(Được sao chép lại với sự cho phép của Nederlands Meetinstituut, van der Grinten, 1990):
(b) Sự thay đổi theo số Reynolds dựa trên đường kính bên trong.
Làm thế nào để lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng tuabin khí đúng cách?
Cài đặt đúng cách để đạt được kết quả đo lưu lượng tốt nhất
Nghiên cứu do Trạm Nghiên cứu Kỹ thuật Khí đốt Anh thực hiện đã xác nhận rằng loại lưu lượng kế này thể hiện khả năng chống nhiễu dòng chảy đáng kể, khiến việc chạy đường ống thẳng ngược dòng hoặc xuôi dòng trở nên cần thiết trong hầu hết các hệ thống lắp đặt thực tế (Fenwick và Jepson, 1975; so sánh với Harriger, 1966). Những lý do chính bao gồm:
1. Giảm độ xoáy trong các ống hình khuyên có đường kính lớn, có thể là do cả sự bảo toàn mômen động lượng và hiệu ứng chỉnh lưu của bộ điều hòa dòng chảy;
2. Sự co dòng chảy đáng kể xảy ra ở các đoạn ống có đường kính nhỏ;
3. Hiệu ứng tích phân phát sinh từ mối quan hệ tuyến tính giữa hệ số nâng và góc tới nhỏ.
Họ kết luận rằng thiết bị điều hòa dòng chảy chỉ nên được triển khai ở phần đầu vào nếu có dòng xoáy ở thượng nguồn.
Van der Kam và Dam (1993) kết luận rằng việc lắp đặt bộ điều hòa lưu lượng đầu vào có thể làm giảm hiệu quả dòng xoáy. Ví dụ, sai số đo do hai cút nối được lắp đặt ở các mặt phẳng khác nhau (với góc xoáy 40°) sẽ không vượt quá 0,3%. Sự thay đổi đường kính ống phía thượng lưu của lưu lượng kế tương đối không quan trọng. Trong trường hợp cực đoan, một bộ nắn dòng bó ống là đủ. Độ nhám bề mặt không ảnh hưởng đến hiệu suất. Tác động của nhiệt độ trong phạm vi 20°C là tối thiểu nhưng khó xác minh do thiếu các phương pháp đo kiểm soát cần thiết. Lưu lượng kế tuabin không phù hợp với dòng khí ướt hoặc bẩn. Khí phải luôn sạch, không có chất lỏng và bụi, và nên sử dụng bộ lọc có định mức tối thiểu 5μm khi cần thiết. Đường ống phía thượng lưu phải được làm sạch kỹ lưỡng trước khi lắp đặt (Bonner, 1993; ISO 9951).
Theo nghiên cứu của Harriger (1966), có thể áp dụng phương pháp lắp đặt kết hợp, trong đó đường ống thượng lưu dài 4D bao gồm một bộ điều hòa dòng chảy 2D và một đoạn ống thẳng 2D. Tuy nhiên, dòng chảy xoáy và dao động có thể gây ra những ảnh hưởng đáng kể. Lưu lượng kế tích hợp bộ điều hòa dòng chảy có thể loại bỏ ảnh hưởng của dòng chảy xoáy. Nếu phụ kiện đường ống nằm trong phạm vi 5D thượng lưu của lưu lượng kế, cần lắp đặt các cánh chỉnh thẳng. Trong quá trình lắp đặt lưu lượng kế, cần căn chỉnh cẩn thận với đường ống và không được có phần nhô ra trong đoạn 5D thượng lưu. Đường ống hạ lưu phải duy trì đường kính không đổi mà không có bất kỳ hạn chế bổ sung nào.
Đủ đường ống thẳng trước và sau lưu lượng kế tuabin khí
Van der Kam và van Dellen (1991) phát hiện ra rằng đối với lưu lượng kế tuabin khí 12 inch, khoảng cách thượng nguồn 10D là đủ để đảm bảo hoạt động bình thường trong điều kiện cho phép, trong khi cần 15D khi có dòng chảy xoáy.
Mickan và cộng sự (1996a, 1996b) và Wendt và cộng sự (1996) đã nghiên cứu thực nghiệm sự phân bố vận tốc trong đường ống và ảnh hưởng của nó đến lưu lượng kế tuabin khí. Các nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đo Doppler laser và xem xét tác động của các cấu hình lắp đặt khác nhau đến hiệu suất của lưu lượng kế xoáy, bao gồm: 1. Bộ điều hòa lưu lượng; 2. Lắp đặt khuỷu đơn; 3. Hai khuỷu không đồng phẳng; 4. 50% tắc nghẽn lưu lượng giữa các khuỷu.
Độc giả quan tâm có thể tham khảo các ấn phẩm gốc. Mặc dù hầu hết các sai số thực nghiệm đều dưới 1%, nhưng điều này không được quan sát thấy trên toàn bộ các điều kiện thử nghiệm.
George (2002) đã xem xét những tiến bộ trong công nghệ lưu lượng kế tuabin trong Báo cáo AGA số 7 đã được sửa đổi. Nghiên cứu đã xác định hai bước phát triển quan trọng kể từ năm 1996: thiết kế rotor kép và lưu lượng kế dải mở rộng. Những phát hiện chính bao gồm:
• Đối với các điều kiện dòng chảy ngắn, gần, xoáy và thuần túy, bốn thiết bị được hiệu chuẩn chung đã chứng minh sai số đo lường trong phạm vi ±1%;
• Bộ điều hòa lưu lượng tích hợp đúng cách tại đầu vào của đồng hồ đo có thể giảm độ lệch xuống ±0,25%;
• Cấu hình rô-tơ đơn so với rô-tơ kép cho thấy tác động không đáng kể đến độ lệch đo lường;
• Những thay đổi do áp suất gây ra cần được điều tra thêm.
Islam và cộng sự (2003) đã báo cáo kết quả thử nghiệm của lưu lượng kế tuabin với bộ điều hòa lưu lượng tích hợp trong điều kiện luồng không khí bị nhiễu loạn.
Balla và Takaras (2003) đã ghi nhận sự trôi dạt khoảng 1% trong hiệu suất của lưu lượng kế khí sau một năm hoạt động, có khả năng là do:
1. Sự tích tụ ngưng tụ lỏng
2. Chất gây ô nhiễm còn sót lại từ quá trình chế tạo đường ống
Ullebust và Ekerhovd (2008) đã đề xuất các giao thức bảo trì sau:
1. Kiểm tra độ nhám bề mặt bên trong đường ống
2. Xác minh tính toàn vẹn của bộ điều hòa lưu lượng
3.Kiểm tra căn chỉnh lưu lượng kế
4. Thủ tục kiểm tra trực quan
Hạn chế hoạt động:
• Tốc độ vượt quá tạm thời lên đến 20% là được phép (mặc dù tốc độ vượt quá liên tục có thể gây hư hỏng)
• Cần theo dõi nhiệt độ trong phạm vi 2D hạ lưu của lưu lượng kế (phạm vi do nhà sản xuất chỉ định: -10 đến 50°C)
• Sấy khí bắt buộc khi điều kiện quy trình dẫn đến ngưng tụ chất lỏng trong đường ống
Phát hiện và giám sát
Phương pháp phổ biến nhất để đo tốc độ bánh tua-bin là sử dụng hộp số, vốn có thể gây ra lực cản do tổn thất truyền động bánh răng. Ngoài ra, lực cản có thể do khớp nối điện từ, cơ chế hiển thị lưu lượng và quy trình hiệu chuẩn gây ra. Việc sử dụng cảm biến điện từ có thể giảm đáng kể lực cản này.
Đối với tín hiệu tần số cao, có thể sử dụng công tắc cảm ứng từ hoặc công tắc tiệm cận trên các cánh nhôm, dải kim loại trên trục, hoặc đĩa dẫn động của trục chính để trích xuất tín hiệu dựa trên hiệu ứng chuyển mạch, đạt tần số đo lên đến 3 kHz. Đối với các ứng dụng yêu cầu 1 đến 10 xung mỗi vòng quay, có thể sử dụng công tắc lá hoặc cảm biến khe.
Reeb và Joachim (2002) đã phát triển một công cụ giám sát trực tuyến cho lưu lượng kế tuabin khí có tên là AccuLERT G-II (FMC Measurement Solutions), công cụ này tuyên bố có thể phát hiện và phân tích cả lỗi liên quan đến cơ học và chất lỏng.
AccuLERT có thể theo dõi tỷ lệ thời gian tăng, tỷ lệ thời gian giảm và độ lệch chuẩn. Ngoài ra, nó cũng có thể theo dõi các biến số chính như lưu lượng, thời gian và những thay đổi trong quá trình vận hành để ước tính trạng thái hoạt động của lưu lượng kế.
Chất lỏng không ổn định
Lưu lượng kế tuabin khí dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện dòng chảy dao động. Khi chất lỏng tăng tốc, góc tới tăng lên trên cánh tuabin khiến rotor tăng tốc nhanh hơn. Ngược lại, dòng chảy giảm tốc có thể dẫn đến cánh tuabin bị chết máy với lực cản tối thiểu, dẫn đến ước tính lưu lượng tổng thể quá cao. Việc đo lưu lượng dao động mạnh trong thời gian dài có thể gây hư hỏng ổ trục trong cụm tuabin.
Head (1956) đã thiết lập hệ số dao động cho lưu lượng kế tuabin, được định nghĩa như sau:
q
i /q
V =(1+αbΓ²)
Trong đó
q i là lưu lượng hiển thị bởi đồng hồ đo,
q V là lưu lượng thực tế, (α=1/8 biểu thị định luật biến thiên hình sin của chất lỏng, b có thể được coi là 1 đối với đồng hồ đo lưu lượng không theo dõi và Γ là biên độ chế độ dòng chảy đầy đủ so với vận tốc trung bình. Head tin rằng Γ=0,1 là giá trị quan trọng đối với các lỗi đáng kể.
Đường cong suy giảm tốc độ khi không có chất lỏng có thể thu được từ phân tích tức thời, như thể hiện trong Hình 3. Hình này cho phép xác định thời gian giảm tốc của rôto cho đến khi dừng hẳn và độ dốc cuối cùng của đường cong suy giảm. Độ dốc này có mối tương quan vật lý với tỷ lệ lực cản trên lực quán tính trong điều kiện dòng chảy bằng không, đóng vai trò là chỉ báo chẩn đoán tình trạng ổ trục.
Tuy nhiên, de Jong và van der Kam (1993) đã đặt câu hỏi về độ tin cậy của nó trong điều kiện áp suất cao. Độc giả cũng có thể tham khảo bài viết của Lee và Evans (1970), trong đó mô tả cách họ thu được đường cong suy giảm tốc độ bằng phương pháp tải ma sát cơ học bên ngoài và cung cấp các giá trị điển hình của lực quán tính. Ví dụ, đối với lưu lượng kế áp suất thấp 150mm, quán tính quay của rôto nhựa là I=0,242×10⁻³kg⋅m³, và quán tính quay của rôto nhôm áp suất cao là I=0,486×10⁻³kg ⋅m³. Họ cũng xem xét sự thay đổi của các lá với giá trị η=0,2.
Hình 3 Đường cong suy giảm tốc độ quay của lưu lượng kế quay tự do
trong quá trình thử nghiệm spin-down
(Được sao chép với sự cho phép của ASME, theo Lee và Evans, 1970)
Lee và cộng sự (1975) đã đưa ra sai số do dao động hình sin gây ra. Giả sử trường hợp xấu nhất, khi rotor không thể theo kịp xung do quán tính quá lớn, sai số xấp xỉ 0,5% đạt được ở chỉ số xung là 0,1, và sai số xấp xỉ 2% đạt được ở 0,2, khi chỉ số xung là
Γ=
Hình 4 được rút ra từ kết quả của Fenwick và Jepson (1975), minh họa tác động của xung sóng vuông lên lưu lượng kế tuabin. McKee (1992) phát hiện ra rằng sai số là 0 ở mức biến thiên 2% và vượt quá 1,5% ở mức 6% [Atkinson, 1992]. Các phương pháp tính toán số đã được sử dụng để xác định sai số do xung chất lỏng gần như hình sin trong lưu lượng kế. Cheesewright và cộng sự (1996) đã bày tỏ lo ngại về việc thiếu dữ liệu được báo cáo về dạng sóng xung.
Fenwick và Jepson (1975) đã tiến hành các thí nghiệm bằng cách đưa dòng chảy xung 60 giây vào lưu lượng kế 100 mm, dẫn đến kết quả đo vượt quá lưu lượng thực tế 40%.
Jungowski và Weiss (1996) đã thử nghiệm lưu lượng kế 100 mm dưới luồng khí dao động ở tần số từ 5 đến 185 Hz. Kết quả cho thấy khi tỷ số giữa vận tốc trung bình bình phương căn bậc hai và vận tốc trung bình là 0,1, giá trị đo được bị ước tính quá cao 1%, và khi tỷ số này là 0,2, giá trị đo được bị ước tính quá cao tới 4%.
Stoltenkamp và cộng sự (2003) đã trình bày một nghiên cứu thú vị, thảo luận về khả năng sai lệch kết quả đo lưu lượng kế tuabin do dao động khí gây ra bởi hiệu ứng âm thanh. Họ cũng đề xuất một mô hình lý thuyết để giải thích hiện tượng này.
Tôi đã xử lý một số dữ liệu thực nghiệm trong đó lưu lượng khí tự nhiên chuyển từ cao sang thấp, kèm theo những thay đổi đột ngột và lỗi đáng kể—một hành vi đã được Jepson và những người khác dự đoán trong phương pháp luận của họ.
Hình 4 Tác động của dòng chảy điều chế trong
lưu lượng kế tuabin 100 mm Sử dụng lưu lượng kế tuabin khí ở đâu?
Lưu lượng kế tuabin khí phù hợp với tất cả các loại khí không ăn mòn và khí nhiên liệu, bao gồm:
Lưu lượng kế khí CO2 , khí đô thị, khí tự nhiên, khí lọc dầu, khí lò cốc,
lưu lượng kế propan , lưu lượng kế butan, hỗn hợp LPG/không khí, axetilen, etan, lưu lượng kế nitơ, carbon dioxide CO2, không khí và tất cả các loại khí trơ.
Đồng hồ đo lưu lượng tua bin khí đang đo khí đốt tự nhiên
Lưu lượng kế tuabin thường không được sử dụng để đo oxy vì những lý do sau:
1. Chất bôi trơn phải không phản ứng với oxy.
2. Vận tốc dòng oxy trong đường ống không được vượt quá 10 m/giây vì tốc độ cao hơn có thể gây ra quá trình oxy hóa đường ống—lưu lượng kế tuabin khí yêu cầu vận tốc thậm chí còn thấp hơn.
Pfrehm (1981) đã áp dụng một kỹ thuật đo lưu lượng chất lỏng được chấp nhận rộng rãi để phát triển một phương pháp đo lưu lượng khối lượng cho khí etylen. Phương pháp này sử dụng lưu lượng kế, máy đo mật độ, máy tính lưu lượng và thiết bị chuẩn piston hai chiều. Độ chính xác được công bố của lưu lượng kế này là ±0,2%, với độ tuyến tính được duy trì từ 20% đến 100% toàn thang đo.
Ưu điểm và nhược điểm
Lưu lượng kế tuabin khí có độ chính xác cao
1. Sự xuống cấp hoặc hao mòn cơ học làm thay đổi ma sát và hình dạng cánh, làm giảm phạm vi điều chỉnh của lưu lượng kế và gây ra độ lệch kết quả đo. Lọc có thể làm chậm quá trình xuống cấp của lưu lượng kế, và việc kiểm tra thường xuyên là rất cần thiết. Kiểm tra độ chậm có thể cho thấy sự xuống cấp của ổ trục.
2. Biến động nhanh của lưu lượng có thể gây ra kết quả đo quá mức. Ví dụ, chu kỳ dòng chảy 10 phút bật/10 phút tắt có thể dẫn đến kết quả đo quá mức 3%.
3. Dòng chảy xoáy làm sai lệch kết quả đo, cần phải có thiết bị nắn dòng chảy.
4. Sự thay đổi áp suất và ma sát ổ trục cao có thể gây ra sai lệch số đọc lên đến 2%.
5. Sự cố của lưu lượng kế không ảnh hưởng đến sự an toàn của dòng khí.
Ngoài ra, van der Kam, Dam và van Dellen (1990) đã thảo luận về độ tin cậy, độ chính xác cao, phép đo rô-tơ kép và hệ thống ổ trục.
