(ب) التباين مع رقم رينولدز بناءً على القطر الداخلي.
كيفية تركيب مقياس تدفق التوربينات الغازية بشكل صحيح؟
التثبيت الصحيح لتحقيق أفضل نتيجة لقياس التدفق
أكدت الأبحاث التي أجرتها محطة أبحاث هندسة الغاز البريطانية أن هذا النوع من مقاييس التدفق يتميز بحساسية ملحوظة تجاه اضطرابات التدفق، مما يجعل تمديد الأنابيب المستقيمة باتجاه المنبع أو المصب ضروريًا في معظم التركيبات العملية (فينيك وجيبسون، ١٩٧٥؛ راجع هاريجر، ١٩٦٦). تشمل الأسباب الرئيسية ما يلي:
1. انخفاض الدوامة في الأنابيب الحلقية ذات القطر الكبير، والذي يعزى إلى الحفاظ على الزخم الزاوي وتأثير تعديل مكيف التدفق؛
2. حدوث انكماش كبير في التدفق في أقسام الأنابيب ذات القطر الصغير؛
3. التأثيرات التكاملية الناشئة عن العلاقة الخطية بين معامل الرفع وزوايا السقوط الصغيرة.
واستنتجوا أن مكيفات التدفق يجب أن يتم نشرها فقط في قسم المدخل إذا كانت الدوامات موجودة في المنبع.
خلص فان دير كام ودام (1993) إلى أن تركيب مكيفات تدفق المدخل يمكن أن يقلل تدفق الدوامات بفعالية. على سبيل المثال، لن يتجاوز خطأ القياس الناتج عن تركيب مرفقين في مستويين مختلفين (بزاوية دوران 40 درجة) 0.3%. تُعد الاختلافات في قطر الأنبوب قبل مقياس التدفق غير مهمة نسبيًا. في الحالات القصوى، يكفي استخدام مُقوِّم تدفق حزمة الأنابيب. لا تؤثر خشونة السطح على الأداء. تكون تأثيرات درجة الحرارة ضمن نطاق 20 درجة مئوية ضئيلة، ولكن يصعب التحقق منها نظرًا لعدم توفر أساليب قياس التحكم اللازمة. لا تُعد مقاييس تدفق التوربينات مناسبة لتدفقات الغاز الرطبة أو المتسخة. يجب أن يظل الغاز نظيفًا وخاليًا من السوائل والغبار، ويجب استخدام مرشح ذي تصنيف 5 ميكرومتر على الأقل عند الضرورة. يجب تنظيف خط الأنابيب قبل المنبع جيدًا قبل التركيب (بونر، 1993؛ ISO 9951).
وفقًا لبحث هاريجر (1966)، يُمكن اعتماد طريقة تركيب مُركّبة، حيث يتكون خط الأنابيب رباعي الأبعاد (4D) العلوي من مُكيّف تدفق ثنائي الأبعاد ومقطع أنبوب مستقيم ثنائي الأبعاد. ومع ذلك، يُمكن أن يُسبب التدفق الدوامي والنبضي تأثيراتٍ كبيرة. يُمكن لمقاييس التدفق المُزوّدة بمُكيّفات تدفق مُدمجة أن تُزيل تأثير التدفق الدوامي. في حال وجود تركيبات الأنابيب ضمن مسافة 5D العلوي من مقياس التدفق، من الضروري تركيب ريش تقويم. أثناء تركيب مقياس التدفق، يجب مُحاذاة خط الأنابيب بعناية، ويجب ألا تكون هناك نتوءات داخل المقطع 5D العلوي. يجب أن يحافظ خط الأنابيب السفلي على قطر ثابت دون قيود إضافية.
خطوط أنابيب مستقيمة كافية قبل وبعد مقياس تدفق توربينات الغاز
وجد فان دير كام وفان ديلين (1991) أنه بالنسبة لمقياس تدفق توربينات الغاز مقاس 12 بوصة، فإن المسافة الصاعدة البالغة 10D كافية لضمان التشغيل السليم في ظل الظروف المسموح بها، في حين تكون المسافة 15D مطلوبة عندما يكون التدفق الدوامي موجودًا.
أجرى ميكان وآخرون (1996أ، 1996ب) وويندت وآخرون (1996) دراسة تجريبية لتوزيع السرعة في خطوط الأنابيب وتأثيره على مقاييس تدفق توربينات الغاز. استخدمت الدراسات تقنيات قياس دوبلر بالليزر، ودرست تأثير تكوينات التركيب المختلفة على أداء مقاييس تدفق الدوامات، بما في ذلك: 1. مُكيفات التدفق؛ 2. تركيبات مرفق واحد؛ 3. مرفقان غير مستويين؛ 4.50% انسداد تدفق بين المرفقين.
يمكن للقراء المهتمين الرجوع إلى المنشورات الأصلية. مع أن معظم الأخطاء التجريبية ظلت أقل من 1%، إلا أن هذه النسبة لم تُلاحظ بشكل عام في جميع ظروف الاختبار.
قام جورج (2002) بدراسة التطورات في تكنولوجيا مقاييس تدفق التوربينات ضمن تقرير AGA رقم 7 المُنقّح. وحددت الدراسة تطورين مهمين منذ عام 1996: تصميمات الدوار المزدوج ومقاييس التدفق ذات المدى الموسّع. وتشمل النتائج الرئيسية ما يلي:
• بالنسبة لظروف التدفق القصير والمتقارب والمقترن بالدوامة والدوامة النقية، أظهرت أربعة أجهزة معايرة مشتركة أخطاء في القياس في حدود ±1%؛
• يمكن لمكيفات التدفق المتكاملة بشكل صحيح عند مدخل العداد تقليل الانحرافات إلى ±0.25%؛
• أظهرت التكوينات ذات الدوار الواحد مقابل الدوار المزدوج تأثيرًا ضئيلًا على تحيز القياس؛
• تتطلب الاختلافات الناجمة عن الضغط تحقيقًا إضافيًا.
أفاد إسلام وآخرون (2003) بنتائج تجريبية لأجهزة قياس تدفق التوربينات مع مكيفات تدفق متكاملة في ظل ظروف تدفق الهواء المضطرب.
قام Balla وTakaras (2003) بتوثيق انحراف بنسبة تقريبية تبلغ 1% في أداء مقياس تدفق الغاز بعد عام واحد من التشغيل، والذي قد يعزى إلى:
1. تراكم المكثفات السائلة
2. الملوثات المتبقية من تصنيع خطوط الأنابيب
أوصى أولبوست وإيكرهوفد (2008) ببروتوكولات الصيانة التالية:
1. فحص خشونة السطح الداخلي للأنابيب
2. التحقق من سلامة مكيف التدفق
3. فحص محاذاة مقياس التدفق
4. إجراءات التفتيش البصري
القيود التشغيلية:
• يُسمح بالسرعة الزائدة المؤقتة التي تصل إلى 20% (على الرغم من أن السرعة الزائدة المستمرة تسبب الضرر)
• مطلوب مراقبة درجة الحرارة في اتجاه مجرى ثنائي الأبعاد لمقياس التدفق (النطاق المحدد من قبل الشركة المصنعة: من -10 إلى 50 درجة مئوية)
• تجفيف الغاز الإلزامي عندما تؤدي ظروف العملية إلى تكثف السوائل في خطوط الأنابيب
الكشف والمراقبة
الطريقة الأكثر شيوعًا لقياس سرعة عجلات التوربينات هي استخدام علبة تروس، والتي قد تُسبب مقاومة بسبب خسائر نقل التروس. بالإضافة إلى ذلك، قد تنشأ المقاومة بسبب الاقتران الكهرومغناطيسي، وآليات عرض التدفق، وعمليات المعايرة. يمكن أن يُقلل استخدام الكشف الكهرومغناطيسي هذه المقاومة بشكل كبير.
بالنسبة للإشارات عالية التردد، يمكن استخدام مفاتيح الحث المغناطيسي أو مفاتيح القرب على شفرات الألومنيوم، أو الشرائط المعدنية على المحور، أو الأقراص المُدارة للعمود الرئيسي، لاستخراج الإشارات بناءً على تأثير التبديل، مما يحقق تردد قياس يصل إلى 3 كيلوهرتز. أما في التطبيقات التي تتطلب من 1 إلى 10 نبضات لكل دورة، فيمكن استخدام مفاتيح القصب أو مستشعرات الفتحات.
قام ريب وجواكيم (2002) بتطوير أداة مراقبة عبر الإنترنت لمقاييس تدفق توربينات الغاز تسمى AccuLERT G-II (حلول قياس FMC)، والتي تدعي أنها تكتشف وتحلل الأخطاء الميكانيكية والأخطاء المرتبطة بالسوائل.
يراقب AccuLERT نسبة زمن الارتفاع، وزمن الانخفاض، والانحراف المعياري. كما يراقب أيضًا متغيرات رئيسية مثل معدل التدفق، والزمن، والتغيرات أثناء التشغيل، لتقدير حالة تشغيل مقياس التدفق.
السوائل غير المستقرة
مقاييس تدفق توربينات الغاز عرضة لظروف التدفق النابض. عند تسارع السائل، تُسبب زاوية السقوط المتزايدة على ريش التوربين تسارعًا أسرع للدوار. في المقابل، قد يؤدي تباطؤ التدفق إلى توقف الريشة مع انخفاض مقاومة السحب، مما يؤدي إلى زيادة تقدير التدفق الكلي. قد يؤدي القياس المطول للتدفقات النابضة للغاية إلى تلف المحامل في مجموعات التوربينات.
قام هيد (1956) بتحديد معامل النبض لمقاييس تدفق التوربينات، والذي تم تعريفه على النحو التالي:
q
i /q
V =(1+αbΓ²)
حيث
q i هو معدل التدفق المعروض بواسطة العداد،
q V هو معدل التدفق الفعلي، (α=1/8 يمثل قانون التغير الجيبي للسائل، يمكن اعتبار b على أنه 1 لأجهزة قياس التدفق غير التالية، وΓ هي سعة نظام التدفق الكامل بالنسبة إلى متوسط السرعة. يعتقد هيد أن Γ=0.1 هي القيمة الحرجة للأخطاء الكبيرة.
يمكن الحصول على منحنى التوهين للسرعة بدون سائل من التحليل العابر، كما هو موضح في الشكل 3. يسمح الشكل بتحديد وقت تباطؤ الدوار حتى التوقف والمنحدر النهائي لمنحنى الاضمحلال. يرتبط هذا المنحدر ارتباطًا فيزيائيًا بنسبة قوة السحب إلى القصور الذاتي في ظل ظروف التدفق الصفري، مما يعمل كمؤشر تشخيصي لحالة المحمل.
مع ذلك، شكك دي يونغ وفان دير كام (1993) في مصداقيته في ظل ظروف الضغط العالي. يمكن للقراء أيضًا الرجوع إلى مقال لي وإيفانز (1970)، الذي يصف كيفية حصولهما على منحنى توهين السرعة باستخدام طريقة حمل الاحتكاك الميكانيكي الخارجي، وقدّم قيمًا نموذجية لقوة القصور الذاتي. على سبيل المثال، بالنسبة لمقياس تدفق منخفض الضغط بقطر 150 مم، يكون القصور الذاتي الدوراني للدوار البلاستيكي I=0.242×10⁻³kg⋅m³، والقصور الذاتي الدوراني للدوار الألومنيوم عالي الضغط I=0.486×10⁻³kg⋅m³. كما درسا تباين الأوراق بقيمة η=0.2.
الشكل 3 منحنى اضمحلال السرعة الدورانية لمقياس التدفق الذي يدور بحرية
أثناء اختبار الدوران لأسفل
(أعيد إنتاجه بإذن من ASME، بعد لي وإيفانز، 1970)
قدم لي وآخرون (1975) الخطأ الناتج عن التقلبات الجيبية. بافتراض أسوأ سيناريو، حيث لا يستطيع الدوار متابعة النبضة بسبب القصور الذاتي المفرط، يُحصل على خطأ بنسبة 0.5% تقريبًا عند مؤشر نبضة 0.1، ويُحصل على خطأ بنسبة 2% تقريبًا عند 0.2، حيث يكون مؤشر النبضة
Γ=
الشكل 4 مُستمد من نتائج فينويك وجيبسون (1975)، التي توضح تأثير نبضات الموجة المربعة على مقاييس تدفق التوربينات. وجد ماكي (1992) أن الخطأ كان صفرًا عند تباين 2%، وتجاوز 1.5% عند تباين 6% [أتكينسون، 1992]. استُخدمت أساليب حسابية عددية لتحديد الأخطاء الناتجة عن نبضات السوائل الجيبية تقريبًا في مقاييس التدفق. أعرب تشيزرايت وآخرون (1996) عن مخاوفهم بشأن نقص البيانات المُبلغ عنها حول أشكال الموجة النبضية.
أجرى فينيك وجيبسون (1975) تجارب عن طريق إدخال تدفق نبضي لمدة 60 ثانية في مقياس تدفق 100 مم، مما أدى إلى قياسات تتجاوز معدل التدفق الفعلي بنسبة 40٪.
اختبر جونجوفسكي ووايس (1996) مقياس تدفق بقطر 100 مم تحت تدفق هواء نابض بترددات تتراوح بين 5 و185 هرتز. أظهرت نتائجهما أنه عندما كانت نسبة جذر متوسط مربع السرعة إلى متوسط السرعة 0.1، كانت القراءات مبالغًا فيها بنسبة 1%، وعندما كانت 0.2، وصلت إلى 4%.
قدّم ستولتنكامب وآخرون (2003) دراسةً شيقةً ناقشت احتمالية وجود قراءات مضللة لمقياس تدفق التوربينات نتيجةً لتذبذبات الغاز الناتجة عن التأثيرات الصوتية. كما اقترحوا نموذجًا نظريًا لتفسير هذه الظاهرة.
لقد قمت بمعالجة بعض البيانات التجريبية حيث تحول معدل تدفق الغاز الطبيعي من مرتفع إلى منخفض، مصحوبًا بتغيرات مفاجئة وأخطاء كبيرة - وهو سلوك تنبأ به بالفعل جيبسون وآخرون في منهجيتهم.
الشكل 4 تأثيرات التدفق المعدل في
مقياس تدفق توربيني 100 مم أين يمكن استخدام عدادات تدفق التوربينات الغازية؟
مقياس تدفق التوربينات الغازية مناسب لجميع الغازات غير المسببة للتآكل وغازات الوقود، بما في ذلك:
مقياس تدفق غاز ثاني أكسيد الكربون ، غاز المدينة، الغاز الطبيعي، غاز التكرير، غاز فرن الكوك،
مقياس تدفق البروبان ، مقياس تدفق البوتان، مخاليط غاز البترول المسال/الهواء، الأسيتيلين، الإيثان، مقياس تدفق النيتروجين، ثاني أكسيد الكربون CO2، الهواء، وجميع الغازات الخاملة.
تقيس عدادات تدفق توربينات الغاز الغاز الطبيعي
لا يتم استخدام مقاييس تدفق التوربينات بشكل عام لقياس الأكسجين بسبب الأسباب التالية:
1. يجب أن يكون الزيت غير متفاعل مع الأكسجين.
2. يجب ألا تتجاوز سرعة تدفق الأكسجين في خطوط الأنابيب 10 م/ثانية، حيث أن السرعات الأعلى قد تسبب أكسدة خطوط الأنابيب - وتتطلب مقاييس تدفق توربينات الغاز سرعات أقل.
قام فريم (1981) بتعديل تقنية قياس تدفق السوائل الشائعة لتطوير طريقة لقياس تدفق الكتلة لغاز الإيثيلين. استخدمت هذه الطريقة مقياس تدفق، ومقياس كثافة، وحاسوب تدفق، ومثبت مكبس ثنائي الاتجاه. بلغت دقة هذا المقياس ±0.2%، مع الحفاظ على خطية تتراوح بين 20% و100% من المقياس الكامل.
المزايا والعيوب
مقياس تدفق توربينات الغاز عالي الدقة
١. يُؤثر التآكل أو التلف الميكانيكي على الاحتكاك وهندسة الشفرات، مما يُقلل من نطاق تعديل مقياس التدفق ويسبب انحرافات في القراءة. يُمكن للترشيح أن يُبطئ تدهور العداد، لذا فإن الفحوصات الدورية ضرورية. قد يُشير اختبار التباطؤ إلى تدهور المحمل.
٢. التقلبات السريعة في السوائل تُسبب قراءة زائدة. على سبيل المثال، قد تؤدي دورة تدفق مدتها ١٠ دقائق (تشغيل/إيقاف) إلى زيادة في التقدير بنسبة ٣٪.
3. يؤدي التدفق الدوامي إلى تشويه القراءات، مما يستلزم استخدام أداة تقويم التدفق.
4. يمكن أن تؤدي اختلافات الضغط والاحتكاك العالي إلى انحراف القراءة بنسبة تصل إلى 2%.
5. فشل مقياس التدفق لا يؤثر على سلامة تدفق الغاز.
بالإضافة إلى ذلك، ناقش فان دير كام، ودام، وفان ديلين (1990) الموثوقية، والدقة العالية، وقياس الدوار المزدوج، وأنظمة المحامل.
