مقاله

آموزش ابزار دقیق در صنعت نفت | به زبان ساده

ابزار دقیق در صنعت نفت به منظور کنترل و رصد شرایط مختلف اعم از دما، فشار و سطح سیالات در تاسیسات فرآیندی، پالایش نفت،‌ تاسیسات پتروشیمی، خطوط لوله نفت و گاز و فرآیند توزیع بکار می‌رود. کاربرد اصلی ابزار دقیق در صنعت نفت شامل کنترل وجود گازهای اشتعال‌پذیر به هنگام تولید و همچنین در مخازن است. علاوه بر این،‌ برای رصد انتشار آلاینده‌ها و کنترل آن‌ها از ابزار دقیق در صنعت نفت استفاده می‌شود. در این آموزش قصد داریم تا با زبانی ساده به آموزش ابزار دقیق در صنعت نفت بپردازیم. لازم به ذکر است که ابزار دقیق در صنعت نفت همچنین برای کنترل جریان سیالات نیز بکار می‌رود.

مقدمه ای بر آموزش ابزار دقیق در صنعت نفت و گاز

دو نوع ابزار دقیق در تجهیزات اندازه‌گیری و مانیتورینگ (رصد) استفاده می‌شود.

  • ابزارهای ورودی: بمنظور رصد و اندازه‌گیری دما، جریان، فشار و سطح سیالات در دستگاه‌هایی اعم از لوله‌های انتقال سیال بکار می‌رود.
  • ابزارهای خروجی: این نوع از ابزار دقیق در صنعت نفت بمنظور بررسی و اعلام هشدار در مواقع ضروری بکار گرفته می‌شوند. سه عضو اصلی ابزار دقیق در صنعت نفت و سایر صنایع، سنسورها، «ترانسدیوسرها» (Transducers) و «ترانسمیترها» (Transmitters) هستند.
    • سنسورها: خواص فیزیکی مایعات، جامدات و گازها را اندازه‌گیری می‌کنند. در صنعت نفت و گاز، از سنسورها به منظور سنجش پیوسته انتشار گازها و مانیتورینگ آن‌ها استفاده می‌شود.
    • ترانسدیوسرها: تغییرات دما، فشار،‌ جریان و سطح سیالات را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که توسط ترانسمیترها دریافت می‌شوند.
    • ترانسمیترها:‌ به عنوان رابطی بین سنسورها و سایر تجهیزات ابزار دقیق همچون سنسورهای سطح سیال، جریان‌سنج (فلومتر) و سنسورهای فشار عمل می‌کنند. این تجهیزات، وظیفه ارسال سیگنال دیجیتال به سیستم اصلی کنترل را دارند.

ابزار دقیق در صنعت نفت برای افزایش ایمنی

صنایع نفت و گاز شامل فرآیندهایی هستند که منجر به تولید مواد خطرناکی می‌شوند که می‌توانند در اثر انفجار، اتفاقات ناگواری را برای انسان و محیط زیست رقم بزنند. تجهیزات میدانی ابزار دقیق در صنعت نفت و گاز، شرایطی را فراهم می‌کنند که به کمک آن‌ها بتوان حالات مختلف در فرآیندهای نفت و گاز را با قوانین زیست‌محیطی منطبق کرد. زمانی که این تجهیزات با سیستم‌های اتوماسیون تجمیع شوند، به این صنایع کمک می‌کنند تا بر اساس بازده و کیفیت تولید، بهره‌وری خود را افزایش دهند.

المان های ابزار دقیق در صنعت نفت

همانطور که در ابتدای متن به آن اشاره شد، در صنایع نفت و گاز از تجهیزات مختلفی بمنظور کنترل و رصد تغییرات فرآیندهای مختلف استفاده می‌شود. در ادامه متن به برخی از این تجهیزات اشاره می‌شود. ابزار دقیق در صنعت نفت تجهیزاتی را شامل می‌شود که بمنظور سنجش پارامترهای یک فرآیند همچون فشار، دما، سطح سیالات، جریان، سرعت، درصد ترکیبات، چگالی، وزن و همچنین اندازه‌گیری پارامترهای مکانیکی همچون لرزش، مکان، توان، جریان و ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مقادیر اندازه‌گیری شده می‌توانند پس از ثبت، در همان محل یا در اتاق کنترل، نمایش داده شوند. در صورتیکه این مقادیر، از حد از پیش تعیین شده خود فراتر بروند، هشداری برای آگاهی کارکنان عملیاتی مربوطه ارسال می‌شود. همچنین در برخی موارد به طور خودکار می‌توان از ابزار دقیق بمنظور بسته شدن خودکار «شیرهای اضطراری» (Shut Down Valve) یا متوقف کردن پمپ‌ها و کمپرسورها بهره گرفت.

انجام صحیح عملیات در فرآیندهای پتروشیمی به کمک «حلقه‌های کنترل» (Control Loops) انجام می‌گیرد. این حلقه‌ها به طور خودکار، فشار، دما، سطح سیال و شدت جریان را در خطوط لوله تنظیم و کنترل می‌کنند. این حلقه‌‌های کنترل به طور کلی به کمک مقایسه مقادیر اندازه‌گیری شده در تاسیسات (مانند مقادیر فشار و …) با مقادیر از پیش تعیین شده «نقطه تنظیم» (Set Point) کار می‌کنند.

«شیرها» (Valves) را می‌توان به کمک یک موتور الکتریکی، سیال هیدرولیک یا هوا تحریک کرد. در شیرهای کنترلی بادی، سیگنال‌های الکتریکی از سیستم کنترل به «محرک شیر» (Valve Actuator) ارسال و به فشار هوا تبدیل می‌شوند.

برخی از تجهیزات ابزار دقیق در صنعت نفت «خودمحرک» (Self Actuating) هستند. به طور مثال، رگولاتورهای فشار، جهت تثبیت فشارهای از پیش‌تعیین شده بکار می‌روند یا شیرهای ایمنی فشاری، در فشارهای مشخصی به طور خودکار باز می‌شوند. تجهیزات ابزار دقیق در صنعت نفت بمنظور افزایش دسترسی کارکنان مربوطه به پارامترهای کنترلی در محل یا در اتاق کنترل بکار می‌روند تا به کمک آن، پارامترهای مختلف تنظیم یا شیرهای کنترلی باز و بسته شوند.

ابزار دقیق در اندازه‌گیری دما

این نوع از تجهیزات شامل دستگاه‌های میدانی خودکار و دستی بمنظور سنجش نوسانات دما در موارد بحرانی هستند. بهره‌گیری از این تجهیزات سبب تولید بهینه و جلوگیری از خراب شدن تجهیزات می‌شود. اندازه‌گیری دمای سیالات در صنایع پتروشیمی به کمک المان‌های دمایی (TE) انجام می‌گیرد. این المان‌ها می‌توانند ترموکوپل یا حسگرهای مقاومتی دما (RTD) باشند که مورد دوم به دلیل پاسخ دمایی مناسب، استفاده بیشتری دارد. بمنظور کنترل عملکرد مبدل‌های حرارتی نیز در ورودی و خروجی جریان، از نشانگرهای دما (TI) بهره می‌گیرند.

در صنعت، ممکن است شرایطی داشته باشیم که به گرم یا سرد کردن سیالات نیاز باشد. این عمل توسط مبدل‌های حرارتی صورت می‌گیرد. انجام این عمل به کمک انتقال حرارت از سیالی دیگر همچون آب، گلایکول، نفت داغ یا سایر سیالات فرآیندی میسر می‌شود. ابزار دقیق در تثبیت دمای مورد نظر سیال اول کاربرد دارد. یک ترانسمیتر سنسور دما در داخل سیال اول و خروجی از مبدل حرارتی قرار می‌گیرد. این دمای اندازه‌گیری شده جهت مقایسه به کنترل‌کننده دما (TIC) داده می‌شود تا با دمای از پیش تنظیم شده مقایسه شود.

خروجی کنترل کننده، که مرتبط با اختلاف بین مقادیر اندازه‌گیری شده و نقطه تنظیم است، در اختیار شیر کنترل (TCV) در سیال دوم قرار می‌گیرد تا میزان جریان سیال خنک‌کننده یا گرم‌کننده تنظیم شود. هنگامی که نیاز به سرد گردن سیال داشته باشیم، اگر دمای سیال بالا برود، کنترل کننده برای باز کردن TCV وارد عمل می‌شود و جریان سیال خنک‌کننده را افزایش می‌دهد. با این کار، انتقال حرارت افزایش می‌یابد و دمای سیال اول، کاهش پیدا می‌کند. به عکس، اگر افت دما داشته باشیم، کنترل کننده برای بستن TCV وارد عمل می‌شود که در اثر این اتفاق، با کاهش انتقال حرارت، دمای سیال اول افزایش پیدا می‌کند.

برخی از خنک‌کننده‌ها از «فن» (Fan) برای خنک کردن گازها و مایعات بهره می‌گیرند. دمای سیال به کمک یک کنترل کننده و از طریق باز و بسته کردن «تعدیل کننده» (Damper) روی خنک‌کننده یا تنظیم سرعت فن یا تغییر زاویه فن‌ها کنترل می‌شود که در اثر این عملیات، جریان هوا افزایش یا کاهش پیدا می‌کند.

سنجش فشار

تجهیزات ابزار دقیق برای اندازه‌گیری فشار شامل فشار‌سنج‌ها، سوییچ‌ها و ترانسمیترها هستند که به طور لحظه‌ای فرآیندهای مختلف در تانکرها و خطوط لوله را اندازه‌گیری می‌کنند و فشار را بر حسب واحدهای مختلف همچون psi، اینچ آب، bar و … گزارش می‌کنند. بسیاری از صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، تحت فشارهای عملیاتی مشخصی کار می‌کنند. فشار را به کمک سنسور فشار (PE) اندازه‌گیری می‌کنند. در صنایع نفت و گاز به طور معمول برای کنترل فشار، از فضای اشغال شده توسط گاز در بالای مخازن استفاده می‌کنند.

یک کنترل‌کننده (PIC)، میزان فشار را بر روی شیر کنترل فشار (PCV) تنظیم می‌کند تا خوراک ورودی به فرآیند به میزان مناسب به سیستم وارد شود. درصورتیکه فشار افزایش پیدا کند، در برخی موارد PCV دومی باز می‌شود که گاز اضافی را به سیستم فلر هدایت می‌کند. درصورتیکه میزان فشار از حد پایین یا بالای خود فراتر برود، ‌از ترانسیمتر فشار به منظور ارسال هشدار استفاده می‌شود. با فراتر رفتن فشار، بیش از حدِ هشدار نیز به طور خودکار، با بستن شیرهای ورودی،‌ سیستم متوقف و به اصطلاح «Shut Down» می‌شود.

ابزار دقیق در صنعت نفت

سنجش جریان

این نوع از تجهیزات ابزار دقیق در صنعت نفت بمنظور اندازه‌گیری جریان گاز، نفت و سایر مواد از میان خطوط لوله و سایر مسیرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. توان عملیاتی تاسیسات پتروشیمی به کمک تجهیزات ابزار دقیق برای سنجش فشار اندازه‌گیری و کنترل می‌شود. ساده‌ترین شکل جریان از طریق کمپرسورها انجام می‌گیرد و کنترل آن به کمک اندازه‌گیری جریان به هنگام تخلیه و کنترل سرعت عامل محرک امکان‌پذیر است.

ابزار دقیق آنالیز گاز

از آن‌جایی که بسیاری از گازها، بی‌بو هستند و نمی‌توان به کمک حس بویایی، آن‌ها را شناسایی کرد، برای جلوگیری از بروز انفجار و همچنین جهت افزایش ایمنی، استفاده از ابزار دقیق برای آنالیز گازها نقش بسیار حیاتی در صنایع نفت و گاز ایفا می‌کند. علاوه بر این، از آشکارسازهای مختلف در صنایع معدن و پتروشیمی و همچنین در مدیریت آب و فاضلاب و سایر صنایع استفاده می‌شود.

ابزار دقیق آنالیز گاز شامل سیستم‌های مانیتورینگی است که به منظور بررسی سطح گازهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه‌ها به طور معمول، گازهایی همچون اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، متان، دی‌اکسید کربن، مونواکسید کربن و سایر گازها را رصد می‌کنند.

سنسورهای تشخیص شعله

سنسورهای تشخیص شعله از تصویربرداری مادون قرمز و فرابنفش جهت شناسایی تابش‌های گسیل شده از شعله‌ها بهره می‌گیرند. بکارگیری این سنسورها سبب شناسایی شعله‌های حاصل از بخارات بنزین، حلال‌ها سایر مواد می‌شود.

آشکارسازهای گازهای سمی

این آشکارسازها، میزان غلظت گازهای اشتعال‌پذیر و بخارات سمی را اندازه‌گیری می‌کنند. زماینکه غلظت این مواد به سطح خطرناکی برسد، این آشکارسازها به کمک سیستم‌های هشداردهنده، به کارکنان هشدارهای لازم را می‌دهد.

سنسورهای سطح

از «سنسورهای سطح» (Level Sensors) برای سنجش نقطه‌ای و پیوسته سطح گازها و مایعات در مخازن و خطوط لوله بهره می‌گیرند.

نحوه سنجش جریان

حال که تا این بخش با المان‌های ابزار دقیق در صنعت نفت آشنا شدیم قصد داریم تا نحوه سنجش یک مورد از این المان‌ها یعنی جریان سیال را با زبانی ساده بیان کنیم. سرعتی که یک سیال از درون یک محفظه بسته جریان پیدا می‌کند را می‌توان به کمک سنجش دبی جرمی یا حجمی سیال محاسبه کرد. در این بخش، به طور خلاصه نحوه سنجش حجمی جریان سیال را مورد بررسی قرار می دهیم. از این روش برای سنجش نرخ جریان مواد در فازهای گاز، مایع یا شبه‌مایع (دوغابی) استفاده می‌شود.

فشار سنجی تفاضلی

فشارسنجی تفاضلی شامل قرار دادن یک مانع (ابزار) در مسیر جریان سیال درون لوله است. در اثر این اتفاق، مانعی که در سر راه سیال ایجاد می‌شود، اختلاف فشاری در دو طرف مسیر ایجاد می‌کند. ابزارهایی که برای این فرآیند از آن استفاده می‌کنند عبارتند از:

  • «صفحه سوراخ‌دار» (Orifice Plate)
  • «لوله ونتوری» (Venturi Tube)
  • «نازل جریان» (Flow Nozzle)
  • «لوله جریانی دال» (Dall Flow Tube)

این ابزارها در تصویر زیر نشان داده شده‌اند.

در تمامی این روش‌ها فرض بر این است که جریان بالادستی موانع، در حالت «پایدار» (Steady-State) قرار دارد و برای وقوع چنین شرایطی نیز یک طول حداقل در پیش روی نقطه سنجش در نظر می‌گیرند. این طول حداقلی برای لوله‌ها با قطرهای مختلف در جداول آورده شده است اما بر اساس یک قانون سرانگشتی، این طول، ده برابر قطر لوله در نظر گرفته می‌شود. درصورتیکه موانع فیزیکی، مانع از ایجاد این طول باشند می‌توان از «پره‌های آرام کننده جریان» (Smoothing Vanes) درست بعد از نقطه سنجش استفاده کرد.

این نوع از ابزارهای سنجش جریان به دلیل اینکه هیچ قطعه متحرکی ندارند، مقاوم و قابل اعتماد هستند و تعمیر و نگهداری آن‌ها نیز بسیار ساده است. از نقاط ضعف این روش باید به افت فشار دائمی ایجاد شده در مسیر سیال جریانی اشاره کرد. مقدار و اهمیت این افت فشار به نوع ابزار مورد استفاده بستگی دارد اما در شرایطی که این افت فشار، شدید باشد باید برای بازیافت این فشار از پمپ‌های کمکی در فواصل دورتر استفاده کرد.

این نوع از روش‌های سنجش فشار برای «دوغاب» (Slurry) مناسب نیست چراکه با مشکل مسدود شدن مسیر عبوری مواجه هستیم. البته لوله ونتوری را می‌توان برای دوغاب رقیق بکار برد. تصویر زیر به طور تقریبی، نحوه بهم خوردن الگوی جریان را به هنگام استفاده از صفحه سوراخ‌دار (اوریفیس) نشان می‌دهد. سایر ابزارها نیز تاثیری مشابه بر الگوی جریان دارند. یکی از حقایق جالب در این روش این است که کمینه سطح مقطع جریانی، در محل نصب ابزار اتفاق نمی‌افتد بلکه این اتفاق در مسیر پیش‌رو و بعد از آن رخ می‌دهد.

ابزار دقیق در صنعت نفت

برای فهم این روش در بررسی تجهیزات ابزار دقیق در صنعت نفت نیازمند دانش در خصوص الگوی تغییرات فشار نیز هستیم که تصویر آن در زیر آورده شده که در این تصویر می‌بینیم نقطه حداقلی فشار، منطبق با کمترین سطح مقطع جریان است. این تصویر همچنین نشان می‌دهد که کمی افزایش فشار، به طور دقیق قبل از محل قرارگیری ابزار وجود دارد. بنابراین،‌ می‌بینیم که محل اندازه‌گیری فشار در نقطه $$P_1$$ باید قبل از افزایش فشار و در نقطه $$P_2$$  باید در محل کمترین سطح مقطع جریانی باشد.

ابزار دقیق در صنعت نفت

در صورتی که انتقال حرارتی نداشته باشیم و سیال را تراکم‌ناپذیر و جریان آ‌ن‌را بدون اصطکاک در نظر بگیریم،‌ نرخ جریان حجمی سیال (Q) از رابطه زیر بدست می‌آید:‌

$$begin {equation} Q =left [frac {A_{2}} {sqrt{1-left(A_{2} / A_{1}right) ^ {2}}} right] left[ sqrt {frac {2left (P_{1}-P_ {2}right)} {rho}} right] end {equation}$$

  • $$A_1$$: سطح مقطع جریان سیال، قبل از مانع (دستگاه)
  • $$P_1$$: فشار جریان سیال، قبل از مانع (دستگاه)
  • $$A_2$$: سطح مقطع جریان سیال، بعد از مانع (دستگاه
  • $$P_2$$: فشار جریان سیال، بعد از مانع (دستگاه)
  • $$rho$$: چگالی سیال

از رابطه بالا به دلایل مختلفی، هیچ‌گاه نمی‌توان استفاده کرد. اول این‌که هیچ وقت به شرایط جریان بدون اصطکاک نمی‌رسیم. با این وجود، ‌در شرایطی که جریان «آشفته» (Turbulent) در لوله‌ای صاف داشته باشیم، اصطکاک پایین خواهد بود که به کمک عدد رینولدز می‌توانیم نوع جریان را مشخص کنیم. دلیل دوم این است که مقادیر $$A_1$$ و $$A_2$$ کمتر از قطر لوله هستند و در نتیجه،‌ نمی‌توان آن‌ها را محاسبه کرد. برای حل این مشکل، رابطه بالا را به شکل زیر تصحیح می‌کنیم:

$$begin {equation} Q = left [frac {C _{mathrm {D}} A _ {2}^ {prime}} {sqrt {1-left (A_{2} ^{prime} / A _{1}^ {prime} right) ^{2}}} right] left [sqrt {frac {2 left (P_{1}-P_{2} right)} {rho}} right] end {equation}$$

در رابطه بالا $$A _ {1}^ {prime}$$ و $$A _ {2}^ {prime}$$۷، قطر لوله قبل و در موقعیت مانع هستند و $$C_D$$ نیز یک ثابت موسوم به «ضریب تخلیه» (Discharge Coefficient) است و بمنظور توصیف عدد رینولدز و اختلاف بین قطر لوله و جریان به کار می‌رود.

قبل از این‌که بتوانیم از رابطه بالا استفاده کنیم باید ضریب تخلیه محاسبه شود. از آن‌جایی که این مقدار، در هر اندازه‌گیری تغییر می‌کند، در اولین نگاه اینطور به نظر می‌آید که این ضریب باید در هر حالت، به صورت آزمایشگاهی تعیین شود. با این وجود، اگر شرایط مشخصی داشته باشیم، می‌توان به کمک جداول استانداردی، ضریب تخلیه را بدست آورد.

از جمله مشکلاتی که به هنگام استفاده از این نوع ابزار با آن مواجه می‌شویم این است که افت فشار $$left (P_{1}-P_{2} right)$$ با توان دوم نرخ جریان $$(Q)$$ تغییر می‌کند. در حقیقت، اندازه‌گیری اختلاف فشار‌های کم به کمک این ابزارها، مشکلاتی را به همراه دارد. در نتیجه، این روش تنها برای اندازه‌گیری نرخ جریانی کاربرد دارد که شامل ۳۰ تا ۱۰۰ درصد حد نهایی جریان قابل تحمل دستگاه باشد. این امر بدین معنی است که برای سنجش جریان‌هایی که ممکن است به کمتر از ۳۰ درصد حد نهایی شدت جریان برسند، روش متفاوتی مورد نیاز خواهد بود.

صفحه سوراخ‌دار

صفحه سوراخ‌دار (اوریفیس پلیت) به یک صفحه (دیسک) فلزی می‌گویند که در مرکز، شامل یک سوراخ باشد. این صفحه را درون لوله حامل جریان قرار می‌دهند. صفحه سوراخ‌دار راهی ارزان و ساده برای اندازه‌گیری جریان است که در اندازه‌های مختلف می‌توان آن‌را پیدا کرد. در نتیجه، به هنگام بررسی ابزار دقیق در صنعت نفت باید به این نکته نیز پرداخت که در حدود ۵۰ درصد ابزار دقیق در صنایع، برای سنجش دبی حجمی جریان، از صفحه سوراخ‌دار استفاده می‌کنند.

از جمله محدودیت‌های این روش این است که خطای آن بین ۲ تا ۵ درصد گزارش می‌شود. همچنین، افت فشار دائمی که ایجاد می‌شود بین ۵۰ تا ۹۰ درصد مقدار اختلاف فشار $$left (P_{1}-P_{2} right)$$ خواهد بود. از جمله مشکلات دیگر صفحه سوراخ‌دار، تغییر ضریب تخلیه در طول مدت زمان استفاده است زیرا لبه‌های تیز این صفحه به آرامی از بین می‌روند و ذرات مختلف در جریان عبوری، به پشت این صفحه می‌چسبند و در نتیجه، با گذشت زمان، به آرامی قطر این صفحه کوچک می‌شود.

از راه‌های حل مشکل ذکر شده این است که از یک سوراخ در پایین دیسک (به جای مرکز) استفاده کنیم. اگر این صفحه، نزدیک به پایین لوله قرار داشته باشد، مواد جامد در جریان عبوری، از میان صفحه گذر خواهند کرد و تجمع ذرات، پشت صفحه به حداقل می‌رسد. مشکل مشابهی نیز زمانی بوجود می‌آید که جریان حبابی یا بخار و گاز در سیال جریانی داشته باشیم. این امر سبب تجمع حباب و گاز در پشت اوریفیس و آشفتگی جریان می‌شود. برای غلبه بر این مشکل نیز بهتر است صفحه را در مسیر عمودی جریان قرار دهیم.

ونتوری و ابزارهای مشابه

ابزارهای سنجش جریانی ساخته شده‌اند که به طور ویژه برای کاهش افت فشار در سیال به هنگام اندازه‌گیری، طراحی شده‌اند. این ابزارها نام‌های متفاوتی از جمله ونتوری، نازل جریان و «لوله دال» (Dall Flow Tube) دارند. این ابزارها، قیمت بسیار بیشتری نسبت به صفحه سوراخ‌دار دارند اما عملکرد آن‌ها به مراتب بهتر است. در این ابزارها، جریان در پشت مانع جمع نمی‌شود و در نتیجه، مشکل تجمع ذرات و گازها را نخواهیم داشت که این مورد همچنین سبب عمر بالای آن‌ها می‌شود. علاوه بر این، این ابزارها به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارند و دقت اندازه‌گیری در آن‌ها بیشتر است.

ونتوری، لوله‌ای مهندسی شده با شکلی ویژه را شامل می‌شود که خطای آن در حدود ۱ درصد است. با این وجود، در ساخت این ابزار از روش‌های ماشین‌کاری پیچیده‌ای استفاده می‌شود که سبب افزایش هزینه تولید آن خواهد بود. افت فشار دائمی در این سیستم، بین ۱۰ تا ۱۵ درصد اختلاف $$left (P_{1}-P_{2} right)$$ ذکر می‌شود.

ابزار دقیق در صنعت نفت
لوله ونتوری

لوله دال شامل دو لوله مخروطی شکل است که درون لوله جریان قرار دارد. شکل این لوله شباهت بسیاری به شکل داخلی یک ونتوری دارد با این تفاوت که فاقد گلوگاه است. تولید این ابزار، بسیار ساده‌تر از ونتوری ذکر می‌شود و به همین دلیل، هزینه کمتری هم دارد اما خطای آن در حدود ۱/5 درصد گزارش شده است. از نقاط قوت این ابزار باید به افت فشار دائمی آن اشاره کرد که تنها در حدود 5 درصد از اختلاف فشار $$left (P_{1}-P_{2} right)$$ است.

لوله دال

نازل جریان نسبت به ونتوری و دال، ساده‌تر تولید می‌شود و به همین دلیل، ارزان‌تر از هر یک از دو ابزار بالا به شمار می‌آید اما افت فشار ایجاد شده، بین 30 تا ۵۰ درصد از اختلاف فشار $$left (P_{1}-P_{2} right)$$ ذکر می‌شود.

ابزارهای سنجش جریان با سطح مقطع متفاوت

به هنگام بررسی ابزار دقیق در صنعت نفت باید به «روتامترها» (Rotameters) اشاره کرد. در این نوع از ابزارها، از اختلاف فشار در طول دیافراگم متغیر بمنظور تنظیم سطح دیافراگم استفاده می‌کنند. در ادامه، سطح دیافراگم به عنوان معیاری برای سنجش جریان بکار می‌رود. روتامترها با قیمتی ارزان و به سادگی ساخته می‌شوند و به همین دلیل، در حدود ۲۰ درصد فروش ابزارهای سنجش جریان را تشکیل می‌دهند.

rotameters
شکل‌های مختلف روتامتر

به طور معمول، این دستگاه، جریان را به صورت بصری نشان می‌دهد و کاربردی در کنترل خودکار جریان ندارد. البته در نسخه‌های جدیدی از این دستگاه از فیبرهای نوری استفاده شده است که دسته‌ای از فیبرها، محل «جسم شناور» (Float) را تشخیص می‌دهند و آن‌را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند.

شکل ساده‌ای از این دستگاه در تصویر زیر نشان داده شده است که شامل لوله‌ای شیشه‌ای و شیپوری شکل به همراه یک جسم شناور است. این جسم شناور، دارای وزن شناوری مشخصی است و زمانیکه این وزن با اختلاف فشار وارد شده از پایین، به توازن برسد، این جسم در محلی، پایدار می‌شود که می‌توان از آن محل برای سنجش میزان فشار، بهره گرفت.

فلومترهای جابجایی مثبت

«فلومترهای جابجایی مثبت» (Positive Displacement Flow Meters)، نزدیک به ۱۰ درصد فلومترهای بکارگرفته شده در صنعت را تشکیل می‌دهند که برای اندازه‌گیری مقدار مصرف گاز و آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. ارزان‌ترین نوع از این دستگاه‌ها، خطایی در حدود ۲ درصد دارند که در دستگاه‌های گران‌قیمت، این خطا به 0/5 درصد می‌رسد. این نوع ابزار دقیق در صنعت نفت به طور ویژه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا این صنایع، توانایی تامین هزینه بالای این تجهیزات را دارند.

از انواع معمول فلومترهای جابجایی مثبت باید به «پیستون دوار» (Rotary Piston Meter) اشاره کرد که نحوه عملکرد آن در تصویر زیر نشان داده شده است. این دستگاه شامل یک پیستون سوراخ‌دار استوانه‌ای است که در داخل محفظه‌ای استوانه‌ای حرکت می‌کند. این محفظه دارای «بخش ورودی» (Inlet Port) و «بخش خروجی» (Outlet Port) است. نحوه چرخش این پیستون در داخل محفظه، در تصویر زیر نشان داده شده است. این چرخش به گونه‌ای است که سطح خارجی پیستون با سطح داخلی در تماس است. در آغاز چرخه حرکت پیستون، حجم B از طریق بخش ورودی به محفظه وارد می‌شود.

ابزار دقیق در صنعت نفت

فشار سیال سبب چرخش پیستون به دور محفظه می‌شود. در اثر این اتفاق، سیال با حجم C، شروع به خروج از بخش خروجی می‌کند و همچنین سیال از بخش ورودی به حجم A وارد می‌شود. با چرخش بیشتر پیستون، حجم ورودی B (از بخش ورودی) مسدود می‌شود. در این حالت، همچنان سیال در حجم A سبب خروج حجم C می‌شود. زمانیکه پیستون به نقطه انتهایی حرکت دوار خود می‌رسد، بخش خروجی، همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، برای خروج حجم B باز می‌شود و سیال جابجا شده در طول حرکت پیستون، خارج می‌شود.

در ادامه حرکت، پیستون به نقطه بالا بازمی‌گردد و به طور موثری، حجم A تبدیل به حجم C و آماده برای چرخه بعد می‌شود. میزان جریان از طریق حاصلضرب واحد زمان در مقدار ثابت سیال جابجا شده بین بخش‌های ورودی و خروجی در هر چرخه اندازه‌گیری می‌شود.

فلومترهای فراصوت

فلومترهای فراصوت (اولتراسونیک) از جمله روش‌های سنجش جریان سیال به صورت «غیرتداخلی» (non-Invasive) به شمار می‌آیند. این روش، منحصر به سیالات رسانا نیست و کاربرد بسیاری در سنجش سیالات خورنده و همچنین دوغاب دارد. در کنار دقت بالا و نیاز کم به عملیات تعمیر و نگهداری،‌ در این ابزار، نیازی نداریم تا دستگاه در داخل خط لوله قرار بگیرد بلکه می‌توان آن را به کمک بست‌هایی در خارج خط لوله قرار داد.

با توجه به این‌که قرارگیری ابزار سنجش جریان در داخل لوله، هزینه‌های زیادی را تحمیل می‌کند، درنتیجه، فلومترهای الوتراسونیک صرفه اقتصادی بسیار زیادی دارند. علاوه بر این، در این روش، نیازی نیست تا کارکنان به خطر تماس با مواد خطرناک، سمی و خورنده مواجه شوند و  از ورود هرنوع آلودگی به سیال جلوگیری خواهد شد.

دو نوع از فلومترهای فراصوت بر اساس «جابجایی دوپلر» (Doppler Shift)  و «زمان عبور» (Transit Time) بنا شده‌اند. در گذشته، این نوع از فناوری‌ها به خوبی درک نشده بودند و همین امر سبب عدم بکارگیری از آن‌ها در صنعت می‌شد. هرکدام از این روش‌ها، مشخصه‌های خود را دارند و بسته به شرایط، هریک ممکن است نسبت به دیگری، برتری‌هایی داشته باشد. در ادامه، به بررسی فلومتر اولتراسونیک جابجایی دوپلر می‌پردازیم.

فلومتر جابجایی دوپلر

اجزای اصلی این فلومتر در تصویر زیر نشان داده شده‌اند. از جمله نیازمندی‌های این دستگاه، حضور اجزای پراکنده کننده در داخل سیال است که سبب انحراف انرژی خروجی فراصوت از فرستنده و دریافت آن در گیرنده می‌شوند. این انحراف می‌تواند به کمک ذرات جامد، حباب‌های گازی یا جریان‌های «ادی» (Eddie) در سیال بوجود بیایند.

این اجزای منحرف کننده سبب ایجاد «فرکانس جابجایی» (Frequency Shift) بین انرژی فرستاده شده و منحرف شده می‌شوند که اندازه‌گیری این جابجایی، در نهایت ما را به سرعت جریان سیال عبوری می‌رساند که رابطه آن به صورت زیر است. حجم سیال عبوری نیز به راحتی و با ضرب کردن سرعت سیال در سطح مقطع لوله بدست می‌آید.

$$begin {equation} v = frac {c left (f_{1}- f_{mathrm {r} } right)} {2 f_{mathrm {t}} cos (theta)} end {equation}$$

  • $$f_1$$  و $$f_r$$: به ترتیب فرکانس موج‌های فراصوت فرستنده و گیرنده
  • $$c$$: سرعت صوت در سیال
  • $$theta$$: زاویه برخورد و انحراف نسبت به محور افقی خط لوله

ابزار دقیق در صنعت نفت

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا