שיפור היעילות בעת מדידת זרימת קיטור, בתעשיות תהליכיות
יצחק צבי - מהנדס מכירות מכשור תעשייתי ואנליטיקה
מדוע מומלץ למדוד זרימת קיטור?
מפעלים משתמשים בקיטור למגוון מטרות, כאשר מערכת הפצה נושאת אותו לאזורים שונים מדוד מרכזי או מערכת דוודים. לאורך הדרך, הוא עשוי להיות מווסת ללחצים וטמפרטורות שונות, כך שהוא יכול לבצע מגוון משימות כגון:
• להניע טורבינה לייצור חשמל
• לבצע עבודת המרת מתאן למימן באמצעות קיטור
• לספק ערבוב משופר וקירור קצה עבור פירוק פחמימנים כבדים לחומר הזנה פחמימני קל
• עיקור והעברת חום בתהליכי מזון
• משקאות ומדעי החיים
לכל אחד מהיישומים הללו יש דרישות ספציפיות של זרימה, טמפרטורה ולחץ, שמערכות קיטור יכולות להיות מתוכננות כדי לספקן. מערכות אלו חייבות גם להגיב לרמות הביקוש
המשתנות מכיוון שלרוב המתקנים ישנם שילוב של תהליכים, שלכל אחד מהם דרישות משלו.
מערכת הקיטור חייבת להיות מסוגלת לעבוד בכל הרמות ללא הפחתות משמעותיות ביעילות. מדידת זרימת קיטור היא קריטית מכיוון שהיא הבסיס להערכת האפקטיביות והיעילות של מערכת ייצור והפצה של מערכות קיטור, יישומי custody transfer ועלויות בקרה.
קיטור מהווה 40% עד 50% מתקציב האנרגיה של המתקן, כך ששינויי היעילות, לטוב ולרע, יכולים לגרום להבדל מהותי. במפעלים רבים, זרימת הקיטור מנוטרת בעיקר לצורך בקרת תהליכים, בעוד שיעילות אנרגטית אינם תופסים את מלוא תשומת הלב. ככל שמחירי האנרגיה עולים, ניטור מוגבר באמצעות מדידת זרימה יכול לזהות דליפות, לפני שהן הופכות לבעיות גדולות יותר ולהציע הזדמנויות לפרויקטים לחיסכון באנרגיה ולכן עלינו להציב בפנינו משימות ומטרות.
• תפוקת הקיטור משפיעה על מערכת בקרת הדוד – חשוב ליעילות המפעל הכוללת
• יש לקשור את צריכת האנרגיה לנקודות שימוש לניתוח וחיוב, וכן כדי לזהות את התייעלות
• הצורך בקיטור המחייב איזון בכל מערכת ההפצה
• אובדן אנרגיה עקב בידוד לקוי
• מלכודות קיטור תקועות המייצרת דליפות קיטור שניתן לתקן
לצורך שיפור היעילות בעת מדידת זרימת קיטור, עבור ניתוח נתונים, דרושים מספר מדי זרימה על מנת לקבוע כמה הקיטור נמצא בשימוש באזורים שונים, ואולי על ידי חלקי ציוד בודדים, כגון מחליף חום גדול, או חימום קיטור במתקן נוסף, יכול לעזור לקבוע את היעילות של הציוד עצמו. בנוסף, דוד קיטור גדול אחד עשוי לשרת מפעלים או יחידות מרובות, המחייב מדידות. מכיוון שעשויים להיות מעורבים מדידת משנה, ייתכן שיהיה צורך בדיוק גבוה.
כיצד למדוד זרימה?
טכנולוגיות זרימה שונות לצורך יישומי קיטור המודדות את מהירות הזרימה וממירות אותה למדידת נפח, על ידי יישום משוואה המתחשבת בגיאומטריה של המערכת. המרה פשוטה יכולה לספק תפוקת מסה, בתוספת תנאים משתנים כגון: טמפרטורה או לחץ.
סוגי הקיטור השונים המשמשים במתקנים תעשייתיים, דורשים שיקולים שונים למדידה: מדידת קיטור רווי- צריכה לכלול שיטה לפיצוי על שינויים בצפיפות/אנרגיה, על ידי מדידת לחץ או טמפרטורה. מאחר שמשתנים אלו תלויים זה בזה, מדידה של אחד יכולה לקבוע את ההשפעה של השני. קיטור מחומם- צריך לכלול שיטה לפיצוי על-ידי מדידת טמפרטורה ולחץ כאחד. משתנים אלה יכולים להשתנות באופן עצמאי, ולכן יש למדוד את שניהם לקבלת התוצאות הטובות ביותר. כתוצאה מכך, כאשר משתמשים במד מבוסס מהירות זרימה, הוא חייב לעבוד בשילוב עם חיישני טמפרטורה ולחץ, כך שלמעשה יש שלושה ערכים המוזנים לחישוב זרימת המסה.
גישה זו יכולה לספק קצב זרימת מסה, אך יכול להיות שלב אחד נוסף: תכולת אנרגיה, אשר מחושבת על ידי עיבוד אנטלפיה לתוך המשוואה, בכדי לקבוע את קצב האנרגיה הזמינה. בדרך כלל כ-kj/kg או Btu/lb.
מדי זרימה מודרניים יכולים לספק קצב אנרגיה זה כתפוקה ישירה, בעוד שמתקנים ישנים או מונים פשוטים יותר, עשויים לדרוש מחשב זרימה נוסף כדי לחשב את קצב האנרגיה. שתיים מהטכנולוגיות הנפוצות והיעילות ביותר למדידת זרימה ליישומי קיטור הן משדר לחץ הפרשי (DP) או VORTEX.
ניתן להשתמש בנתונים ממשדר ה-DP, כדי לחשב את מהירות הנוזל והזרימה הנפחית. עבור קיטור, כאמור ישנו צורך בהוספת קריאות טמפרטורה ולחץ קו, על מנת להמיר קריאת נפח לזרימת מסה. מדידת שינוי לחץ הנגרם על ידי אוריפיס היא הבסיס של מדידת זרימה.
למדידות זרימה בשיטת הפרש הלחצים ישנן צורות רבות, וניתן להרכיבם בצנרת, עם חיישני הטמפרטורה והלחץ. גמישות זו מאפשרת לבנות אותם בכל גודל וטווח קצב זרימה אפשריים. משתמשים במשדר הלחץ הדיפרנציאלי של אמרסון רוזמאונט,
3051S Series 3051 Pressure Transmitter, הינם המשדרים המדויקים והאמינים ביותר הקיימים כיום.
מצבים כאלה יכולה להפוך את הרכבת מד זרימה DP בסידורי צנרת אלו לאתגר. תיכנון מודרני וחישוב מוקדם יכולים למזער או לבטל את אתגרי הצנרת הללו. התיכנון של אלמנט הזרימה הינו פתרון קריטי. האוריפיס המסורתי רגיש ביותר להפרעות, אך הוא גם התיכנון הנפוץ ביותר. עם זאת, בהתקנות רבות, תכנון זה ידרוש 30 קטרים או יותר, ללא הפרעה בכדי להשיג מדידה מדויקת. שימוש באוריפיס ארבעה חורים ולא רק אחד, כגון עם מד הזרימה Rosemount Conditioning Orifice, מקל על הבעיה על ידי הפחתה משמעותית של דרישת הצנרת הישרה, תוך שמירה על דיוקי מדידה גבוהים. Rosemount DP Flow Meters elements.
אלמנט הזרימה הראשוני וקווי הלחץ, הם גם מקור פוטנציאלי לסתימה כאשר קיטור מלוכלך או נושא מוצקים מומסים. ברוב המקרים, מיהדוד מטופלים בכבדות, ויוצרים אדים נקיים ללא חלקיקים או מוצקים מומסים, אך זה לא המקרה עבור כל צורות הקיטור במתקן.
לסיכום:
כאשר חסרונות אלו נלקחים בחשבון, מתקני זרימת DP מספקים מסה אמינה מדויקת וקריאות זרימה עבור מערכות קיטור. עם זאת, בעיות בקווי לחץ ומספר רב של רכיבים הדרושים להתקנת מערכת עלולות להיות קשות להתגברות במקרים מסוימים.
כדי להתמודד עם בעיות אלו ואחרות, מדי זרימת DP המתוכננים כיחידה מורכבת, מבטלים קווי לחץ ארוכים לכל המטרות המעשיות. יתרון זה שומר את החיישן קרוב לצנרת התהליך, ובכך מונע את פוטנציאל הקפיאה של קווים במזג אוויר קר ומבטל נקודות דליפה אפשריות.
משדר Rosemount 3051SMV של חברת Emerson, בעל יכולות ביצועיות נוספות, הכוללות מדידה מוגברת או זרימה נמוכה, כמו גם פיצוי זרימה בזמן אמת, עבור צפיפות משתנה או תנאי זרימה אחרים, ומאפשר תפוקת זרימת קיטור או אנרגיה מפוצה בזמן אמת ממכשיר בודד.