Рекомендации по выбору расходомера

закрыть

Классификация задач измерения расхода

По функциональному назначению задачи измерения расхода в промышленности условно можно разделить на две основные части:

  • задачи учета:
    — коммерческого;
    — оперативного (технологического);
  • задачи контроля и управления технологическими процессами:
    — поддержание заданного расхода;
    — смешивание двух и более сред в определенной пропорции;
    — процессы дозирования/наполнения.
Задачи учета предъявляют высокие требования к погрешности измерений расхода и стабильности работы расходомера, т. к. его показания являются основанием для расчетных операций между поставщиком и потребителем. К задачам оперативного учета относятся такие применения, как межцеховой, внутрицеховой учет и т. д. В зависимости от требований, предъявляемых к данным задачам, возможно использование расходомеров более простой конструкции с большей погрешностью измерений, чем при коммерческом учете.
Задачи контроля и управления технологическими процессами весьма разнообразны, поэтому выбор типа расходомера зависит от степени важности и требований, предъявляемых к данному процессу.

По условиям измерения задачи определения расхода можно классифицировать следующим образом:

  • измерение расхода в полностью заполненных (напорных) трубопроводах;
  • измерение расхода в не полностью заполненных (безнапорных) трубопроводах, открытых каналах и лотках.
Задачи измерения расхода в полностью заполненных трубопроводах являются стандартными, и большинство расходомеров предназначены именно для данного применения.
Задачи второй группы являются специфичными, т. к. требуют, в первую очередь, определения уровня жидкости. Причем, в зависимости от типа лотка или канала, определение расхода возможно через измеренный уровень на основе теоретически доказанных и экспериментально подтвержденных зависимостей расхода жидкости от уровня. Однако, существуют применения, где наряду с измерением уровня жидкости в канале, лотке или не полностью заполненном трубопроводе необходимо определение и скорости потока.

Измерение расхода жидкостей

Для измерения расхода жидкостей в промышленных условиях целесообразно применять электромагнитные, ультразвуковые, массовые кориолисовые расходомеры и ротаметры.
Кроме того, в ряде случаев оптимальным решением может быть применение вихревых расходомеров и расходомеров переменного перепада давления.
При выборе приборов для измерения расхода электропроводящих жидкостей и пульп в первую очередь рекомендуется рассмотреть возможность применения электромагнитных расходомеров.
В силу своих конструктивных особенностей, разнообразия материалов футеровки и электродов данные приборы имеют широкую область применения и используются при измерении расхода следующих сред:
  • общетехнические среды (вода и др.);
  • высококоррозионно активные среды (кислоты, щелочи и др.);
  • абразивные и адгезионные (налипающие) среды;
  • гидросмеси, пасты и суспензии с содержанием волокон или твердой фазы более 10% (масс.).
Высокая точность измерения (± 0,2…0,5% измеряемой величины), малое время отклика (до 0,1 с в зависимости от модели), отсутствие движущихся частей, высокая надежность и длительный срок службы, минимальное обслуживание — все это делает полнопроточные электромагнитные расходомеры оптимальным решением задач измерения расхода и учета количества электропроводящих сред в трубопроводах малого и среднего диаметра.
Погружные электромагнитные расходомеры широко применяются в задачах оперативного контроля и технологических процессах, где не требуется высокая точность измерений, а также при измерении расхода в трубопроводах больших диаметров (> DN400) и скорости потока в открытых каналах и лотках.
Ультразвуковые расходомеры в основном применяются для измерения расхода неэлектропроводящих сред (нефть и продукты ее переработки, спирты, растворители и др.). Полнопроточные расходомеры применяются как в узлах коммерческого учета, так и для управления технологическими процессами. Погрешность измерения данных приборов, в зависимости от исполнения, составляет порядка ± 0,5% измеряемой величины. В зависимости от принципа измерения среда должна быть чистой (времяимпульсные расходомеры) или с содержанием нерастворенных частиц и/или нерастворенного воздуха (доплеровские расходомеры). В качестве примера сред для второго случая можно указать гидросмеси, суспензии, буровые растворы и др.
Расходомеры с накладными датчиками просты в монтаже и, как правило, применяются для оперативного учета и в неответственных технологических процессах (погрешность порядка ±1…3% шкалы) или в применениях, где нет возможности установки полнопроточных расходомеров.
Массовые кориолисовые расходомеры, в силу своего принципа измерения, могут измерять расход практически любых сред. Данные приборы отличаются высокой точностью измерений (± 0,1…0,5% измеряемой величины при измерении массового расхода) и высокой стоимостью. Поэтому кориолисовые расходомеры в первую очередь рекомендуется применять в узлах коммерческого учета, процессах дозирования/наполнения или ответственных технологических процессах, где необходимо измерять массовый расход среды или контролировать сразу несколько параметров (массовый расход, плотность и температуру).
Кроме того, массовые расходомеры можно применять в качестве плотномеров при их установке, например, в байпасной линии. Во всех остальных случаях, при более простых применениях, массовые расходомеры могут оказаться неконкурентоспособными по сравнению с объемными расходомерами, которые можно применять для решения этих же задач.
В качестве материалов измерительных трубок в массовых расходомерах используются, как правило, нержавеющая сталь, сплав Hastelloy, поэтому данные приборы не годятся для измерения высококоррозионно-активных сред. Способность измерять массовый расход напрямую позволяет применять массовые расходомеры при измерении расхода двухфазных сред с возможностью определения концентрации одной среды в другой. Существуют и ограничения. В качестве материалов измерительных трубок в массовых расходомерах используются, как правило, нержавеющая сталь и сплав Hastelloy, поэтому данные приборы не подходят для измерения расхода высококоррозионно-активных сред. Также на точность измерения расхода массовыми расходомерами сильно влияет наличие нерастворенного газа в измеряемой среде.
Ротаметры, как правило, применяются для измерения малых расходов. Класс точности данных приборов, в зависимости от исполнения, варьируется в пределах 1,6…2,5, поэтому использование данных приборов рекомендуется в задачах оперативного учета и контроля технологических процессов.
В качестве материалов измерительной трубки используются нержавеющая сталь и фторопласт PTFE, что позволяет применять ротаметры для измерения расхода коррозионно-активных сред. Металлические ротаметры также позволяют измерять расход высокотемпературных сред. Необходимо отметить, что измерение расхода адгезионных, абразивных сред и сред с механическими примесями с помощью ротаметров невозможно. Кроме того, существует ограничение по монтажу данного типа расходомеров: их установка допускается только на вертикальных трубопроводах с направлением потока измеряемой среды снизу вверх. Современные ротаметры, кроме индикаторов, могут оснащаться микропроцессорным электронным модулем с выходным сигналом 4…20 мА, счетчиком суммарного количества и конечными переключателями для работы в режиме реле потока.
Несмотря на то, что вихревые расходомеры разрабатывались специально для измерения расхода газа/пара, их возможно применять также для измерения расхода жидких сред. Однако, в силу их конструктивных характеристик, наиболее рекомендуемыми применениями данных приборов в задачах оперативного учета и контроля технологических процессов, являются:
  • измерение расхода высокотемпературных жидкостей с температурой до +450 °С;
  • измерение расхода криогенных жидкостей с температурой до -200 °С;
  • при высоком, до 25 МПа, технологическом давлении в трубопроводе;
  • измерение расхода в трубопроводах большого диаметра (погружные вихревые расходомеры).

Жидкость при этом должна быть чистой, однофазной, с вязкостью не более 7 сП.

Измерение расхода газа и пара

В отличие от жидкостей, которые условно можно считать практически несжимаемыми средами, объем газовых сред существенно зависит от температуры и давления. Поэтому при учете количества газов оперируют объемом и расходом, приведенными либо к нормальным условиям (T = 0 °C, P = 101,325 кПа абс.), либо к стандартным условиям (Т = +20 °С, Р = 101,325 кПа абс.).
Таким образом, для измерения количества газа и пара наряду с объемным расходомером необходимы датчики давления и температуры, либо плотномер, либо массовый расходомер, а также вычислительное устройство (корректор или другой вторичный прибор с соответствующими математическими функциями). При регулировании расхода газов в технологических процессах зачастую ограничиваются измерением одного лишь объемного расхода, но для точного регулирования также необходимо определять расход при нормальных условиях, особенно в случае значительных колебаний плотности газа.
Наиболее часто для измерения расхода газа и пара применяется метод переменного перепада давления (ППД), причем в качестве первичных преобразователей расхода традиционно используются сужающие устройства, в первую очередь — стандартная диафрагма. Основными преимуществами расходомеров ППД является беспроливная поверка, невысокая стоимость, широкий диапазон применений и большой опыт эксплуатации. Тем не менее, данный метод обладает и весьма серьезными недостатками: квадратичной зависимостью перепада давления от расхода, большими потерями давления на сужающих устройствах и жесткими требованиями к прямым участкам трубопровода. В результате в настоящее время как в России, так и во всем мире имеется четкая тенденция по замене расходомерных комплексов с сужающими устройствами на расходомеры с другими принципами измерения. Для трубопроводов малых и средних диаметров сейчас существует широкий выбор различных методов и средств измерения расхода, но для трубопроводов диаметром 300…400 мм и выше альтернатива методу ППД практически отсутствует. Избавиться от недостатков традиционных расходомеров ППД с сужающими устройствами, сохранив при этом преимущества самого метода, позволяет использование в качестве первичных преобразователей расхода осредняющих напорных трубок серии Torbar, а в качестве средств измерения перепада давления (дифманометров) — цифровых датчиков разности давления серии EJA/EJX. При этом потери давления уменьшаются в десятки и сотни раз, прямые участки сокращаются в среднем в 1,5…2 раза, динамический диапазон по расходу может достигать 1:10.
В последнее время более широкое применение для измерения расхода газа и пара находят вихревые расходомеры. По сравнению с расходомерами переменного перепада давления они обладают более широким динамическим диапазоном, меньшими потерями давления и прямыми участками. Наиболее эффективны данные приборы в задачах учета, прежде всего коммерческого, и в ответственных задачах регулирования расхода. Использование расходомера со встроенным датчиком температуры либо стандартного расходомера совместно с датчиками температуры и давления позволяет определить массовый расход среды, что особенно актуально при измерении расхода пара.
Однако данные приборы в силу особенностей своего принципа измерения не применяются для:
  • измерения расхода многофазных, адгезионных сред и сред с твердыми включениями;
  • измерения расхода сред с малыми скоростями потока.
При малых и средних скоростях потока для измерения расхода технических газов широко применяются ротаметры. Данные приборы рассчитаны на работу как с высокотемпературными, так и с коррозионно-активными средами и широко используются в различных исполнениях. Однако как указывалось выше, ротаметры монтируются только на вертикальных трубопроводах с направлением потока снизу вверх и не применяются при измерении расхода адгезионных сред и сред с содержанием твердых включений, в том числе абразивных.

При необходимости непосредственного измерения массового расхода газа также применяются массовые кориолисовые расходомеры. Однако при применении данных приборов измерение плотности и, соответственно, расчет объемного расхода невозможны, т. к. плотность газов ниже минимального значения диапазона измерений плотности данных расходомеров. С учетом высокой стоимости данных приборов их применение рекомендуется в наиболее ответственных процессах, где критичным параметром является массовый расход среды.

Сводная таблица применения различных типов расходомеров

Тип расхода Пар Газы Жидкости Измерение расхода в прямом/обратном направлении Пульсирующие потоки Высокотемпературные среды Низкотемпературные среды Давление
измеряемой
среды
Чистые С механическими примесями Чистые Вязкость Коррозионо-активные Высококорозионно-активные С меха-
ническим
Высокое давление/разряжение Низкое давление/разряжение
Высоковязкие Низковязкие Волокнистые Абразивные
Расходомеры переменного перепада
давления
O O O O X X O O O O
Электромагнитные расходомеры X X X O O O O O O O O O X X O
Вихревые расходомеры O O O X O X X X X X O O O O
Ультрозвуковые
расходомеры
время-пролетные X O O O X X X O O O O
доплеровские X X X X O O O O O O O O O
Ротаметры O O X O X O O O X X X O O O O
Массовые кориолисовые
расходомеры
O O O O O O X O O O O O O O
Механические счетчики X O X O O X X X X O O

 

O — стандартное применение;
∆ — применение возможно в зависимости от условий измерения;
Х — не применяется.
Более подробно особенности и варианты исполнения каждого типа расходомеров, а также рекомендации по их выбору и применению даны во введении к каждой части раздела.