Tính toán kích thước lưu lượng kế ống kim loại dùng cho nước siêu tinh khiết và khí nitơ.

Câu trả lời nhanh

Một dự án mở rộng nhà máy hóa dầu ở Đài Loan yêu cầu bốn lưu lượng kế ống kim loại được chia thành hai nhiệm vụ. Hai thiết bị DN25 và DN20 (1 inch và 3/4 inch) cần thân bằng thép không gỉ 316 với lớp lót PTFE, đầu ra HART 4-20 mA và vỏ bọc NEMA 4X hoặc IP65 cho nước siêu tinh khiết ở tốc độ 0-250 kg/h và khí nitơ ở tốc độ 0-50 Nm3/h. Đường ống thứ tư chỉ cần hiển thị cục bộ, vì vậy yêu cầu kỹ thuật là sử dụng lưu lượng kế ống PVC trong suốt ở tốc độ 0-7 Nm3/h. Silver Automation Instruments sản xuất cả hai cấu hình trên cùng một nền tảng lưu lượng kế ống kim loại HH50, với độ chính xác ±0,5% trên toàn dải đo.

Bối cảnh: Một dự án mở rộng, bốn điểm dòng chảy, hai loại chất lỏng.

Trường hợp này xuất phát từ một gói thầu mua sắm thiết bị đo lường thực tế cho dự án mở rộng nhà máy hóa dầu tại Đài Loan. Dự án yêu cầu bốn lưu lượng kế kiểu rotameter trên bốn thẻ riêng biệt. Hai cái dùng để đo nước siêu tinh khiết và khí nitơ với đầy đủ tín hiệu đầu ra. Hai cái còn lại dùng để đo khí nitơ, một cái yêu cầu tín hiệu đầu ra HART để tích hợp với hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và một cái chỉ cần thang đo cục bộ.

Sự kết hợp đó khá phổ biến trong các dự án mở rộng cơ sở hạ tầng hiện hữu. Các đường dây tiện ích hiếm khi nhận được ngân sách trang thiết bị đo lường tương đương với các đường ống công nghiệp. Một kỹ sư khi thiết kế bốn lưu lượng kế cho một dự án thường phải chỉ định hai hoặc ba cấp độ chế tạo khác nhau, chứ không phải một đơn vị tiêu chuẩn được lặp lại bốn lần.

Chúng ta đã thấy mô hình này nhiều lần với các nhà máy hóa dầu và sợi hóa học trên khắp Đài Loan và Đông Nam Á. Một dây chuyền sản xuất mới cần được giám sát chặt chẽ bằng HART 4-20 mA để theo dõi xu hướng trên hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Trong khi đó, một đường ống xả hoặc thông hơi, mà người vận hành chỉ kiểm tra bằng cách đi ngang qua, lại được trang bị một thiết bị đọc cục bộ rẻ tiền hơn, thậm chí không có mạch điện tử nào.

Ứng dụng 1: Lưu lượng kế ống kim loại DN25 dùng cho nước siêu tinh khiết, 0-250 kg/h

Yêu cầu đầu tiên là sử dụng lưu lượng kế ống kim loại 1 inch (DN25) lắp đặt trên đường ống nước siêu tinh khiết (UPW), kiểu lắp đặt thẳng đứng, dòng chảy từ dưới lên trên. Thân và phao được chỉ định làm bằng thép không gỉ 316 với lớp lót PTFE, được nối bằng mặt bích RF 1 inch 150#. Vì nước siêu tinh khiết dễ bị nhiễm bẩn, nên vật liệu ống không thải ra các hạt hoặc ion vào dòng chảy quan trọng hơn so với các ứng dụng nước công nghiệp thông thường.

Lưu lượng bình thường được đặt ở mức 150 kg/h, tối đa là 250 kg/h. Về thể tích, với tỷ trọng riêng là 1000 kg/m³, con số này tương đương khoảng 0,15 đến 0,25 m³/h, hoặc khoảng 0,66 đến 1,1 gallon/phút. Đây là một đường ống nhỏ theo tiêu chuẩn ngành hóa dầu, và nó chính xác là loại nhiệm vụ mà lưu lượng kế ống kim loại có thể xử lý tốt, vì các thiết bị ống thủy tinh không được thiết kế cho áp suất làm việc được chỉ định ở đây.

Áp suất làm việc đạt tới 5 kg/cm2G (khoảng 4,9 bar, hay 71 psi) với điều kiện bình thường là 3 kg/cm2G (43 psi), và nhiệt độ tối đa là 60°C (140°F). Thông số kỹ thuật cho phép độ sụt áp 0,5 kg/cm2G (0,49 bar, 7,1 psi) trên đồng hồ đo, đây là mức điển hình đối với một lưu lượng kế ống kim loại có kích thước và phạm vi lưu lượng này. Đầu ra là 4-20 mA với HART, vòng lặp được cấp nguồn từ 24 VDC, với vỏ bọc NEMA 4X hoặc IP65 và độ chính xác định mức là ±0,5% của dải đo.

Ứng dụng 2: Lưu lượng kế ống kim loại DN20 để giám sát khí nitơ, 0-50 Nm3/h

Hai thiết bị đo lưu lượng khí nitơ trong dự án này có chức năng gần như giống hệt nhau, cả hai đều sử dụng đường ống 3/4 inch (DN20) với mặt bích RF 150# 3/4 inch, thân bằng thép không gỉ 316 có lớp lót PTFE, và cùng một đầu ra HART 4-20 mA và vỏ bọc NEMA 4X/IP65 như đồng hồ đo UPW. Phạm vi lưu lượng là 0-50 Nm3/h, khoảng 29,4 SCFM, với điểm hoạt động bình thường là 15 Nm3/h (8,8 SCFM).

Các đường ống dẫn khí nitơ để bao phủ và làm sạch như thế này xuất hiện thường xuyên trong các nhà máy hóa dầu. Khí nitơ bao phủ bồn chứa, khí làm sạch thiết bị, khí bịt kín, tất cả đều lấy từ cùng một đường ống chính, và mỗi nhánh thường có một thiết bị đo lưu lượng cục bộ riêng để người vận hành có thể xác nhận lượng khí chính xác đang được đưa đến đúng nơi cần đến.

Mật độ khí ảnh hưởng đến việc lựa chọn kích thước lưu lượng kế theo kiểu rotameter khác hẳn so với khi sử dụng cho chất lỏng. Thông số kỹ thuật này ghi trọng lượng phân tử là 28, tức là nitơ, và độ nhớt là 0,01 cP. Một rotameter được hiệu chuẩn bằng một loại khí khác hoặc áp suất tham chiếu khác sẽ cho kết quả sai, đôi khi sai lệch rất lớn, vì vậy phao và thang đo ở đây cần được hiệu chuẩn bằng loại khí sử dụng thực tế và áp suất làm việc tối đa 5 kg/cm²G (71 psi) và áp suất làm việc bình thường 2 kg/cm²G (28 psi). Nhiệt độ tối đa vẫn là 60°C (140°F), với hoạt động bình thường ở nhiệt độ môi trường.

Ứng dụng 3: Lưu lượng kế ống PVC trong suốt DN20, chỉ hiển thị cục bộ, 0-7 Nm3/h

Thiết bị thứ tư là ngoại lệ. Kích thước đường ống 3/4 inch (DN20) và kết nối RF 3/4 inch 150# giống như hai thiết bị HART ở trên, nhưng không có đầu ra bộ phát nào cả, chỉ có một thang đo cục bộ. Vật liệu ống và phao được thay đổi từ thép không gỉ 316 có lớp lót PTFE sang PVC trong suốt. Phạm vi lưu lượng giảm xuống còn 0-7 Nm3/h, khoảng 4,1 SCFM, và áp suất định mức cũng thấp hơn, tối đa 5 kg/cm2G (71 psi) nhưng chỉ 1 kg/cm2G (14 psi) trong điều kiện hoạt động bình thường.

Đây là một biện pháp tiết kiệm chi phí phổ biến trên các nhánh đường ống tiện ích có mức độ quan trọng thấp hơn. Một lưu lượng kế ống PVC trong suốt có giá thành thấp hơn nhiều so với bộ truyền tín hiệu HART bằng thép không gỉ, và đối với một đường ống mà người vận hành chỉ cần liếc nhìn trong quá trình kiểm tra, đó thường là lựa chọn đúng đắn. Tuy nhiên, lưu lượng kế ống PVC có giới hạn áp suất và nhiệt độ thấp hơn so với các thiết bị ống kim loại, vì vậy áp suất làm việc trên nhánh này cần phải nằm trong giới hạn định mức của ống, chứ không chỉ nằm trong giới hạn áp suất thiết kế của quy trình.

Tóm tắt thông số kỹ thuật

Vì sao lưu lượng kế kiểu rotameter lại phù hợp với bốn điểm này

Không có điểm đo lưu lượng nào trong bốn điểm này cần độ chính xác hoặc độ lặp lại cao đến mức cần sử dụng đồng hồ đo Coriolis hoặc điện từ. Việc định lượng nước siêu tinh khiết (UPW) ở mức dưới 1,1 GPM và các nhánh cung cấp nitơ dưới 30 SCFM nằm trong phạm vi mà độ chính xác ±0,5% của dải đo của lưu lượng kế ống kim loại là quá đủ, và chi phí lắp đặt thấp hơn là yếu tố quan trọng.

Sự đánh đổi này cần được nói rõ ràng. Số đo của lưu lượng kế phụ thuộc vào mật độ của chất lỏng chảy qua nó. Thay đổi loại khí, thay đổi áp suất đáng kể, hoặc thay đổi trọng lượng riêng của chất lỏng, thì việc hiệu chuẩn sẽ không còn áp dụng được trừ khi đồng hồ đo được thiết kế và hiệu chuẩn cho điều kiện chính xác đó. Đó là lý do tại sao mỗi nhãn trên dự án này chỉ định chất lỏng, áp suất và nhiệt độ riêng thay vì sử dụng lại một phép hiệu chuẩn cho cả bốn nhãn.

Đối với những điểm mà dữ liệu lưu lượng được đưa vào hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hoặc được ghi lại để tạo bản ghi theo lô, chúng tôi khuyên dùng đầu ra HART 4-20 mA, như được chỉ định trên ba trong bốn nhãn ở đây. Đối với đường ống xả hoặc thông hơi mà chỉ cần kiểm tra nhanh bằng mắt thường, phiên bản ống trong suốt, chỉ hiển thị cục bộ sẽ giúp giảm chi phí mà không làm giảm bất kỳ chức năng nào mà ứng dụng thực sự cần.