Для каких сред в трубопроводах подходят датчики расхода дифференциального давления

Датчики расхода дифференциального давления определяют расход среды по разности давлений до и после сужающего устройства. Распространённые комбинации включают диафрагмы, сопла, трубы Вентури, расходомеры с V-конусом и преобразователи дифференциального давления. Принцип их измерения хорошо отработан и особенно подходит для промышленных трубопроводов большого диаметра, высокого давления и непрерывного технологического режима.

Измеряемые среды не ограничиваются каким-либо одним газом или жидкостью, однако плотность, вязкость, температура, давление, коррозионность, содержание твёрдых частиц и стабильность фазового состояния среды влияют на тип сужающего устройства, способ отбора давления, конфигурацию импульсных линий и результаты расчёта диапазона измерений.

Перед выбором датчика необходимо уточнить наименование среды, нормальный и максимальный расход, расчётные температуру и давление, материал трубопровода, диаметр трубы, направление монтажа, а также наличие пульсаций, кристаллизации, засорения и других факторов. Для измерения массового расхода или стандартного объёмного расхода также необходимо получить параметры температуры и давления, требуемые для компенсации плотности среды.

I. Основные типы сред, пригодные для измерения

Газовые и паровые среды

Сжатый воздух, приборный воздух, природный газ, генераторный газ, азот, кислород, водород, аргон и различные технологические отходящие газы могут измеряться датчиками расхода дифференциального давления. Для газовых сред изменения давления и температуры существенно влияют на плотность, поэтому для получения достоверного расхода при стандартных условиях обычно требуется температурно-барическая компенсация.

Насыщенный пар, перегретый пар и пар низкого давления также являются типичными областями применения дифференциального метода измерения. Паропроводы обычно характеризуются высокой температурой, высоким давлением и непрерывной транспортировкой; рекомендуется использовать термостойкие компоненты импульсных линий, конденсационные сосуды и рациональную схему отбора давления, чтобы предотвратить прямое воздействие высокотемпературного пара на чувствительный элемент преобразователя дифференциального давления.

Расход газа и пара обычно находится в квадратичной зависимости от значения перепада давления. При снижении фактического расхода до 50% от расчётного перепад давления снижается примерно до 25% от номинального значения. Поэтому при малых расходах необходимо уделять особое внимание диапазону датчика, нижнему пределу измерения и разрешающей способности сигнала.

Чистые жидкости и обычные технологические жидкости

Оборотная вода, техническая вода, охлаждающая вода, умягчённая вода, питательная вода котлов, конденсат, нефтепродукты, смазочные масла и большинство химических жидкостей со стабильной транспортировкой подходят для применения датчиков расхода дифференциального давления. Изменение плотности жидких сред относительно невелико, поэтому при стабильных рабочих условиях можно получить хорошую повторяемость.

Для жидкостей с низкой вязкостью и малым количеством примесей широко применяются диафрагмы и сопла; если требуется снизить необратимые потери давления, можно рассмотреть сужающие устройства типа трубы Вентури. Потери давления, создаваемые сужающим устройством, необходимо учитывать при расчёте напора насоса, чтобы не нарушить нормальное давление у конечного оборудования-потребителя жидкости.

Жидкостные трубопроводы следует по возможности поддерживать в полностью заполненном состоянии. Если в трубопровод попадают пузырьки газа, возникает локальное испарение или прерывистый поток, перепад давления в точках отбора будет нестабильным, что может вызвать колебания показаний. Как правило, точку измерения следует располагать на участке трубопровода, где не скапливается газ, и избегать зон сильных пульсаций вблизи выхода насоса.

II. Условия применимости для сложных сред

Коррозионные, высокотемпературные и высоконапорные среды

Кислоты, щёлочи, солевые растворы и технологические среды с коррозионными газами могут измеряться датчиками расхода дифференциального давления, однако выбор нельзя осуществлять только по диапазону давления. Материалы сужающих устройств, фланцев отбора давления, импульсных трубок и разделительных мембран, контактирующих со средой, должны выбираться в соответствии со степенью коррозии: нержавеющая сталь 316L, сплав Хастеллой, тантал или фторопластовая футеровка и другие совместимые материалы.

Для применений, где температура среды превышает 120℃, следует оценить теплоотвод импульсных трубок, конденсационную изоляцию и допустимую температуру окружающей среды для электронных компонентов. В паровых системах конденсационные сосуды часто используются для поддержания одинаковой высоты столба жидкости в импульсных линиях с обеих сторон, что снижает температурное влияние и защищает датчик дифференциального давления.

Для трубопроводов высокого давления с газом, жидкостью или паром необходимо одновременно проверить класс статического давления датчика, класс давления фланцев и тип уплотнения. Диапазон перепада давления может составлять всего от 10kPa до 60kPa, тогда как статическое давление в трубопроводе может достигать 1.6MPa, 4.0MPa или даже выше; оба параметра должны подтверждаться отдельно.

Среды с примесями, склонные к кристаллизации или с высокой вязкостью

Оборотная вода с небольшим количеством частиц, разбавленная пульпа или обычные сточные воды могут измеряться дифференциальным методом, если размер частиц невелик, их концентрация низкая, а скорость потока стабильна. Однако обычные диафрагмы легко изменяют размер отверстия вследствие отложений, эрозии или засорения, и их долговременная точность соответственно снижается.

Для высоковязких нефтепродуктов, смол, сиропов и некоторых полимерных растворов параметры сужения необходимо пересчитывать с учётом числа Рейнольдса. При повышении вязкости среды режим течения может отклоняться от расчётных условий; конфигурация по модели чистой воды в таком случае может привести к значительной систематической погрешности и дополнительным потерям давления.

Для сред, склонных к кристаллизации, застыванию, засорению или содержащих волокнистые примеси, рекомендуется использовать фланцевый отбор давления, выносные разделительные мембраны, промывочные соединения или обогрев. Если окно обслуживания короткое, а среда обладает высокой адгезией, следует комплексно сравнить решения на основе электромагнитных, вихревых и массовых расходомеров, а не ориентироваться только на первоначальную стоимость закупки.

III. Условия монтажа определяют стабильность измерения

Прямые участки, отбор давления и конфигурация импульсных линий

Измерение расхода по перепаду давления зависит от относительно стабильного распределения скоростей. При фактическом монтаже перед сужающим устройством обычно следует предусмотреть прямой участок длиной не менее 10D, а после него — не менее 5D, где D — внутренний диаметр трубопровода; при наличии большого количества клапанов, отводов, тройников и переходов диаметра расстояние следует соответствующим образом увеличить с учётом возмущений потока на объекте.

При измерении жидкости преобразователь дифференциального давления обычно устанавливают ниже точек отбора давления, чтобы газ мог возвращаться в основной трубопровод; при измерении газа преобразователь рекомендуется устанавливать ниже точек отбора давления для возврата или отвода конденсата; при измерении пара необходимо обеспечить максимально одинаковую высоту столбов конденсата с обеих сторон.

Длина, внутренний диаметр и условия прокладки двух импульсных трубок должны быть максимально симметричными. Импульсные линии большой протяжённости, перепады наружной температуры, вибрация и засорение создают дополнительные погрешности. При высокочастотных пульсациях можно добавить демпфирование, однако время демпфирования не должно быть слишком большим, чтобы не ухудшить отклик системы управления.

IV. Основные моменты при выборе датчика расхода дифференциального давления

От технологических данных к комплексному решению для измерения

Для полноценного выбора необходимо как минимум предоставить номинальный диаметр трубопровода, толщину стенки, наименование среды, плотность, вязкость, максимальную температуру, максимальное давление, нормальный расход, максимальный расход и минимальный расход. Для газовых и паровых проектов также следует указать, в каких единицах задан расход: объёмный расход в рабочих условиях, объёмный расход при стандартных условиях или массовый расход.

Точность преобразователя дифференциального давления не равна общей точности системы. На конечный результат влияют качество изготовления сужающего устройства, прямые участки при монтаже, состояние импульсных линий, температурно-барическая компенсация и изменение физических свойств среды. Для коммерческого учёта, энергетического учёта и критически важных точек управления приоритетной должна быть оценка погрешности на уровне системы.

Компания «Сиань Шэнхунчуан Приборы и Оборудование» может предоставить преобразователи дифференциального давления, сужающие устройства, интеллектуальные цифровые показывающие приборы управления и сопутствующие решения для измерения и контроля в соответствии с характеристиками среды, параметрами трубопровода и условиями монтажа на объекте. После предоставления параметров рабочих условий на объекте можно дополнительно определить подходящую конструкцию, материал деталей, контактирующих со средой, диапазон измерений и конфигурацию компенсации, чтобы измерение расхода точнее соответствовало фактическим производственным требованиям.