SO SÁNH GIỮA CÔNG NGHỆ ĐO CHÊNH ÁP VÀ CÔNG NGHỆ PHÂN TÁN NHIỆT TRONG VIỆC CHỌN LỰA ĐỒNG HỒ ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ
Trong thời đại ngày nay, khi mà chi phí nhiên liệu và tiêu dùng (như khí tự nhiên, H2, O2, CO2.v.v..) ngày một tăng lên, thì khả năng đo kiểm chính xác của các thiết bị đo được sử dụng trong các quá trình trở nên rất quan trọng nhằm kiểm soát toàn bộ chi phí và lợi nhuận cho các doanh nghiệp. Nó có thể đã được chấp nhận trong quá khứ để kiểm soát được các chi phí phát sinh để có thể duy trì công việc kinh doanh, tuy nhiên, cho đến hiện tại nhiều công ty mới đang bắt đầu phân tích hiệu suất thực của các khí trong quá trình xử lý nhiệt để xác định hiệu quả và lợi nhuận của từng công việc cụ thể. Vì vậy, điều này rất quan trọng để thực hiện một dự án chiến lược nhằm tăng hiệu quả kinh tế, tăng khả năng đo chính xác của các thiết bị cho các bộ phận như các nồi hơi, bộ hâm, và thiết bị được đốt nóng khác.
Công nghệ đo lưu lượng chung (General Flow Meter Technologies )
Khi chúng ta đã xác định được mức độ và tầm quan trọng của việc đo lường này, có thể tương đối dễ dàng để chọn một được một thiết bị đo lưu lượng để đáp ứng nhu cầu của chúng ta. Như công nghệ đo chênh áp (Differential Pressure) với các thành phần dòng chảy chính, công nghệ đo kiểu từ trường (Magnetic), siêu âm (Ultrasonic), Tuabin (Turbine), Venturi, Rotameter, Coriolis, Vortex Shedding, phân tán nhiệt và một số công nghệ khác nữa hiện nay. Chúng ta cũng có thể lắp đặt thêm vào dây chuyền công nghệ hiện có cùng một loại đồng hồ đo với loại đang được sử dụng nếu như chúng ta hoàn toàn thành thạo với nó, hoặc nếu không chúng ta có thể tìm kiếm từ khóa “đồng hồ lưu lượng” trên các trang web và lập tức sẽ tìm thấy một vài loại đồng hồ, một vài thứ gì đó hoặc là không tốn kém hoặc là công nghệ cao. Làm như vậy liệu có khó khăn gì không ? Tuy nhiên, không hoàn toàn dễ dàng như vậy, để làm được như vậy, đòi hỏi chúng ta phải phân tích nhiều hơn để đảm bảo chắc chắn rằng, giải pháp chọn lựa đồng hồ này sẽ phù hợp với ứng dụng thực tế của chúng ta.
Nên đưa ra các vấn đề để cùng xem xét, nhưng không nhất thiết chỉ giới hạn trong các thông số sau đây khi chọn một đồng hồ đo lưu lượng cho khí: như độ chính xác (accuracy), hệ số turndown, sụt áp, nhiệt độ quá trình ( process temperatures), các yêu cầu bổ sung bộ cảm biến, và các quá trình kết nối (process connections). Để giúp chúng ta so sánh tính hiệu quả các công nghệ, chúng ta sẽ xem xét cụ thể các vấn đề này trong hai công nghệ điển hình sau đây: Công nghệ đo chênh áp (Differential Pressure) và công nghệ phân tán nhiệt (Thermal Dispersion technologies)
Công nghệ đo chênh áp (Differential Pressure Technology)
Phương pháp đo lưu lượng chất lỏng phổ biến nhất được sử dụng là công nghệ đo chênh áp (differential pressure) với đĩa orifice. Độ chênh áp có được qua đĩa orifice tỷ lệ trực tiếp với lưu lượng thể tích trong ống dẫn. Các thành phần lưu lượng chính khác được sử dụng tương tự với transmitter chênh áp thông thường gồm có ống pitot, ống pitot trung bình (ví dụ như Annubars), v-wedges, và v-cones (ví dụ như McCrometer)
Những thiết bị này cũng thường được chọn lựa trong việc đo lưu lượng khí dựa trên việc duy trì công nghệ chênh áp và đã được sử dụng trong một số nhà máy. Tuy nhiên, mục tiêu thực sự của chúng ta là để nâng cao độ chính xác của việc đo lưu lượng khí của các quá trình. Kể từ khi chúng ta cố gắng để đo lường một khí nén, chúng ta đã nhận ra rằng tỷ lệ lưu lượng khối lượng là có lợi hơn so với tỷ lệ lưu lượng thể tích (hình 2). Nếu không tính đến các thành phần tỷ trọng của khí sẽ thay đổi cùng với quá trình thay đổi của nhiệt độ và áp suất, giá trị đọc về lưu lượng thể tích sẽ không thể phản ánh chính xác lượng khí tiêu thụ trong các quá trình.
Công thức tính lưu lượng cơ bản:
Để có thể khắc phục được các hạn chế của đồng hồ đo lưu lượng thể tích trong các ứng dụng đo khí. Bạn có thể bổ sung thêm các transmiter nhiệt độ và áp suất để cung cấp các dữ liệu cần thiết nhằm bù đắp cho những thay đổi về tỷ trọng khí trong các điều kiện quá trình. Sau đó gửi các giá trị đo được như lưu lượng, nhiệt độ và áp suất tới PLC hoặc DCS, từ đó sẽ cho phép chúng ta tính toán ra lưu lượng khối lượng. Tuy nhiên, nếu như vậy, chúng ta sẽ có thêm rất nhiều phát sinh phức tạp, đó là chi phí cho việc thêm các cảm biến, và chi phí để lắp đặt. Do vậy, thay vì phải làm việc với các thiết bị như tấm orifice hoặc ống pitot trung bình, …thì việc sử dụng một bộ đo đa biến chắc chắn sẽ đơn giản hóa rất nhiều việc cài đặt của chúng ta.
Nếu bạn nhìn sâu hơn về các chi tiết kỹ thuật, độ chính xác có thể thay đổi theo khoảng tỉ lệ (turndown), tỷ lệ phần trăm của dải đo, ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tĩnh. Trong trường hợp các điều kiện hoạt đông là tốt nhất có thể cung cấp độ chính xác tốt hơn là +/- 1%, nhưng trên thực tế, độ chính xác thật sự chỉ có thể được +/ – 5% hoặc cao hơn tùy thuộc điều kiện quá trình thực tế. Đó là chúng ta vẫn chưa tính đến các sai số của việc bổ dung thêm các transmiter nhiệt độ và áp suất bởi vì chúng ta đang cố gắng để xác định dải lưu lượng khối lượng, chứ không phải là thể tích!
Khi sử dụng một bộ đo chênh áp (DP) với một tấm orifice, tỷ lệ turndown sẽ có thể vào khoảng 10:1, hoặc có thể là 20:1 phụ thuộc vào transmiter. Điều này có thể trở thành một vấn đề đáng kể khi dải lưu lượng khí yêu cầu là cao đối với một quy trình này hoặc rất thấp cho các công nghệ khác. Nếu không có turndown đầy đủ, chúng ta có thể dừng lại với một đồng hồ mà chỉ có khả năng đo chính xác ở mức cao của dải lưu lượng. Đó là một cách làm phổ biến để “sắp đặt” các đồng hồ với các dải đo khác nhau để đo lưu lượng từng phần của công nghệ với cùng một môi chất chính nhằm tăng phạm vi đo lưu lượng. Cách tiếp cận này làm tăng thêm chi phí và phức tạp (complexity) của hệ thống của chúng ta.
Công nghệ phân tán nhiệt (Thermal Dispersion Technology) theo nguyên lý đẳng dòng
Một công nghệ khác thường được sử dụng trong các ứng dụng đo lưu lượng khí hiện nay là công nghệ phân tán nhiệt (Thermal Dispersion). Nó cũng có thể được gọi là công nghệ chênh nhiệt (∆T) hoặc đơn giản là công nghệ nhiệt. Với công nghệ này người ta dùng một dòng cố định để cung cấp nhiệt lượng cho đầu đo nhiệt chủ động (Active RTD) còn đầu đo tham chiếu sẽ đo nhiệt độ của dòng môi chất làm giá trị tham chiếu. Khi tốc độ dòng môi chất tăng lên thì đầu đo nhiệt chủ động sẽ được làm mát và do đó dẫn đến ∆T sẽ giảm kéo theo ∆R và ∆U đầu ra sẽ giảm đi theo, từ đó sẽ tính toán ra được lưu lượng của môi chất.
Hình vẽ này sẽ cung cấp các thông tin cơ bản về nguyên lý hoạt động của công nghệ phân tán nhiệt. Đây là công nghệ rất ưu việt, bởi vì nó đã được tích hợp sẵn việc tính toán các thông số liên quan của môi chất như tỷ trọng (density), độ nhớt tuyệt đối (absolute viscosity), hệ số dẫn nhiệt (thermal conductivity) và nhiệt độ cụ thể của khí được đo. Kết quả cuối cùng sẽ hiển thị ra giá trị đọc lưu lượng khối lượng (mass flow) chính xác mà không yêu cầu phải gắn thêm bất kỳ thiết bị đo hỗ trợ nào hoặc các phép tính nào khác.
Sơ đồ thuật toán nguyên lý đẳng dòng
Công nghệ này do Hãng FCI (Mỹ) sáng chế ra và đã đăng ký bản quyền sáng chế và sử dụng trên toàn thế giới.
Công nghệ này có rất nhiều ưu điểm nổi trội như:
+ Kết quả sẽ ổn định trong việc đo lưu lượng, đo mức các dòng chảy có chất bẩn, hỗn hợp các loại khí gas, dầu hay các khí ẩm ướt.
Đây có thể nói là ưu điểm lớn nhất của thiết bị của FCI mà hầu hết các hãng thiết bị đo lưu lượng khác không có được. Chính vì thế mà thiết bị FCI đã tỏ rõ vị thế dẫn đầu trong ngành công nghiệp dầu khí, gas, nhiệt điện.
+ Không yêu cầu có thiết bị điện gắn ở đầu sensor thậm chí với cấu hình điều khiển từ xa. Nó sẽ rất tốt đối với những ứng dụng đo trong môi trường khắc nghiệt.
Đối với hầu hết các ứng dụng, chúng ta có thể hy vọng đạt được một tỷ lệ turndown đến 100:1 với một đồng hồ nhiệt. Điều này cho phép chúng ta duy trì mức độ chính xác cao trên phạm vi toàn dải dòng chảy mà không cần phải dùng cùng lúc nhiều thiết bị.
Các thiết bị đo lưu lượng vốn đã phù hợp với hầu hết các ứng dụng nhiệt độ cao. Nhưng từ khi chúng ta nghĩ ra việc lắp các đầu đo RTDs trong các ống thermowells, dải nhiệt độ tiêu chuẩn của những đồng hồ này đã tăng lên khoảng 350° F. Cùng từ đó, với việc sửa đổi thiết kế các bộ phận khác cho phù hợp, một số nhà sản xuất đã cung cấp cho thị trường các dòng sản phẩm mới phù hợp với quá trình nhiệt độ cao từ 500 ° F lên tới 850 ° F mà không yêu cầu cài đặt thêm các thành phần cảnh báo nào khác phụ trợ.
Việc lắp đặt một bộ phận của đồng hồ đo lưu lượng rất đơn giản. Trong trường hợp của một đồng hồ đo kiểu in-line, phần lắp vào đường ống có thể được cung cấp với một trong hai loại bắt ren (threads) hoặc lắp mặt bích (flanges). Tuy nhiên, trên thực tế lại dùng phổ biến với kiểu cắm trực tiếp vào đường ống (Insertion) với việc bắt ren vào đường ống do tính tiện lợi, lắp đặt rất dễ dàng. Không giống như transmiter chênh áp, việc định kỳ kiểm chuẩn thường xuyên các đồng hồ đo theo công nghệ phân tán nhiệt là không cần thiết. Các nhà sản xuất thường khuyến cáo rằng việc kiểm tra hiệu chuẩn có thể thực hiện từ 12 đến 18 tháng một lần. Đặc biệt hơn, với các thiết bị của Hãng FCI, còn có các thiết bị hỗ trợ chuyên dụng giúp cho việc bảo dưỡng online một cách dễ dàng mà không làm ảnh hưởng đến việc hoạt động liên tục của dây chuyền công nghệ.
Chúng ta cũng nên biết rằng các đồng hồ nhiệt thông thường calib chính xác cho một thành phần khí cụ thể. Ví dụ, có thể là một khí duy nhất như không khí, hydro, oxy, .v.v hoặc một thành phần như khí tự nhiên (Mêtan và Etan). Nếu thành phần này thay đổi, giá trị đọc hiển thị thường sẽ vẫn lặp lại nhưng nó sẽ không còn được chính xác như mong muốn. Việc sử dụng chính xác các khí để hiệu chỉnh tại nhà máy có thể giúp nâng cao độ chính xác đối với một số quy trình nhất định.
Trên thực tế ứng dụng, nếu các môi chất của chúng ta bị tắc hoặc bị ngưng tụ (condensation) trong các đường ống, đồng hồ lưu lượng có thể cung cấp các giá trị đọc sai do các đầu đo chủ động không được làm mát bởi các dòng môi chất. Trong một số trường hợp, việc lắp đặt các đồng hồ lưu lượng với các đầu đo RTDs ở vị trí thích hợp trong đường ống có thể giảm hoặc loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng này. Các trường hợp khác có thể yêu cầu sử dụng các thiết bị ngưng tụ (knock-out) hoặc bộ lọc để giảm độ ẩm đến mức có thể chấp nhận được.
Ý tưởng về sử dụng bộ điều tiết lưu lượng (flow conditioner)
Một yếu tố có tác động rất lớn đến việc đo chính xác của các đồng hồ lưu lượng khí là khoảng cách ở thượng lưu (upstream) và hạ lưu ( downstream) của môi chất với điều kiện đường ống chạy thẳng (straight-run). Đối với các kích thước đường ống lên đến 6 inch (DN 150), thông thường khoảng cách trước điểm đo (upstream) là 20D (bằng 20 lần đường kính ông) và khoảng cách sau đồng hồ thường là 10D (bằng 10 lần đường kính ống), đây là khoảng cách cần thiết từ điểm đo cho một đồng hồ lưu lượng có thể đo bình thường và hiển thị chính xác lưu lượng của môi chất. Ngoài ra, đối với đường ống trên 6 inch (lớn hơn DN 150) khoảng cách là 15D ở trước điểm đo và sau điểm đo là 7.5D. Mặc dù trên thực tế có thể tìm thấy một khoảng cách 7,5 ft (~ 2.25 m) thẳng chạy của đường ống 3 inch (75mm), nhưng sẽ là khó khăn hơn để xác định được khoảng cách thích hợp 22,5 ft (6.75m) chạy thẳng cho đường ống 12 inch (DN300). Khi không đủ điều kiện để chạy thẳng, có vật cản (ví dụ như các khuỷu, van, vv) có thể phá vỡ cấu hình dòng chảy và giảm tính chính xác của bất kỳ công nghệ đo lưu lượng đang được sử dụng. Tại những khuỷu (elbows) này thường sinh ra các dòng chảy xoáy, làm biến dạng trạng thái của dòng chảy. Gây sai số trong quá trình đo lường của hầu hết các công nghệ hiện nay. Nhằm khắc phục nhược điểm này, Hãng FCI (Mỹ) đã phát minh ra bộ điều tiết lưu lượng (flow conditioner) với các cấu hình khác nhau nhằm giải quyết triệt để vấn đề trên
Các dạng điều tiết lưu lượng phổ biến
Vì mục tiêu của chúng ta là để cải thiện và nâng cao độ chính xác của việc đo lưu lượng nên chắc chắn không thể chấp nhận thêm bất kỳ một sai số nào. Bước tiếp theo là chúng ta phải biết được những biến dạng trạng thái dòng chảy (distorted velocity profiles) sinh ra do các điều kiện thực tế trên đường ống. Sự xuất hiện của nhiều vật cản thường là nguyên nhân chính gây nên các biến dạng cấu hình của dòng chảy. Điều này sẽ ảnh hưởng đến các việc hiển thị chính xác các giá trị đo, được dựa trên vận tốc trung bình hoặc tối đa của trạng thái dòng chảy. Nếu hiểu rõ được vấn đề này, chúng ta có thể hoàn toàn làm chủ công nghệ và đưa ra các giải pháp sát thực và phù hợp nhất với từng ứng dụng cụ thể tại nhà máy.
Các giải pháp điều tiết lưu lượng phổ biến nhất hiện này bao gồm là tấm lỗ (perforated plate), kiểu Vane, Các ống chia nhỏ dòng chảy (Tube bundle) và các tab (hình 8). Đây là tất cả các thiết bị cơ khí đơn giản được cài đặt trong đường ống trước thiết bị đo. Tấm lỗ Perforated và vane giúp cải thiện trạng thái dòng chảy thẳng, nhưng lại có giới hạn khi gặp dòng chảy xoáy. Chỉ có những thiết kế kiểu tab đã loại bỏ được hoàn toàn những tác động của dòng chảy xoáy hoặc các biến dạng trạng thái của dòng chảy, bằng cách tạo ra các miếng tab gắn liên tiếp nhau ở đầu đường ống nhằm tạo ra trạng thái vận tốc thẳng giúp cho thiết bị đo có thể hoạt động ở điều kiện tối ưu. Việc lắp đặt thêm các tab điều tiết này cũng có thể hạn chế tối đa tổn thất áp trên đường ống nhằm tiết kiệm năng lượng cho cả quá trình vận hành liên tục của nhà máy.
Ứng dụng thực tiễn
Dưới đây là một số các ứng dụng điển hình của việc áp dụng các thiết bị đo lưu lượng theo công nghệ phân tán nhiệt trong các ngành công nghiệp trọng điểm.
Kết luận
Có thể nói, sự ra đời của công nghệ phân tán nhiệt cùng nguyên lý đẳng dòng đã đóng góp vai trò đáng kể nhằm nâng cao độ chính xác trong đo lưu lượng và giảm chi phí trong vận hành. Cải thiện sai số trong các quá trình đo lường, tiết kiệm và hạn chế tối đa các chi phí không cần thiết trong thời buổi chi phí tăng cao hiện nay. Việc hiển thị chính xác các thông số lưu lượng trong các quá trình đo kiểm trong các ngành công nghiệp đã hỗ trợ tối đa cho các nhà quản lý xây dựng các chiến lược kinh doanh, tối đa hóa lợi nhuận, giảm thiểu rủi ro cho quá trình sản xuất và kinh doanh của mình.
Thông tin liên hệ:
Đại diện chính Hãng FCI-Mỹ tại thị trường Việt Nam
VINTEC ENGINEERING JSC
LK1-L12A, Roman Plaza, đường Tố Hữu
Phường Đại Mỗ, Q. Nam Từ Liêm, Hà Nội
Tel: +84 24 2284 4488
Fax: +84 24 2284 4489
Mobile: +84 936440286
Email: sales@vintec.com.vn
Web: www.vintec.com.vn
