Bù nhiệt độ và áp suất là gì? Phân tích chi tiết vai trò quan trọng của nó trong đo lường.

Bù nhiệt độ và áp suất là gì? Phân tích chi tiết vai trò quan trọng của nó trong đo lường.

Giới thiệu

Dựa trên kinh nghiệm vận hành thực tế từ các dự án hóa chất và năng lượng ở Đông Nam Á và Nam Mỹ, bài báo này tập trung vào các kịch bản ứng dụng cốt lõi của việc bù nhiệt độ và áp suất cho các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao, và phân tích logic cốt lõi của việc bù nhiệt độ và áp suất. Các thông số quy trình thời gian thực được thu thập thông qua các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và bộ truyền áp suất HART để giải quyết các vấn đề về dữ liệu đo lường bị sai lệch và các vấn đề về độ lệch trong thanh toán giao dịch đối với môi chất khí và hơi nước.

Liệu các giá trị tức thời và tích lũy hiển thị trên màn hình lưu lượng kế có thể được sử dụng trực tiếp cho việc hạch toán chi phí và đối chiếu thương mại không? Câu trả lời là không. Nhiệt độ đường ống và áp suất hoạt động dao động liên tục tại các khu công nghiệp, gây ra những thay đổi đồng bộ về mật độ môi chất. Nếu chỉ sử dụng dữ liệu lưu lượng thô được thu thập bởi các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao mà không có sự bù trừ nhiệt độ và áp suất, sẽ tồn tại những sai lệch rõ ràng trong dữ liệu thống kê cuối cùng.

Chức năng bù nhiệt độ và áp suất chuyển đổi các giá trị lưu lượng và thể tích quy trình được đo tại chỗ bằng các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao, bộ truyền áp suất HART và bộ truyền áp suất công nghiệp một cách thống nhất thành các trạng thái tham chiếu được quy định bởi các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế, cho phép so sánh dữ liệu đo lường theo chiều ngang và chiều dọc từ các đường ống và thiết bị khác nhau.

Mặc dù chức năng này chỉ bao gồm một tập hợp các cấu hình tham số bên trong thiết bị, nhưng nó trực tiếp quyết định độ chính xác của số liệu thống kê tiêu thụ năng lượng và thanh toán giao dịch. Đối với các môi chất như khí tự nhiên và hơi nước có sự biến động mạnh trong quá trình, việc đo lường chính xác cao là không thể nếu chỉ lắp đặt lưu lượng kế mà không có các bộ truyền áp suất công nghiệp và bộ truyền áp suất hơi nước hỗ trợ để thu thập tín hiệu nhiệt độ và áp suất.

I. Tại sao việc bù nhiệt độ và áp suất là bắt buộc đối với thiết bị đo lường công nghiệp

Nhiệt độ và áp suất có tác động không đáng kể đến môi chất lỏng, trong khi thể tích khí lại rất nhạy cảm với áp suất và nhiệt độ của quá trình. Đối với khí có cùng khối lượng, thể tích của nó giảm ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, và giãn nở mạnh ở nhiệt độ cao và áp suất thấp. Lưu lượng kế thông thường chỉ đo thể tích của quá trình, trong khi lưu lượng thể tích hoặc khối lượng tiêu chuẩn là cần thiết cho việc tính toán tiêu thụ năng lượng của nhà máy và thanh toán bán hàng bên ngoài. Việc tính toán bù trừ phải được thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu nhiệt độ và áp suất thu thập được từ các bộ truyền áp suất và nhiệt độ cao phù hợp.

Trường hợp điển hình của các dự án hóa chất ở nước ngoài: Khi áp suất của đường ống khí nén chính tăng từ 0,6 MPa lên 0,75 MPa và nhiệt độ môi chất tăng từ 25°C lên 45°C, số liệu thống kê tiêu thụ khí hàng tháng cho thấy sự chênh lệch hơn 12% so với lượng khí đầu ra của máy nén khí nếu sử dụng các lưu lượng kế thông thường không có chức năng bù nhiệt độ và áp suất. Sau khi thu thập đồng bộ áp suất và nhiệt độ thông qua các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và kích hoạt chức năng bù, sai số dữ liệu được giảm đáng kể.

Các vấn đề tương tự cũng xảy ra trong các đường ống dẫn khí tự nhiên, nitơ, carbon dioxide và hơi nước bão hòa. Tín hiệu lưu lượng đơn lẻ không thể thực hiện đo lường chính xác cho các mạng lưới đường ống có điều kiện quá trình biến động, do đó cần phải xây dựng hệ thống đo lường bù nhiệt độ và áp suất bằng cách sử dụng các bộ truyền áp suất công nghiệp và bộ truyền áp suất hơi nước.

II. Hai loại sai số đo được khắc phục bằng bù nhiệt độ

Sự giãn nở nhiệt và co ngót do lạnh ở mức trung bình: Mật độ khí giảm khi nhiệt độ tăng. Nếu chỉ sử dụng thể tích quy trình được đo bằng các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao, thì sự thay đổi thể tích do nhiệt độ gây ra sẽ được tính là mức tiêu thụ thực tế.

Hiện tượng trôi lệch nhiệt độ của thiết bị: Các cảm biến tích hợp và mạch truyền dẫn của bộ truyền áp suất HART và bộ truyền áp suất nhiệt độ cao tạo ra hiện tượng trôi lệch điểm 0 khi nhiệt độ thay đổi, với các lỗi trôi lệch rõ rệt hơn ở các thiết bị cấp thấp.

Các thông số kỹ thuật lắp đặt tại chỗ yêu cầu các điểm đo nhiệt độ phải gần các cổng lấy áp suất của các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và tránh các vùng chết trao đổi nhiệt, để các giá trị nhiệt độ đo được thực sự phù hợp với môi chất. Nếu không, kết quả đo vẫn sẽ bị sai lệch ngay cả với các thuật toán bù trừ được phát triển tốt.

III. Các điểm cốt lõi của bù áp suất: Phải sử dụng áp suất tuyệt đối

Bù áp suất giúp điều chỉnh sự thay đổi mật độ khí do biến động áp suất gây ra; áp suất đường ống càng cao thì khối lượng trên mỗi đơn vị thể tích khí càng lớn. Hầu hết các cảm biến áp suất nhiệt độ cao và cảm biến áp suất hơi nước đều xuất ra áp suất tương đối, và áp suất khí quyển tiêu chuẩn tại địa phương phải được cộng thêm vào để tính toán bù áp suất:

Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển tại địa phương

Trường hợp dự án phân bón: Khi áp suất đo trên đường ống là 0,6 MPa và áp suất khí quyển là 0,101325 MPa, áp suất tuyệt đối hiệu dụng được đưa vào thuật toán bù của các cảm biến áp suất nhiệt độ cao là 0,701325 MPa. Nếu sử dụng trực tiếp áp suất đo để tính toán, sai lệch cân bằng hàng tháng có thể lên tới 8%. Lỗi này bị che khuất bởi các đường cong hoạt động bình thường của thiết bị và chỉ có thể được phát hiện trong quá trình đối chiếu. Khi lựa chọn và ghép nối các cảm biến áp suất công nghiệp, cần làm rõ liệu đầu ra là áp suất tuyệt đối hay cần chuyển đổi tham số.

IV. Logic tính toán cơ bản về bù nhiệt độ và áp suất

Việc bù khí dựa trên phương trình khí lý tưởng PV=nRT, với công thức chuyển đổi:

Qₙ = Q × P / Pₙ × Tₙ / T

Định nghĩa tham số

Qₙ: Dòng chảy điều kiện tiêu chuẩn

Hỏi: Quy trình vận hành (đầu ra từ các phần tử áp suất chênh lệch được ghép nối với các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao)

P: Áp suất trung bình tuyệt đối

Pₙ: Áp suất tiêu chuẩn

T: Nhiệt độ trung bình tính bằng Kelvin

Tₙ: Nhiệt độ tiêu chuẩn

Yêu cầu bắt buộc: Nhiệt độ Celsius phải được chuyển đổi sang Kelvin: T (K) = t (°C) + 273,15. Một lỗi thường gặp ở mức độ thấp trong quá trình vận hành thử nghiệm tại chỗ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và bộ truyền áp suất HART là nhập trực tiếp các giá trị nhiệt độ Celsius.

Đối với các kịch bản đo khí tự nhiên và hơi nước cao áp, công thức tổng quát chỉ được sử dụng để giải thích nguyên lý. Các bộ đếm tổng chuyên nghiệp kết hợp với bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và bộ truyền áp suất hơi nước sử dụng các thuật toán đặc biệt có hệ số nén để đáp ứng các tiêu chuẩn thanh toán thương mại quốc tế.

V. Cấu tạo của một hệ thống đo lường bù nhiệt độ và áp suất hoàn chỉnh

Bộ thiết bị đo lường tuân thủ tiêu chuẩn bao gồm bốn bộ thu tín hiệu, tất cả đều được chọn từ danh sách từ khóa để quảng bá trong khu vực:

Tín hiệu lưu lượng: Các phần tử áp suất chênh lệch phối hợp với các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao để xuất ra các tín hiệu quy trình gốc;

Tín hiệu nhiệt độ: Bộ truyền tín hiệu nhiệt độ thu thập nhiệt độ môi trường theo thời gian thực để hiệu chỉnh;

Tín hiệu áp suất: Các bộ truyền áp suất công nghiệp, bộ truyền áp suất hơi nước và bộ truyền áp suất HART thu thập áp suất tuyệt đối của đường ống để hoàn thành việc bù trừ mật độ;

Bộ phận tính toán: Các bộ đếm tổng thông minh và hệ thống DCS đọc tín hiệu từ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao để hoàn tất quá trình chuyển đổi, tích lũy và tải dữ liệu từ xa.

Sáu hạng mục cần kiểm tra trong quá trình vận hành tại chỗ: phạm vi đo nhiệt độ và áp suất phù hợp, phân biệt rõ ràng giữa áp suất tương đối và áp suất tuyệt đối, các thông số điều kiện tiêu chuẩn thống nhất, đơn vị lưu lượng nhất quán, khả năng điều chỉnh độ suy giảm cho tín hiệu yếu và chức năng cảnh báo lỗi được kích hoạt. Hầu hết các sai lệch đo lường không phải do hư hỏng phần cứng mà là do sự tích lũy các sai lệch do sử dụng lẫn lộn các đơn vị tham số trong các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và bộ truyền áp suất HART.

VI. Các điều kiện làm việc chính yêu cầu hỗ trợ bù nhiệt độ và áp suất

Giao dịch khí đốt tự nhiên: Áp suất đường ống biến động mạnh, và việc kết hợp bù áp bằng các cảm biến áp suất hơi nước và cảm biến áp suất nhiệt độ cao là cấu hình tiêu chuẩn cho các trạm;

Kiểm soát tiêu thụ năng lượng khí nén: Dữ liệu lưu lượng từ bộ truyền áp suất nhiệt độ cao kết hợp với các bộ truyền áp suất công nghiệp được sử dụng để xác định rò rỉ đường ống;

Đo năng lượng nhiệt bằng hơi nước: Mật độ của hơi nước bão hòa thay đổi mạnh theo nhiệt độ, và các bộ truyền áp suất HART kết hợp với các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao chuyển đổi các giá trị khối lượng và nhiệt lượng;

Khí dùng trong quy trình hóa chất: Các bộ truyền áp suất hơi nước phối hợp với các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao để đảm bảo độ chính xác dữ liệu cho việc tính toán tỷ lệ hydro, carbon dioxide và các môi chất khác;

Giám sát khí thải môi trường: Áp suất tĩnh của khí thải được thu thập bởi các cảm biến áp suất công nghiệp, cùng với dữ liệu lưu lượng từ các cảm biến áp suất nhiệt độ cao, được chuyển đổi thành các giá trị phát thải trong điều kiện tiêu chuẩn.

VII. Những sai sót thường gặp trong quá trình vận hành thử nghiệm tại công trường

Chỉ có lưu lượng kế được lắp đặt mà không có bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và bộ truyền áp suất công nghiệp phù hợp; không có tín hiệu nhiệt độ và áp suất để tính toán;

Khoảng cách quá lớn giữa các điểm đo nhiệt độ và áp suất với các cổng lấy mẫu áp suất của bộ truyền áp suất nhiệt độ cao; việc giảm áp suất thông qua van dẫn đến các thông số môi chất thu được không chính xác;

Độ sâu lắp đặt không đủ của ống đo nhiệt độ gây ra hiện tượng đo nhiệt độ bị chậm trễ và làm sai lệch đường cong bù khi kết hợp với các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao;

Không có sự phân biệt giữa dòng chảy quy trình và dòng chảy điều kiện tiêu chuẩn; dữ liệu gốc từ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao được trộn lẫn trong các báo cáo;

Cơ chế bù tích hợp bên trong lưu lượng kế chồng chéo với cơ chế bù thứ cấp thông qua hệ thống điều khiển phân tán (DCS) dựa trên tín hiệu từ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao, dẫn đến dữ liệu bị sai lệch nghiêm trọng;

Không có cảnh báo nào cho các tín hiệu nhiệt độ và áp suất bị lỗi; các thông số sai lệch từ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao liên tục được tích lũy.

VIII. Phương pháp hiệu chuẩn cho hệ thống bù nhiệt độ và áp suất

So sánh tại một điểm duy nhất: Các thiết bị cầm tay xác minh các giá trị nhiệt độ và áp suất theo thời gian thực của các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao và bộ truyền áp suất HART để xác nhận phạm vi đo và kết nối dây dẫn;

Kiểm tra logic: Trong điều kiện quy trình giống hệt nhau, lưu lượng điều kiện tiêu chuẩn được chuyển đổi từ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao tăng đồng bộ khi áp suất tăng. Nếu logic bị đảo ngược, cần kiểm tra các thông số áp suất khí quyển;

Đối chiếu dữ liệu: Lưu lượng khí đầu ra của máy nén khớp với dữ liệu lưu lượng tích lũy từ các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao; dữ liệu khí tự nhiên khớp với dữ liệu độ dốc từ các bộ truyền áp suất hơi nước tại các trạm;

Quan sát bất thường: Việc vận hành thử chỉ được coi là đạt yêu cầu nếu không có sự tăng đột biến bất thường nào xuất hiện trên đường cong lưu lượng của các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao trong quá trình khởi động và tắt thiết bị.

IX. Kết luận

Bù trừ nhiệt độ và áp suất là công nghệ cốt lõi để đo lường chính xác khí và hơi nước. Hệ thống đo lường hoàn chỉnh lấy các bộ truyền áp suất nhiệt độ cao làm cốt lõi, với các bộ truyền áp suất công nghiệp, bộ truyền áp suất HART và bộ truyền áp suất hơi nước hỗ trợ thu thập các thông số nhiệt độ và áp suất. Độ chính xác đo lường không phụ thuộc vào thương hiệu thiết bị, mà phụ thuộc vào việc quản lý quy trình toàn diện được tiêu chuẩn hóa, bao gồm bố trí điểm đo của bộ truyền, cấu hình đơn vị thông số và thuật toán bù trừ. Việc ghép nối các bộ truyền và thiết lập các thông số bù trừ theo cách tiêu chuẩn hóa cho phép dữ liệu lưu lượng hỗ trợ thống kê tiêu thụ năng lượng và đối chiếu giao dịch; cấu hình hỗn loạn các thông số của bộ truyền sẽ dẫn đến nhiều khác biệt không thể giải thích được trong quá trình đối chiếu hàng tháng.