الأدوات

أجهزة قياس تدفق البخار الدقيق، بما في ذلك خلايا الضغط التفاضلي ومعدات جمع وتحليل البيانات. يغطي أيضًا الاعتبارات الخاصة مثل تأثيرات تغير الضغط وكسر جفاف البخار والتسخين الزائد.

****يتكون مقياس تدفق البخار من جزأين:

1. العنصر “الأساسي” أو وحدة الأنبوب، مثل لوحة الثقب، المثبت في تدفق البخار.
2. العنصر “الثانوي”، مثل خلية الضغط التفاضلي، التي تحوّل أي إشارات إلى شكل قابل للاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، يوجد شكل من معالج إلكتروني يمكنه استقبال ومعالجة وعرض المعلومات. قد يستقبل هذا المعالج أيضًا إشارات إضافية للضغط و/أو درجة الحرارة لتمكين حسابات تعويض الكثافة.

يُظهر الشكل 4.4.1 نظامًا نموذجيًا.

خلايا الضغط التفاضلي (خلايا DP)

إذا كانت وحدة الأنبوب جهاز قياس ضغط تفاضلي، على سبيل المثال مقياس تدفق لوحة ثقب أو أنبوب بيتو، وكانت هناك حاجة إلى إشارة إلكترونية، فسيكون العنصر الثانوي خلية ضغط تفاضلي (DP أو ΔP). ستُحوّل هذه إشارة الضغط إلى إشارة كهربائية. يمكن بعد ذلك ترحيل هذه الإشارة إلى معالج إلكتروني قادر على قبول هذه الإشارات ومعالجتها وتخزينها حسبما يتطلبه المستخدم. خلية DP نموذجية هي جهاز سعة كهربائية، يعمل بتطبيق ضغط تفاضلي على جانبي غشاء معدني مغمور في زيت عازل. يُشكل الغشاء لوحة واحدة للمكثف، وجوانب جسم الخلية تُشكل الألواح الثابتة. حركة الغشاء الناتجة عن الضغط التفاضلي تُغيّر الفصل بين الألواح، وتُغيّر السعة الكهربائية للخلية، مما يُنتج تغييرًا في إشارة الخرج الكهربائية.

درجة حركة الغشاء متناسبة مباشرة مع فرق الضغط.

تُغذّى إشارة الخرج من خلية القياس إلى دائرة إلكترونية حيث تُضخَّم وتُقوَّم إلى إشارة تناظرية 4-20 مللي أمبير مستمرة تعتمد على الحمولة. يمكن بعد ذلك إرسال هذه الإشارة إلى مجموعة متنوعة من الأجهزة لـ:

• توفير مؤشر معدل التدفق
• تُستخدم مع بيانات أخرى لتكوين جزء من إشارة التحكم. تعتمد تعقيدات هذه الأجهزة على نوع البيانات التي يرغب المستخدم في جمعها. خلايا DP متقدمة ****أدى تقدم الإلكترونيات الدقيقة والسعي نحو أنظمة تحكم أكثر تعقيدًا إلى تطوير خلايا ضغط تفاضلي أكثر تقدمًا. بالإضافة إلى وظيفة قياس الضغط التفاضلي الأساسية، يمكن الآن الحصول على خلايا يمكنها:
• الإشارة إلى الضغط الفعلي (المختلف عن التفاضلي).
• القدرة على الاتصال، على سبيل المثال HART® أو Fieldbus.
• مرافق المراقبة الذاتية أو التشخيص.
• “ذكاء على اللوحة” يسمح بإجراء حسابات وعرضها محليًا.
• قبول مدخلات إضافية، مثل درجة الحرارة والضغط. جمع البيانات ****تتوفر طرق عديدة مختلفة لجمع ومعالجة هذه البيانات، وتشمل:
• حواسيب مخصصة.
• وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLCs) مستقلة.
• أنظمة تحكم موزعة مركزية (DCSs).
• أنظمة SCADA (مراقبة تحكمية واكتساب بيانات) إحدى الطرق الأسهل لجمع البيانات وتخزينها وعرضها هي الحاسوب المخصص. مع ظهور المعالج الدقيق، أصبحت متاحة الآن حواسيب مراقبة تدفق متعددة الاستخدامات. مرافق العرض والمراقبة التي توفرها هذه الحواسيب يمكن أن تشمل:
• معدل التدفق الحالي.
• إجمالي استخدام البخار.
• درجة حرارة/ضغط البخار.
• استخدام البخار على فترات زمنية محددة.
• معدل تدفق أو ضغط أو درجة حرارة غير طبيعي، وتفعيل إنذارات عن بُعد.
• تعويض تغيرات الكثافة.
• ربط مع مسجلات بيان.
• ربط مع أنظمة إدارة الطاقة. بعضها يمكن وصفه بشكل أكثر دقة بمقياسات تدفق الطاقة لأنه بالإضافة إلى المتغيرات أعلاه، يمكنه استخدام الزمن وجداول البخار ومتغيرات أخرى لحساب وعرض كل من القدرة (كيلوواط أو وحدة حرارية بريطانية/ساعة) واستخدام الطاقة الحرارية (كيلوجول أو وحدة حرارية بريطانية). بالإضافة إلى وحدة الحاسوب، من المفيد أحيانًا وجود قراءة محلية لمعدل التدفق. تحليل البيانات ****جمع البيانات، سواء كان يدويًا أو شبه تلقائي أو تلقائي بالكامل، سيُستخدم في النهاية كأداة إدارية لمراقبة التكاليف الطاقة والتحكم فيها. قد تحتاج البيانات إلى جمعها على فترة من الوقت لإعطاء صورة دقيقة لتكاليف العملية والاتجاهات. بعض عمليات الإنتاج تتطلب بيانات بشكل يومي، على الرغم من أن الفترة التي يفضلها الصناعيون غالبًا هي أسبوع الإنتاج. تُستخدم الحواسيب الدقيقة ببرامج قادرة على التعامل مع الحسابات الإحصائية والرسوم البيانية بشكل شائع لتحليل البيانات. بمجرد وجود نظام القياس، يكون الهدف الأول تحديد العلاقة بين العملية (مثلاً أطنان منتج/ساعة) واستهلاك الطاقة (مثلاً كجم بخار/ساعة). الوسيلة المعتادة لتحقيق ذلك هي رسم الاستهلاك (أو الاستهلاك المحدد) مقابل الإنتاج، وتحديد ارتباط. ومع ذلك، مطلوب بعض الحذر في تفسير الطبيعة الدقيقة لهذه العلاقة. هناك سببان رئيسيان لذلك:
• قد تؤثر عوامل ثانوية على مستويات استهلاك الطاقة.
• قد يكون التحكم في استخدام الطاقة الأساسي ضعيفًا، مما يُخفي أي علاقة واضحة. يمكن استخدام تقنيات إحصائية للمساعدة في تحديد تأثير العوامل المتعددة. يجب ملاحظة أن الحذر مطلوب عند استخدام هذه الطرق، لأنه من السهل تمامًا إنشاء علاقة إحصائية بين متغيرين أو أكثر مستقلين تمامًا.

بمجرد تحديد هذه العوامل وأخذها في الاعتبار، يمكن تحديد استهلاك الطاقة القياسي. هذا هو الحد الأدنى من استهلاك الطاقة القابل للتحقيق للمصنع وممارسات التشغيل الحالية.

يوضح المخطط في الشكل 4.4.3 العلاقة النموذجية بين الإنتاج والاستهلاك.

بمجرد إنشاء العلاقة بين استهلاك البخار وإنتاج المصنع، تصبح الأساس/المعيار الذي يمكن قياس جميع الإنتاج المستقبلي به.

باستخدام المعيار، يمكن لمديري الأقسام الفردية بعد ذلك تلقي تقارير منتظمة عن استهلاك الطاقة وكيف يقارن ذلك بالمعيار. يمكن للمدير الفردي بعد ذلك تحليل أداء مصنعه/ها بالسؤال:

• كيف يقارن الاستهلاك بالمعيار؟
• هل الاستهلاك فوق أو تحت المعيار، وبأي مدى يتغير؟
• هل هناك أي اتجاهات في الاستهلاك؟ إذا كان هناك تباين في الاستهلاك فقد يكون لعدة أسباب، بما في ذلك:
• ضعف التحكم في استهلاك الطاقة.
• معدات معيبة، أو معدات تحتاج صيانة.
• تغيرات موسمية. لتحديد السبب، من الضروري أولاً التحقق من السجلات السابقة، لتحديد ما إذا كان التغيير اتجاهًا نحو زيادة الاستهلاك أو حالة معزولة. في الحالة الأخيرة، يجب إجراء فحوصات حول المصنع للتسريبات أو المعدات المعيبة. يمكن إصلاحها بعد ذلك حسب الحاجة.

يجب أن يكون الاستهلاك القياسي هدفًا قابلاً للتحقيق لمديري المصنع، والنهج الشائع هو استخدام خط أفضل ملاءمة بناءً على المتوسط rather than الأداء الأفضل القابل للتحقيق (انظر الشكل 4.4.4). بمجرد تحديد المعيار، سيكون هذا خط أساس استهلاك الطاقة الجديد.

هذه الزيادة في الوعي الطاقة ستحقق حتمًا انخفاضًا في تكاليف الطاقة وتكاليف تشغيل المصنع الإجمالية، وبالتالي، نظام أكثر كفاءة في الطاقة.

المتطلبات_SPECIAL لقياس تدفق البخار الدقيق

****كما ذُكر سابقًا في الكتلة 4، تقيس مقياسات التدفق السرعة؛ قيم إضافية للمساحة المقطعية (A) والكثافة (P) مطلوبة لتمكين حساب معدل التدفق الكتلي (qm). لأي تركيب، ستبقى المساحة المقطعية ثابتة، لكن الكثافة (P) ستتغير مع الضغط وكسر الجفاف. يُفحص القسمان التاليان تأثير تغير الضغط وكسر الجفاف على دقة تركيبات قياس تدفق البخار. تغير الضغط في عالم مثالي، يبقى الضغط في خطوط بخار العملية ثابتًا تمامًا. لسوء الحظ، نادرًا ما يكون هذا هو الحال مع الأحمال المتغيرة، ونطاقات ميتة في التحكم بضغط الغلاية، وفقدان ضغط احتكاك، ومعايير العملية كلها تساهم في تغيرات الضغط في خط البخار الرئيسي.

يُظهر الشكل 4.4.5 دورة التشغيل لتطبيق بخار مشبع. بعد بدء التشغيل، يرتفع ضغط النظام تدريجيًا إلى 5 بار مان relative nominally لكن بسبب أحمال العملية يتغير الضغط طوال اليوم. مع مقياس تدفق غير مُعوَّض بالضغط، يمكن أن يكون الخطأ التراكمي משמעותיًا. بعض أنظمة قياس تدفق البخار ليس لديها تعويض كثافة مدمج، وتُحدد للعمل عند ضغط خط ثابت واحد. إذا كان ضغط الخط ثابتًا فعلاً، فهذا مقبول. ومع ذلك، حتى تغيرات الضغط الصغيرة نسبيًا يمكن أن تؤثر على دقة مقياس التدفق. قد يكون من المفيد ملاحظة أنواع مختلفة من مقياسات التدفق قد تتأثر بطرق مختلفة. مقياسات تدفق السرعة إشارة الخرج من مقياس تدفق دوامة الانفصال هي وظيفة لسرعة التدفق فقط. وهي مستقلة عن كثافة وضغط ودرجة حرارة السائل الذي تراقبه. لنفس سرعة التدفق، يكون الخرج غير المُعوَّض من مقياس تدفق دوامة الانفصال متساويًا سواء كان يقيس بخار 3 بار مان relative أو 17 بار مان relative أو ماء.

لذلك أخطاء التدفق هي وظيفة الخطأ في الكثافة ويمكن التعبير عنها كما هو موضح في المعادلة 4.4.1. مثال 4.4.1 ****كأساس للأمثلة التالية، حدد الكثافة (ρ) للبخار الجاف المشبع عند 4.2 بار مان relative و5.0 بار مان relative. مثال 4.4.2 مقياس تدفق بخار دوامة انفصال مُحدد للاستخدام عند 5 بار مان relative يُستخدم عند 4.2 بار مان relative. استخدم المعادلة 4.4.1 والبيانات من المثال 4.4.1 لتحديد الخطأ الناتج (ε). لذلك، سيقرأ مقياس التدفق غير المُعوَّض بأكثر بنسبة 14.42%

بما أن إحدى خصائص البخار المشبع (خاصة عند ضغوط منخفضة تصل إلى حوالي 6 بار مان relative) هي أن الكثافة تتغير بشكل كبير لتغيير صغير في الضغط، فإن تعويض الكثافة ضروري لضمان قراءات دقيقة.

يمكن استخدام المعادلة 4.4.1 لإنشاء رسم بياني يُظهر الخطأ المتوقع في التدفق لخطأ في الضغط، كما هو موضح في الشكل 4.4.6. مقياسات تدفق الضغط التفاضلي إشارة الخرج من لوحة ثقب وخلية تأخذ شكل إشارة ضغط تفاضلي. معدل التدفق الكتلي المقاس هو وظيفة لشكل وحجم الثقب، والجذر التربيعي للضغط التفاضلي والجذر التربيعي لكثافة السائل. لنفس الضغط التفاضلي المرصود عبر لوحة ثقب، سيتغير معدل التدفق الكتلي المُستخرج مع الجذر التربيعي للكثافة.

كما هو الحال مع مقياسات تدفق الدوامة، تشغيل مقياس تدفق لوحة ثقب عند ضغط غير محدد سيؤدي إلى أخطاء.

يمكن حساب نسبة الخطأ باستخدام المعادلة 4.4.2. مثال 4.4.3.

مقياس تدفق بخار لوحة ثقب مُحدد للاستخدام عند 5 بار مان relative يُستخدم عند 4.2 بار مان relative. استخدم المعادلة 4.4.2 لتحديد نسبة الخطأ الناتجة (ε). الخطأ الإيجابي يعني أن مقياس التدفق يقرأ بأكثر، في هذه الحالة، لكل 100 كجم بخار يمر عبره، يُسجّل مقياس التدفق 106.96 كجم.

يمكن استخدام المعادلة 4.4.2 لإنشاء رسم بياني يُظهر الخطأ المتوقع في التدفق لخطأ في الضغط، كما هو موضح في الشكل 4.4.7.

عند مقارنة الشكل 4.4.6 بالشكل 4.4.7، يمكن رؤية أن نسبة الخطأ الناتجة عن عدم وجود تعويض كثافة لمقياس تدفق الدوامة تُقارب ضعف نسبة الخطأ لمقياس تدفق لوحة الثقب. لذلك، تعويض الكثافة ضروري إذا أردنا قياس تدفق البخار بدقة. إذا لم يتضمن مقياس تدفق البخار ميزة تعويض كثافة مدمجة، فيجب توفير مستشعرات ضغط و/أو درجة حرارة إضافية، متصلة بنظام الأدوات. تغير كسر الجفاف

كثافة متر مكعب من البخار الرطب أعلى من كثافة متر مكعب من البخار الجاف. إذا لم تُؤخذ جودة البخار في الاعتبار أثناء مرور البخار عبر مقياس التدفق، فسيكون معدل التدفق المعروض أقل من القيمة الفعلية.

تم مناقشة كسر الجفاف (χ) بالفعل في الوحدة 2.2، لكن للتكرار؛ كسر الجفاف هو تعبير عن نسب البخار المشبع والماء المشبع. على سبيل المثال، كيلوغرام من البخار بكسر جفاف 0.95 يحتوي على 0.95 كيلوغرام بخار و0.05 كيلوغرام ماء. مثال 4.4.4 كأساس للأمثلة التالية، حدد الكثافة (ρ) للبخار الجاف المشبع عند 10 بار مان relative بكسر جفاف 1.0 و0.95. تأثير كسر الجفاف على مقياسات التدفق التي تقيس الضغط التفاضلي لتكرار التعليقات السابقة حول أخطاء مقياسات تدفق الضغط التفاضلي، سيكون معدل التدفق الكتلي (qm) متناسبًا مع الجذر التربيعي للكثافة (ρ)، والكثافة مرتبطة بكسر الجفاف. تغيرات كسر الجفاف سيكون لها تأثير على التدفق الذي يُظهره مقياس التدفق. يمكن استخدام المعادلة 4.4.4 لتحديد العلاقة بين التدفق الفعلي والتدفق المعروض: سيتم معايرة جميع مقياسات تدفق البخار للقراءة عند كسر جفاف مُحدد مسبقًا ()، والقيمة النموذجية هي 1. يمكن إعادة معايرة بعض مقياسات تدفق البخار لتناسب الظروف الفعلية.

مثال 4.4.5

باستخدام البيانات من المثال 4.4.4، حدد نسبة الخطأ إذا كان كسر الجفاف الفعلي 0.95 rather than القيمة المُعايرة 1.0، وكان مقياس تدفق البخار يُشير إلى معدل تدفق 1 كجم/ثانية. لذلك، الإشارة السلبية تُشير إلى أن مقياس التدفق يقرأ بأقل بنسبة 2.46%. تُستخدم المعادلة 4.4.4 لرسم الرسم البياني الموضح في الشكل 4.4.8. تأثير كسر الجفاف على مقياسات تدفق الدوامة

يمكن الاحتجاج بأن كسر الجفاف، ضمن حدود معقولة، غير مهم لأن:

• مقياسات تدفق الدوامة تقيس السرعة.
• حجم الماء في البخار بكسر جفاف على سبيل المثال 0.95، نسبة إلى البخار صغير جدًا.
• التكاثف هو ما يحتاج إلى قياسه. ومع ذلك، أظهرت أبحاث مستقلة أن قطرات الماء المُصطدمة بالجسم المعترض ستسبب أخطاء وبما أن مقياسات تدفق الدوامة تميل للاستخدام عند سرعات أعلى، فإن التآكل بقطرات الماء متوقع أيضًا. لسوء الحظ، لا يمكن تحديد هذه الأخطاء كمّيًا. الخلاصة يعتمد قياس تدفق البخار الدقيق على:
• أخذ تغيرات الضغط في الاعتبار - سيتغير الضغط في أي نظام بخار، ومن الواضح العبث تحديد مقياس تدفق بدقة ±2% إذا كانت تغيرات الضغط وحدها يمكن أن تعطي أخطاء ±10%. يجب أن يتضمن حزمة قياس تدفق البخار تعويض كثافة.
• كسر جفاف قابل للتنبؤ - قياس كسر الجفاف معقد جدًا؛ خيار أسهل وأفضل هو تركيب فاصل بخار قبل أي مقياس تدفق بخار. هذا سيضمن أن كسر الجفاف قريب دائمًا من 1.0، بغض النظر عن حالة البخار المُقدَّم. بخار مُسخَّن زائدًا مع البخار المشبع توجد علاقة ثابتة بين ضغط البخار ودرجة حرارته. توفر جداول البخار معلومات تفصيلية عن هذه العلاقة. لتطبيق تعويض الكثافة على البخار المشبع، يلزم فقط استشعار درجة حرارة البخار أو ضغطه لتحديد الكثافة (). يمكن بعد ذلك تغذية هذه الإشارة، مع إشارة التدفق، إلى حاسوب التدفق، حيث، بافتراض أن الحاسوب يحتوي على خوارزمية جدول البخار، سيُجري حسابات معدل التدفق الكتلي.

ومع ذلك، البخار المُسخَّن زائدًا قريب من كونه غازًا ولا توجد علاقة واضحة بين درجة الحرارة والضغط. عند قياس معدلات تدفق البخار المُسخَّن زائدًا، يجب استشعار كل من ضغط البخار ودرجته حرارته وإشارتهما معًا. يجب أن تتضمن أدوات مقياس التدفق أيضًا برنامج جدول البخار الضروري لتمكينه من حساب ظروف البخار المُسخَّن زائدًا وإظهار القيم الصحيحة.

إذا تم تركيب مقياس تدفق بخار من نوع ضغط تفاضلي بدون هذه الأدوات، فسيتم دائمًا عرض خطأ في قياس التدفق إذا كان هناك تسخين زائد.

أفضل طريقة لإظهار ذلك هي بمثال. مثال 4.4.6 consider a differential pressure flowmeter fitted with pressure reading equipment, but no temperature reading equipment. The flowmeter thinks that it is reading saturated steam at 10 bar g with its corresponding temperature of 184°C. Unfortunately the steam being measured is superheated with a temperature of 220°C.

باستخدام المعادلة 4.4.2 يمكن حساب الخطأ في القراءة بناءً على الكثافة المنخفضة عن المتوقع للبخار المُسخَّن زائدًا. في هذه الحالة سيقرأ المقياس بأكثر بنسبة 5%

باستخدام نفس معاملات المثال 4.4.6، حدد معدل التدفق الفعلي إذا كان مقياس التدفق يعرض معدل تدفق 250 كجم/ساعة.

يمكن استخدام المعادلة 4.4.5 لحساب القيمة الفعلية من القائمة المعروضة.