العربية
تُقدّم هذه المقالة مبدأ عمل مقياس تدفق الكتلة بقوة كوريوليس ومزاياه، مع التركيز على سرد وتحليل بعض المشكلات التي وُجدت في استخدامه في عمليات قياس المواد المختلفة في شركات البتروكيماويات. كما تُسلّط الضوء على المسائل التي يجب مراعاتها عند اختيار وتركيب مقياس تدفق الكتلة بقوة كوريوليس، وتناقش تأثير الإجهاد والضغط عليه.
يستخدم مقياس تدفق الكتلة بقوة كوريوليس على نطاق واسع في البتروكيماويات وغيرها من المجالات، وهو أحد أكثر أدوات قياس التدفق تطوراً في العالم اليوم.
يُعد مقياس تدفق الكتلة كوريوليس شائعًا في صناعة البتروكيماويات
تُعدّ شركة جينشي للبتروكيماويات، وهي شركة تكرير وكيميائيات كبرى، منتجًا رئيسيًا للبنزين والكيروسين والديزل والهيدروكربونات السائلة وغيرها من المنتجات. ويُعتبر مقياس تدفق الكتلة كوريوليس موثوقًا به في عملية قياس هذه المواد، لا سيما في قياس منتجات المصنع، بدقة تقل عن 2 بالألف، مما يُحسّن دقة قياس تدفق الطاقة والمواد في شركة جينشي للبتروكيماويات، ويتجنب الخسائر غير الضرورية، ويضمن عدم الإضرار بمصالح الشركة.
بالنسبة للشركات التي تبحث عن حلول موثوقة لقياس تدفق كوريوليس، توفر شركات مثل Silver Automation Instruments خطوط إنتاج شاملة لأجهزة قياس التدفق الكتلي مصممة لتلبية المتطلبات الصعبة لصناعة البتروكيماويات.
يوفر موقع Silverinstruments.com مجموعة كاملة من عدادات تدفق كوريوليس
مقياس تدفق الكتلة كوريوليس (CMF) هو مقياس تدفق كتلة مباشر يستخدم مبدأ قوة كوريوليس، والتي تتناسب مع معدل تدفق الكتلة، الناتج عن السائل في نظام دوار أثناء تحركه في خط مستقيم.
كما هو موضح في الشكل 1، عندما يتحرك جسيم كتلته m بسرعة υ في أنبوب يدور بسرعة زاوية ω حول المحور p، فإن الجسيم يتعرض لمكونين من التسارع والقوة.
الفيزياء الكامنة وراء القياس:
1) التسارع الطبيعي، المعروف أيضًا باسم تسارع القوة المركزية α r، له مقدار يساوي ω 2r، والاتجاه نحو المحور P؛
2) التسارع المماسي α t، المعروف أيضًا باسم تسارع كوريوليس، له مقدار 2 Ωυ وهو عمودي على α r. بسبب الحركة المركبة، تؤثر قوة كوريوليس Fc=2 Ωυ m على الجسيم في اتجاه α t، ويؤثر الأنبوب بقوة معاكسة - Fc=-2 Ωυ m على الجسيم.
عندما يتدفق سائل بكثافة ρ بسرعة ثابتة υ في أنبوب دوار، فإن أي جزء من الأنبوب بطول Δ x سيتعرض لقوة كوريوليس مماسية مقدارها Δ Fc.
الشكل 1. قوة كوريوليس
التطبيق الحديث لقوة كوريوليس
لذلك، فإن قياس قوة كوريوليس المتولدة عن السائل المتدفق في خط أنابيب دوار بشكل مباشر أو غير مباشر يمكن أن يحدد معدل تدفق الكتلة، وهو المبدأ الأساسي لـ CMF.
مع ذلك، يصعب توليد قوة كوريوليس من خلال الحركة الدورانية. حاليًا، تُنتج جميع المنتجات عن طريق اهتزاز الأنابيب، ما يعني أن أنبوب قياس رقيق الجدران ذو طرفين ثابتين يُثار عند تردد الرنين أو تردد قريب منه (أو تردد توافقي أعلى) عند منتصف الأنبوب. يُولّد السائل المتدفق داخل الأنبوب قوة كوريوليس، مما يُسبب انحرافًا معاكسًا في النصفين الأمامي والخلفي للأنبوب عند المنتصف. تُقاس قيمة الانحراف لحساب معدل تدفق الكتلة.
تشمل مزايا مقياس تدفق الكتلة بقوة كوريوليس بشكل رئيسي الجوانب التالية:
(1) قياس مباشر لمعدل تدفق الكتلة بدقة قياس عالية؛ على عكس مقاييس التدفق الحجمي (مثل مقاييس تدفق التوربينات أو مقاييس تدفق الدوامة) التي تتطلب تعويض الكثافة، توفر مقاييس كوريوليس قياسًا مباشرًا للكتلة بدقة رائدة في الصناعة.
لا يمكن لمقياس التدفق الحجمي، مثل مقياس التدفق الدوامي، قياس تدفق الكتلة بشكل مباشر.
(2) مجموعة واسعة من السوائل القابلة للقياس، بما في ذلك السوائل المختلفة ذات اللزوجة العالية (مثل الراتنج والبيتومين والنفط الخام)، والمواد المعلقة التي تحتوي على مواد صلبة، والسوائل التي تحتوي على كمية صغيرة من الغاز الموزع بشكل موحد (محتوى الغاز في حدود 5٪)، والغازات ذات الكثافة الكافية (الغازات ذات الضغط العالي).
(3) سعة أنبوب القياس صغيرة ويمكن اعتبارها مكونًا غير متحرك؛ لا توجد عوائق أو أجزاء متحركة داخل أنبوب القياس.
(4) غير حساسة لتوزيع سرعة التدفق في اتجاه المنبع، لذلك لا يوجد شرط لوجود أقسام أنابيب مستقيمة في اتجاه المنبع وفي اتجاه المصب.
(5) قيمة قياس التدفق غير حساسة للزوجة السائلة، وتأثير كثافة السائل على قيمة قياس التدفق ضئيل.
(6) يمكن لمقياس التدفق الكتلي قياس معايير متعددة. يمكن للقياس المتزامن لمعدل التدفق الكتلي قياس كثافة السائل ودرجة حرارته، بالإضافة إلى استخلاص قياسات لمعدل التدفق الحجمي، وتركيز المذاب، ومحتوى الأطوار المختلفة (أو المكونات) في السوائل ثنائية الطور السائلة والصلبة (أو السوائل ثنائية المكونات غير القابلة للامتزاج).
يمكن الكشف عن معايير متعددة بواسطة مقياس تدفق الكتلة كوريوليس
في عمليات البتروكيماويات، أدى التركيز المتزايد على ضبط التكاليف ورفع الكفاءة إلى زيادة متطلبات قياس الطاقة والمواد في جميع مراحل الإنتاج والتوزيع. وقد قامت المنشآت بتحديث وتطوير أجهزة القياس لديها بشكل مستمر، بما في ذلك عدادات تدفق الكتلة المستخدمة لتتبع عمليات نقل المواد بين وحدات معالجة النفط الخام والمعدات المرتبطة بها.
في مجال توصيل المنتجات تحديداً، تُستخدم عدادات تدفق الكتلة كوريوليس عالية الدقة على نطاق واسع للبنزين والكيروسين والديزل والغاز المسال والبروبيلين. وقد دعم موردون ذوو جودة عالية مثل شركة سيلفر إنسترومنتس ( silverinstruments.com ) هذه التطبيقات بحلول عدادات تدفق كوريوليس متينة ومثبتة ميدانياً، مصممة خصيصاً للبيئات البتروكيماوية.
يمكن استخدام مقياس تدفق كوريوليس لقياس البنزين والديزل وغاز البترول المسال والكيروسين وما إلى ذلك.
على الرغم من الأداء الاستثنائي الذي توفره عدادات التدفق الكتلي، إلا أنه قد تظهر بعض المشاكل أثناء التشغيل. وبناءً على تحليلنا، تنقسم الأسباب الرئيسية لهذه المشاكل عمومًا إلى فئتين: عوامل خارجية مثل التركيب غير الصحيح، وعوامل داخلية تتعلق بالخصائص الفيزيائية ومعايير الوسط المقاس.
دراسة حالة - تحدي تركيب رصيف التحميل:
في عام 2002، تم تجهيز رصيف تحميل شركة جينشي للبتروكيماويات بستة عدادات تدفق كتلي بقطر 150 مم (6 بوصات)، والتي استُخدمت لقياس البنزين والديزل أثناء التحميل. خلال التشغيل الأولي، شهد أحد عدادات تدفق الديزل تدفقًا لحظيًا قصيرًا يتراوح بين 5 و7 أطنان دون تحميل.
كيفية ضبط نقطة الصفر على مقياس تدفق الكتلة كوريوليس
على الرغم من إجراء العديد من عمليات الفحص الميداني وتعديل نقطة الصفر، استمرت هذه الظاهرة. وفي النهاية، تم فصل مستشعر تدفق الكتلة عن خط أنابيب العملية، وتبين أن الحافة الموجودة على أحد جانبي المستشعر تختلف بمقدار 3 سم أفقيًا عن الحافة المتصلة بخط أنابيب العملية.
في ذلك الوقت، لم يكن فريق التركيب على قدر كافٍ من الكفاءة، وكان قائد الموقع يفتقر إلى الخبرة. ونتيجةً لذلك، كان مستشعر تدفق الكتلة موصولاً بشكل غير محكم، مما أدى إلى إجهاد خط الأنابيب عليه. وفي حالة هبوب رياح بحرية قوية، كان مقياس التدفق يتعرض لتدفق لحظي قصير يتراوح بين 5 و7 أطنان، مما أثر على دقة قياسه.
التركيب الصحيح لضمان التشغيل السليم لمقياس تدفق كوريوليس
لذا، يُعدّ تركيب عدادات تدفق الكتلة وعوامل أخرى، كبيئة الموقع، من أهم العوامل المؤثرة على دقة قياس عدادات تدفق الكتلة من نوع كوريوليس. تُبيّن هذه الحالة كيف تؤثر جودة التركيب والعوامل البيئية بشكلٍ حاسم على أداء عداد التدفق، مما يجعل إجراءات التركيب السليمة والتوجيه من الخبراء ضرورية لنجاح عملية التركيب.
1.1 تحليل تأثير الإجهاد على خط الأنابيب
أثناء عملية تركيب المستشعر، إذا لم يكن مركز خط الأنابيب الذي يربط مستشعر التدفق محاذيًا (أو متوازيًا) أو تغيرت درجة حرارة خط الأنابيب، فإن إجهاد خط الأنابيب سيشكل ضغطًا أو شدًا أو قوى قص تؤثر على المحاذاة بين أنابيب قياس مقياس التدفق الكتلي، مما يتسبب في عدم تناسق مسبار الكشف ويؤدي إلى انحراف نقطة الصفر.
استراتيجيات التخفيف:
لذا، أثناء تركيب مقياس التدفق الكتلي، من الضروري التأكد من محاذاة مركز الأنبوب المتصل بمستشعر التدفق. وفي الوقت نفسه، في حالة حدوث تغيرات كبيرة في درجة الحرارة، يمكن تركيب وصلات عزل حراري في الأنبوب.
1.2 إدارة الاهتزازات البيئية
مثال واقعي: عداد قياس النفط الخام في وحدة تقطير البتروكيماويات في جينشي هو عداد تدفق كتلي من نوع كوريوليس، مثبت داخل الوحدة وبالقرب من غرفة المضخات، مما يُسبب اهتزازًا كبيرًا في خط أنابيب المعالجة. ونتيجةً لذلك، توجد بعض المشاكل في بيانات قياس التدفق، مما يؤدي إلى انخفاض غير طبيعي في إنتاجية الوحدة.
تنفيذ الحل: في هذه الحالة، قمنا بتركيب دعامات على طرفي مقياس التدفق لتقليل تأثير الاهتزاز وضمان تشغيله بشكل طبيعي.
من الأفضل وجود دعامات في كلا طرفي مقياس تدفق الكتلة
يمكن لأجهزة قياس التدفق الكتلي أن تعمل في بيئات الاهتزاز، ولكن يجب عزلها عن الاهتزاز.
أفضل الممارسات للتحكم في الاهتزازات:
خاصةً في حالات الاهتزازات العالية، يمكن استخدام أنابيب مرنة للتوصيل بأنبوب الاهتزاز، كما يمكن استخدام إطارات داعمة لعزل الاهتزاز. ولكن الأهم هو منع تردد الاهتزاز من أن يكون مساويًا لتردد التشغيل أو التردد التوافقي لمقياس التدفق الكتلي. عند تركيب عدة أجهزة من نفس الطراز على التوالي أو التوازي بالقرب من الأرض، وخاصةً عند تركيبها على نفس المنصة الداعمة، فإن ترددات الاهتزاز بين مقاييس التدفق الكتلي ستؤثر على بعضها البعض، مما يتسبب في اهتزازات غير طبيعية، وفي الحالات الشديدة، قد تتوقف الأجهزة عن العمل.
1.3 تحديد الموضع الأمثل لتركيب مستشعر تدفق الكتلة
يُعد وضع مستشعر تدفق الكتلة وموضعه من العوامل بالغة الأهمية لضمان التشغيل السليم لمقياس التدفق. كما أن وجود المواد الصلبة المتبقية داخل أنبوب القياس والترسبات الكلسية على جدار الأنبوب قد يؤثران على دقة القياس.
إرشادات التركيب:
متطلب أساسي : ضمان ملء أنبوب القياس بالكامل في جميع ظروف التشغيل
بالطبع، في بعض الحالات الخاصة، يمكن تغيير طريقة تركيب حساسات تدفق الكتلة. على سبيل المثال، نظرًا لطبيعة خط أنابيب معالجة مقياس تدفق الكتلة لقياس النفط الخام في وحدة تقطير البتروكيماويات في جينشي، فإنه على الرغم من قياسه للسوائل، إلا أنه يعتمد طريقة تركيب رأسية لأنبوب القياس. في هذه الحالة، يجب أن يكون ضغط المخرج الخلفي لمقياس تدفق الكتلة مرتفعًا لضمان امتلاء أنبوب القياس. في الوقت نفسه، ينبغي مراعاة مشكلة الاهتزاز لتقليل تأثيره على قياسات مقياس التدفق.
1.4 تأثير تركيب الصمام
متطلبات صمام الإغلاق: لضمان عدم تدفق وسيط القياس عند ضبط مستشعر التدفق على الصفر، يجب تركيب صمامات إيقاف في اتجاه المنبع وفي اتجاه المصب لمقياس تدفق الكتلة، والتأكد من عدم تسرب الصمامات.
تحديد موضع صمام التحكم: إذا لزم تركيب صمام تحكم، فيجب تركيبه في اتجاه مجرى مقياس تدفق الكتلة، وهو أمر مفيد للحفاظ على أعلى ضغط ثابت ممكن لمقياس تدفق الكتلة لمنع حدوث التكهف والتبخر المفاجئ.
دراسة حالة - تحدي قياس الغاز المسال:
يُستخدم مقياس تدفق الكتلة من نوع كوريوليس في قياس الغاز المسال في شركة جينشي للبتروكيماويات، وقد لوحظ انحراف كبير في قراءاته أثناء عملية القياس. أُجري فحص شامل لتركيب مقياس تدفق الكتلة، ولم يُعثر على أي مشاكل. أُرسل المقياس إلى قسم المعايرة، وكانت النتائج مطابقة للمواصفات. مع ذلك، بعد إعادة التركيب، استمرت مشاكل في بيانات قياس مقياس تدفق الكتلة.
يجب ألا يتجاوز ضغط تشغيل السوائل الحد الأقصى لضغط مقياس تدفق الكتلة
تحليل السبب الجذري: استجابةً لهذه الحالة، قارنّا معايير تشغيل مقياس التدفق في الموقع بمعايير عملية المعايرة، ووجدنا أن ضغط الغاز المسال في الموقع كان 1.6 ميجا باسكال، بينما كان ضغط الوسط أثناء عملية المعايرة حوالي 0.3 ميجا باسكال. لذا، أثّر التغير في ضغط الوسط المقاس على قياس مقياس التدفق الكتلي.
شرح الأثر التقني: في الواقع، يجب أن يراعي مقياس التدفق عالي الجودة أولاً ألا يتجاوز ضغط الوسط المقاس ضغط التشغيل المحدد، وأن يأخذ في الحسبان أيضاً مدى تأثير تغيرات الضغط الساكن. تؤثر تغيرات الضغط على إحكام أنبوب القياس ودرجة تأثير بوردون، فضلاً عن انحراف الصفر الأصلي الذي يُخلّ بتناسق أنبوب القياس. على الرغم من أن تغير ثوابت الجهاز وانحراف الصفر ضئيل، إلا أنه لا يمكن تجاهل تأثيره على الأجهزة عالية الدقة عند وجود فرق كبير في الضغط والمعايرة أثناء الاستخدام.
العلاقة بين تأثير الضغط:
• الأدوات ذات الأقطار الصغيرة: تقلل نسب سمك الجدار العالية إلى القطر من تأثير الضغط
• الأجهزة ذات القطر الكبير: تؤدي نسب سمك الجدار المنخفضة إلى القطر إلى حساسية كبيرة للضغط
نتائج اختبار موثوقة: أظهر اختبار مستقل لثمانية عدادات تدفق الكتلة تأثيرات ضغط قابلة للقياس الكمي:
| الضغط الساكن ميجا باسكال | 2 | 2.4 | 2.8 | |
| نسبة الخطأ في قياس التدفق | متوسط | -2.21 | -3.25 | -0.375 |
| الأعلى | -1.57 | -2.55 | -2.6 | |
| مين | -3.15 | -4 | -4.56 | |
| ملاحظة: يجب أن يسود الضغط أثناء المعايرة | ||||
الشكل 3: تأثير الضغط
يؤدي تغير كثافة الوسط المقاس إلى تغيير جودة نظام قياس التدفق، مما يُسبب تغيرًا في توازن مستشعر التدفق وينتج عنه انحراف صفري. عند قياس سائل معين، طالما تم ضبط النظام على الصفر وفقًا لكثافة السائل الفعلية، فإن تغير الكثافة أثناء الاستخدام لا يكون ذا أهمية، ولا توجد عادةً أي مشكلة.
تحديات خطوط الأنابيب متعددة السوائل: ومع ذلك، فإن قياس عدة سوائل ذات اختلافات كبيرة في الكثافة على خط أنابيب واحد يمكن أن يؤدي إلى أخطاء إضافية بسبب اختلافات نقطة الصفر، مما يتطلب دراسة متأنية أثناء تصميم النظام وتشغيله.
يُمكن لمقياس تدفق الكتلة بقوة كوريوليس قياس نطاق واسع من لزوجة السوائل، ويُظهر أداءً قياسيًا جيدًا. في الواقع، يُمكن أن تُغير لزوجة السائل خصائص التخميد للنظام، مما يؤثر على انحراف الصفر، ويُؤثر بدرجة معينة على قيم قياس التدفق عند معدلات التدفق المنخفضة.
اعتبارات التصميم: من أهم العوامل التي نأخذها في الحسبان عند اختيار مواصفات وأحجام عدادات التدفق الكتلي بناءً على ظروف الاستخدام، هو أن يكون فقدان الضغط المُقدَّر للجهاز ضمن النطاق المسموح به لنظام الأنابيب. ولتحقيق دقة قياس مثالية مع مراعاة انخفاض الضغط، ينبغي اختيار أعلى معدل تدفق ممكن ضمن نطاق التدفق.
منحنى فقدان الضغط/اللزوجة لمقياس تدفق كوريوليس SH-CMF من موقع silverinstruments.com
العلاقة بين اللزوجة وانخفاض الضغط: يزداد انخفاض الضغط في مقياس التدفق الكتلي مع ازدياد لزوجة السائل، مما يعني أن زيادة اللزوجة ستؤدي إلى زيادة فقدان الضغط في الجهاز. وقد روعي في اختيار مقياس التدفق الكتلي كوريوليس المستخدم لقياس النفط الخام في وحدة التقطير بشركة جينشي للبتروكيماويات، عوامل زيادة اللزوجة وفقدان الضغط، دون التأثير على تشغيل معدات العملية.
معدل التدفق/ الدقة/ انخفاض الضغط لمقياس تدفق كوريوليس من سلسلة SH-CMF من silverinstruments.com
توجد عوامل عديدة تؤثر حاليًا على دقة قياس عدادات التدفق عالية الجودة. بعض هذه العوامل يستدعي إعادة تركيب العداد، بينما يستدعي بعضها الآخر استبداله. لذا، من الضروري دراسة جميع جوانب العوامل المؤثرة في عملية اختيار عدادات التدفق عالية الجودة بدقة لضمان تشغيلها السليم.
متطلبات الصيانة والمعايرة: في التطبيقات العملية، توجد عوامل عديدة تُسبب انحراف نقطة الصفر، مثل إجهاد تركيب الحساسات، وعدم تناسق هيكل أنابيب القياس، والتغيرات في الخصائص الفيزيائية للسائل المقاس. وهذا يتطلب منا فحص نقطة الصفر وضبطها بانتظام.
تطورات تكنولوجيا الجيل القادم: في الوقت الراهن، ومع التطور المستمر لتكنولوجيا القياس والتحسين المتواصل لأداء عدادات تدفق الكتلة، تقترح بعض سلاسل عدادات تدفق الكتلة أن يكون أداء هذه العدادات في الموقع متوافقًا مع ظروف المختبر. فبعد تحديد نقطة الصفر في المصنع، لا حاجة لتعديلها في الموقع، ولا حاجة لتعديلها بعد تغيير ظروف العملية. وهذا من شأنه أن يقلل من عدد الصمامات، ويبسط عملية التركيب، ويخفف من عبء صيانة عدادات تدفق الكتلة. وفي الوقت نفسه، يُقترح أيضًا ألا تتأثر قياسات عدادات تدفق الكتلة بتغيرات درجة الحرارة أو تغيرات إجهاد الأنابيب.
يُعدّ مقياس التدفق الكتلي كوريوليس أداة قياس تدفق دقيقة وموثوقة ومستقرة وفعّالة ومرنة نسبيًا، وسيُستخدم على نطاق واسع في معالجة البترول والصناعات الكيميائية وغيرها من المجالات. كما يُستخدم بكفاءة عالية في عمليات قياس البنزين والكيروسين والديزل والهيدروكربونات السائلة وغيرها من منتجات شركة جينشي للبتروكيماويات، مما يُحسّن دقة قياس تدفق الطاقة والمواد ويجنّب الخسائر غير الضرورية.
مرحباً بكم في موقع silverinstruments.com للحصول على حلول قياس التدفق الكتلي
تساهم التحسينات المستمرة في أداء تقنية عدادات التدفق الكتلي كوريوليس في تقليل العوامل المؤثرة على عملية القياس العادية، مع تبسيط متطلبات الصيانة. وتواصل شركات رائدة في هذا المجال، مثل سيلفر إنسترومنتس، تطوير تقنية عدادات التدفق كوريوليس، موفرةً حلولاً شاملة لشركات البتروكيماويات التي تسعى إلى تحقيق أعلى مستويات دقة القياس والموثوقية التشغيلية.
