsádzky sa môže vypočítať dodatočne z hustoty pripravenej zmesi.

Treťou kategóriou je tok plynu v službách, kde sa kontroluje tlak a teplota. Systémy stlačeného vzduchu, ktoré fungujú z prijímača pri regulovanom tlaku, majú takmer konštantnú hustotu po celé hodiny. Turbínový merač alebo vortexový merač s jedinou nastavenou hodnotou hustoty môže poskytnúť úplne adekvátne monitorovacie informácie pre sieť vzduchových kompresorov.

Prietokomer s plynovou turbínou série LWQ pre stabilné prietoky suchého plynu Tento turbínový merač, skonštruovaný pre čisté, suché plyny za ustálených podmienok, poskytuje opakovateľné objemové údaje s nízkou tlakovou stratou a podporuje kompenzovaný prietok v kombinácii so snímačmi teploty a tlaku. Zobraziť produkt →

Pre čistý, suchý tok plynu za ustálených podmienok demonštruje prietokomer s plynovou turbínou LWQ od VNER hodnotu jednoduchého merania: nízka tlaková strata, opakovateľné odčítanie objemu a minimálna údržba. Keď proces zaručuje stabilný tlak a teplotu, jediná hodnota hustoty použitá v riadiacom systéme prevedie tento údaj objemu na hmotnosť s prijateľnou presnosťou na účely monitorovania. Kľúčovou frázou sú „stabilné podmienky“. V momente, keď sa zmení tlak prívodu plynu, konverzia na jednu hustotu prestane platiť.

Meranie hmotnosti priamo pomocou Coriolisových prietokomerov

Keď sú náklady na chybu hustoty vysoké, najčistejším riešením je priamo merať hmotnosť. Coriolisov prietokomer je priemyselný štandard pre priame meranie hmotnosti.

Ako funguje Coriolisov meter

Coriolisov meter obsahuje jednu alebo dve zakrivené alebo rovné trubice, cez ktoré preteká kvapalina. Elektrónky sú rozvibrované pri ich vlastnej frekvencii elektromagnetickým budičom. Keď sa kvapalina pohybuje cez vibrujúcu trubicu, dochádza k nej Coriolisovo zrýchlenie, ktoré deformuje osciláciu trubice spôsobom, ktorý je úmerný hmotnostnému prietoku. Senzory v dvoch bodoch na trubici detegujú tento fázový posun a prevedú ho na hmotnostný údaj. Fyzika merania nezávisí od hustoty, teploty, tlaku alebo prietokového profilu kvapaliny, čo robí technológiu vo svojej podstate založenú na hmotnosti.

Rovnaká oscilačná frekvencia tiež odhaľuje hmotu vo vnútri trubice, čo dáva meraču ako vedľajší produkt kontinuálny výstup hustoty. Tento výstup hustoty je často presný na niekoľko desatín percenta a môže byť použitý na monitorovanie koncentrácie, na detekciu zmeny produktu alebo na premenu nameraného hmotnostného prietoku na objemový prietok v podmienkach linky.

Silné stránky a obmedzenia v praxi

Silné stránky Coriolisových meračov vysvetľujú ich rozšírené použitie pri preprave do úschovy a kritických procesných službách: žiadne pohyblivé časti, žiadne požiadavky na priame vedenie v smere toku alebo v smere toku, široký prevod a typická presnosť 0,1 až 0,2 percenta rýchlosti v dobre používaných priemyselných meradlách. Sú rovnako doma s kvapalinami, kalmi a hustými plynmi.

Obmedzenia sa týkajú menej merania a viac aplikácie: Coriolisov merač vytvára pokles tlaku, pretože prietok je vytlačený cez obmedzenie; náklady prudko rastú s veľkosťou linky; a teleso merača musí byť správne podopreté, aby sa zabránilo prenosu vonkajších vibrácií do merania. Pri vysokoteplotných službách je potrebná starostlivá špecifikácia materiálu prietokovej trubice a elektroniky.

Coriolisov hmotnostný prietokomer AC série na priame meranie hmotnosti a hustoty Tento Coriolisov meter poskytuje skutočný hmotnostný prietok, hustotu a teplotu z jedného prístroja, vďaka čomu je vhodný na dávkovanie chemikálií a riadenie procesov tam, kde predpoklady hustoty zlyhávajú. Zobraziť produkt →

Hmotnostný prietokomer Coriolis AC série od VNER ilustruje praktický tvar tejto technológie v moderných zariadeniach. Poskytuje skutočné odčítanie hmotnosti, odčítanie hustoty a odčítanie teploty z jedného prístroja a bežne sa špecifikuje pre aplikácie na dávkovanie chemikálií, riadenie procesov a meranie paliva, kde je známe, že predpoklad hustoty je nesprávny. Podrobnejšie vysvetlenie princípu merania je k dispozícii tu článok o tom, ako fungujú Coriolisove hmotnostné prietokomery .

Pre inžiniera, ktorý sa zaoberá nezrovnalosťou v parnom potrubí opísanou na začiatku tohto článku, Coriolisov merač eliminuje problém pri jeho zdroji: nepredpokladá sa žiadna hustota, pretože žiadna nie je potrebná na výpočet hmotnosti. Ak sa neskôr na vykazovanie vyžaduje objemové číslo, výstup hustoty meradla vykoná spätnú konverziu. Jeden nástroj pokrýva oba smery vzťahu medzi hmotnosťou a objemom.

Meranie objemu s kompenzáciou teploty a tlaku

Coriolisove merače sú ekonomicky opodstatnené pre mnohé aplikácie, ale nie pre všetky. Veľké vodné potrubie, rozsiahla rozvodná sieť vzduchu alebo proces, pri ktorom je požadovaná presnosť niekoľko percent, nepotrebuje hromadný merač, ktorý stojí mnohonásobne viac ako alternatíva. V týchto službách je bežným riešením objemový meter plus výpočet hustoty.

Koncept je jednoduchý: merač meria objem, dva alebo tri vysielače merajú skutočný tlak a teplotu v merači a prietokový počítač alebo riadiaci systém vypočítava hustotu z týchto hodnôt. Pre plyn je výpočet:

ṁ = Q × P × M / (Z × R × T)

s P a T nameranými v mieste merača a prepočítanými na absolútne jednotky. Pre paru hustota pochádza z formulácie parnej tabuľky s použitím nameraného tlaku pre nasýtenú paru alebo tlaku a teploty pre prehriatu paru.

Aký dobrý je tento prístup? S dobre udržiavaným vortexom alebo vírivým meračom, tlakovým vysielačom kalibrovaným na lepšie ako 0,5 percenta rozpätia, teplotnou sondou s chybou pod jeden kelvin a zložením kvapaliny, ktoré zostáva konštantné, je výsledná neistota hmotnostného prietoku zvyčajne v rozsahu 1,5 až 3 percentá odčítanej hodnoty. To je primerané pre interné monitorovanie efektívnosti, rozdelenie medzi procesné jednotky a väčšinu regulačných správ. Nie je vhodný na prevod do úschovy, kde sa bežne vyžadujú neistoty rádovo 0,5 percenta.

Na predpokladoch záleží. Kvapalina musí byť jednofázová a homogénna: mokrá para úplne preruší výpočet hustoty. Tlak použitý pri výpočte musí byť tlak v objemovom prvku, nie v mieste odberu päťdesiat metrov po prúde za regulačným ventilom. Snímač teploty musí byť vložený do správnej hĺbky. A zloženie treba overiť, pretože molárna hmotnosť M sa objavuje priamo vo vzorci hustoty.

Vírivý prietokomer série SA80T-TP s integrovanou kompenzáciou Tento vírivý prietokomer integruje snímače teploty a tlaku do jedného tela, čo umožňuje kompenzáciu hustoty v reálnom čase pre výstup hmotnostného prietoku v aplikáciách merania energie pary a stlačeného plynu. Zobraziť produkt →

VNER rieši integračnú výzvu svojim vírivým prietokomerom série SA80TTP s kompenzáciou teploty a tlaku. Vírový merač meria objemový prietok cez precesiu víru a variant SA80TTP pridáva integrovaný tlakový port a snímač teploty v rovnakom tele, takže výpočet kompenzácie využíva skutočné podmienky procesu v bode merania. Jeden prístroj sa pripája do vedenia a poskytuje kompenzovaný výstup hmotnostného prietoku bez obvyklej spleti samostatne namontovaných vysielačov a impulzných vedení. V službách, ako je distribúcia nasýtenej pary a siete stlačeného plynu, sa tento typ elektromerov stal ťahúňom účtovníctva energie v závode.

Ako si vybrať: Priama hmotnosť alebo kompenzovaný objem

Výber medzi priamym meraním hmotnosti a meraním objemu s kompenzáciou sa redukuje na malý súbor otázok. Odpovedaním na ne pred nákupom predchádzate dvom najčastejším chybám v špecifikácii: nákupom merača hmotnosti pre službu, ktorá ho nepotrebuje, a nákupom obyčajného objemového merača pre službu, ktorá ho potrebuje.

1. Čo je to kvapalina a ako veľmi sa môže zmeniť jej hustota v prevádzkovom obale? Voda pri stabilnej teplote: takmer nulové riziko. Sýta para od 3 do 10 barov: obrovská.
2. Akú presnosť vlastne aplikácia vyžaduje? 5-percentná tolerancia pre monitor spaľovacieho vzduchu kotla je iná ako 0,3-percentná požiadavka na zaťaženie produktu.
3. Aký je dôsledok omylu? Skreslené správy a neefektívnosť sú jedna vec; iný je výpočet poddimenzovanej úľavy alebo zamietnutý prevod do úschovy.
4. Aké sú celkové náklady na vlastníctvo, vrátane straty tlaku, kalibrácie a údržby, nielen nákupná cena?

Do procesu špecifikácie patria dve ďalšie kritériá. Po prvé, schopnosť kalibrácie: hmotnostný merač je len taký dobrý ako kalibračná slučka, na ktorej bol overený. Po druhé, technická podpora: dodávateľ, ktorý dimenzuje prístroje na základe skutočných procesných údajov, a nie na základe katalógovej tabuľky, je oveľa pravdepodobnejšie, že dodá meradlo, ktoré spĺňa jeho uvedenú presnosť v prevádzke. VNER popisuje svoj inžiniersky orientovaný prístup k dimenzovaniu na svojom O stránke a praktická hodnota sa zobrazí v detailoch, ako je výber správnej sekcie prietoku, nastavenie obmedzenia nízkeho prietoku a špecifikácia správneho modelu hustoty pre výpočet kompenzácie.

Spracované príklady: Konverzia objemu na hmotnosť v reálnych službách

Číselné príklady ukotvujú pojmy. Nasledujúce tri prípady predstavujú najbežnejšie konverzné úlohy v prevádzkovej praxi.

Nasýtená para

Vírový merač na potrubí nasýtenej pary ukazuje 8 000 m ³ /h pri 7 bar absolútne. Teplota nasýtenia je približne 165 °C a hustota parného stola je 3,67 kg/m ³ . Hmotnostný prietok je 8 000 × 3,67 = 29 360 kg/h. Ak by si rastlina udržala pevnú hustotu 2,16 kg/m ³ zo skoršieho prevádzkového bodu 4 bary by bol vypočítaný hmotnostný prietok 17 280 kg/h, čo je podhodnotenie skutočnej hmotnosti o 41 percent. Parná bilancia postavená na tomto čísle by ukázala obrovskú, nemožnú stratu.

Zemný plyn pri zvýšenom tlaku

Plynomer DN100 vedie zemný plyn s absolútnym tlakom 20 bar a 25 °C. Priemerná rýchlosť je 10 m/s. Plocha prierezu je π × (0,1)² / 4 = 0,00785 m², takže objemový prietok je 10 × 0,00785 × 3 600 = 283 m ³ /h Pri molárnej hmotnosti 17,2 kg/kmol, faktore stlačiteľnosti Z 0,92 pri 20 baroch a 25 °C a univerzálnej plynovej konštante 8 314 J/(kmol·K) je hustota (20 × 10⁵ × 17,2) / (0,92 × 8 314 kg/m 17,2) 298,2 ³ . Hmotnostný prietok je 283 × 15,1 = 4 273 kg/h. V bežných kubických metroch je to 4 273 / 0,72 ≈ 5 900 Nm ³ /h Chybou, ktorej sa treba vyhnúť, je vynásobenie skutočného objemu normálnou hustotou: 283 × 0,72 = 204 kg/h, čo je chyba viac ako 95 percent.

Kvapalný uhľovodík pri teplej teplote

Turbínový meter meria 120 m ³ /h nafty pri 35 °C. Hustota pri 15 °C je 840 kg/m ³ ; pri 35 °C je to približne 824 kg/m ³ . Skutočný hmotnostný prietok je 120 × 824 = 98 880 kg/h. Použitie pevnej hustoty 15 °C by poskytlo 100 800 kg/h, čo je nadhodnotenie o 1,9 percenta. Mesačný prenos viac ako 10 000 ton, to je zhruba 190 ton fakturačnej chyby v jednom alebo druhom smere v závislosti od hustoty, ktorú vyžaduje obchodná zmluva.

Bežné úskalia, ktoré sa prejavujú pri auditoch a odstraňovaní problémov

Roky auditov závodu odhaľujú rovnaké chyby konverzie, ktoré sa opakujú na rôznych miestach. Keď ich spoznáte, je ľahké im predchádzať.

• Pevná hustota naprogramovaná pri uvedení do prevádzky a nikdy sa nevracia. Najčastejší zdroj chýb v paroplynových službách. Prevádzkový tlak stúpa nahor, nasleduje hustota kvapaliny a údaj o hmotnosti zostáva ukotvený na starej hodnote.
• Pretlak používaný tam, kde sa vyžaduje absolútny tlak. Rovnica hustoty je postavená na absolútnom tlaku. Použitie pretlaku v procese s tlakom 7 bar preháňa hustotu približne o 14 percent, pretože chýba atmosferická základná línia.
• Referenčné podmienky zmiešané pri podávaní správ. Normálne metre kubické (0 °C, 1,01325 baru) a štandardné metre kubické (15 °C alebo 20 °C) vyzerajú na štítku DCS podobne, ale rozdiel medzi nimi je asi 5 percent hmotnosti pri rovnakej číselnej hodnote.
• Tlak nameraný na nesprávnom mieste. Keď je vysielač za regulačným ventilom alebo sitom, výpočet hustoty používa tlak, ktorý nepredstavuje kvapalinu v meracom prvku.
• Kompozičný posun bol ignorovaný. Bioplyn, vyhnívací plyn a rafinérsky palivový plyn časom menia zloženie. Pevná molárna hmotnosť vo výpočte hustoty ticho skresľuje hmotnostný tok.
• Mokrá para spracovaná ako nasýtená para. Para s 90 percentnou kvalitou má zhruba o 10 percent nižšiu hustotu ako čistá nasýtená para pri rovnakom tlaku. Použitie tabuľkovej hodnoty čistej pary nadhodnotí hmotnostný prietok asi o 10 percent.
• Faktor stlačiteľnosti Z pri zvýšenom tlaku vynechaný. Pri 60 baroch má väčšina uhľovodíkových plynov hodnoty Z medzi 0,85 a 0,92. Nastavenie Z rovné 1 pridáva 8 až 15 percent chyby nad každý iný výpočet.

Každá z týchto úskalí má spoločný koreň: inžinier, ktorý zostavil výpočet, predpokladal, že hustota sa nemení. Opravou je zaobchádzať s hustotou ako so živou premennou a pravidelne ju overovať.

V praxi overená metóda na dosiahnutie správnej konverzie

Premeňte tieto koncepty na opakovateľný pracovný postup. Nasledujúca sekvencia bola testovaná pri uvádzaní do prevádzky, odstraňovaní problémov a auditoch v desiatkach závodov.

1. Zistite, čo nástroj skutočne vydáva. Prečítajte si štítok glukomera, príručku a konfiguráciu DCS. Niektoré merače označené ako "prietok" výstupný objem; ostatné výstupná hmotnosť; nejaký výstup oboje. Pred vykonaním akejkoľvek matematiky potvrďte.
2. Definujte stav tekutiny na merači. Zaznamenajte teplotu, absolútny tlak na meracom prvku, fázu a zloženie v čase overovania.
3. Vyberte zdroj hustoty zodpovedajúci kvapaline. Pre kvapalinu pri stabilnej teplote stačí tabuľka hustoty. Pre plyn použite stavovú rovnicu s realistickým Z faktorom. V prípade pary použite schválenú formuláciu na prípravu pary s nameraným tlakom alebo teplotou.
4. Konvertujte a krížovo skontrolujte. Vynásobte objemový prietok zvolenou hustotou, aby ste získali hmotnostný prietok. Ak je to možné, porovnajte výsledok s hmotnostnou bilanciou na úrovni závodu, váhou alebo druhým prístrojom iného princípu.
5. Automatizujte konverziu. Manuálne konverzie v tabuľkových procesoroch spôsobujú chyby v prepise a zriedkavo sa opakujú v správnej frekvencii. Vložte výpočet hustoty do prietokového počítača alebo DCS so vstupmi aktuálneho tlaku a teploty.
6. Správa v jednotke, ktorú podnik potrebuje. Hmotnosť pre materiálovú bilanciu, normálny objem pre zmluvy o plyne, skutočný objem pre kapacitu potrubia. Vedľa čísla uveďte referenčnú podmienku.
7. V pravidelných intervaloch znova overujte. Kalibrujte snímače tlaku a teploty podľa rovnakého plánu ako samotný prietokomer. Kompenzovaný objemový systém je len taký presný, ako je jeho najmenej presný vstup.

Pre kvapalinu so stabilnou hustotou s miernym cieľom presnosti trvajú kroky 3 a 4 minúty. Pre plynovú alebo parnú sieť s premenlivými podmienkami rovnaké kroky odôvodňujú investíciu do kompenzačného hardvéru alebo do priameho hmotnostného merača, ktorý úplne odstraňuje problém s hustotou.

Vráťte sa ešte raz na dva metre na parnom potrubí. Rastlina mohla zvládnuť túto nezrovnalosť tromi spôsobmi: prekalibrovať vortexometer a znova zadať jeho pevnú hustotu, čo je krátkodobá náplasť; nainštalujte kompenzáciu tlaku a teploty na objemovom merači, čo je trvalé riešenie pre presnosť monitorovania; alebo ho nahraďte Coriolisovým hmotnostným meračom, ktorý je definitívnym riešením, keď je kritická presnosť hmotnosti. Všetky tri sú legitímne inžinierske odpovede. Ten správny závisí od účelu merania.

To je hlavná myšlienka tohto článku. Prepočet z hmotnostného prietoku na objemový prietok je jedno násobenie a naopak je jedno delenie. Náročnosť nie je aritmetika; je to hustota. Procesný inžinier, ktorý pozná skutočnú hustotu v merači, ktorý rozumie tomu, ako tlak, teplota a zloženie hýbu touto hustotou, a ktorý si vybral prístroj, ktorý buď meria hmotnosť priamo, alebo dodáva údaje na jej rekonštrukciu, bude deň čo deň produkovať dôveryhodné čísla. Nástroje, ktoré sú dnes k dispozícii, majú vynikajúcu diagnostiku, ale nedokážu kompenzovať koncepciu, ktorá bola chybná v deň, keď bola nakonfigurovaná.

Spoločnosť VNER vyrába obe rodiny prístrojov, od hmotnostných prietokomerov Coriolis série AC až po kompenzované vírivé a vírové merače, a jej inžinieri bežne pomáhajú dodávateľom EPC, operátorom zariadení a OEM rozhodnúť, ktorý prístup vyhovuje danému procesu. Rozhodnutie začína, ako by malo, jedinou otázkou o závode: čo tento proces potrebuje vedieť, hmotnosť alebo objem?