مقدمه:جهت اندازه گیری جریان سیالات ، دستگاهها و روشهای متفاوتی وجود دارد که بطور اختصار می توان موارد زیر را نام برد .
۱- وسایل ایجاد کننده اختلاف فشار
۲- جریان سنجهای سرعتی
۳- جریان سنجهای نوع جابجایی
۴- جریان سنجهای جرمی
در حال حاضر در ایستگاههای تقلیل فشار و اندازه گیری شرکت ملی گاز از جریان سنجهای توربینی turbine meter استفاده می گردد که از لحاظ طبقه بندی جزءجریان سنجهای سرعتی محسوب می شود چرا که سرعت سیال و انرژی جنبشی آن باعث چرخش Rotor این نوع جریان سنجها می شود . اما نوع دیگری از جریان سنجها که به طور وسیعی در صنایع نفت و پتروشیمی و پالایشگاههای گاز استفاده می گردد orifice meter ها می باشد که از لحاظ طبقه بندی جزو مورد ۱ می باشند .
استفاده از orifice plate ها شاید به قرنها قبل برگردد ولی به طور علمی اولین بار در سال ۱۹۰۰ میلادی weymouth که بر روی جریان سیالات مطالعه می کرد برای اندازه گیری جریان گاز از صفحة نازک سوراخ دار متحدالمرکز و لبه تیزی استفاده نمود ، مدتی بعد با تشکیل انجمن گاز آمریکا (AGA) و متعاقب آن کمیته اندازه گیری آن انجمن ، orifice meter ها وارد صنعت آمریکا شدند و بسرعت گسترش یافتند وبعنوان وسیله ای مناسب جهت اندازه گیری جریان سیالات مورداستفاده قرار گرفتند تا اینکه در سال۱۹۶۳ ، Rockwell کنتور توربینی را ابداع نمود ولی چندین سال به طول انجامید تا توانایی ها و پتانسیل های آن به اثبات برسد و در اواخر دهه هفتاد میلادی بعنوان رقیبی جهت orifice meter ها به شمار می آمد .
orifice meter ها کلاً از دو قسمت تشکیل شده اند ۱- عنصر اولیه (primary Element) که شامل یک صفحة روزنه دار (orifice plate) فلنج ها وطول مستقیم لوله می باشد ۲- عنصر ثانویه (secondary element) که معمولاً یک Transmitter یا dp/cell می باشد .
باید دید که آیا استفاده از orifice meter ها جهت اندازه گیری جریان گاز طبیعی در فرآیند گازرسانی و فروش مناسب است یا خیر ؟
قبل از جواب دادن به سؤال بالا بهتر است دو نوع وضعیت اندازه گیری را بنام custody transfer و noncustody transfer را تعریف نماییم .
طبق تعریف اقتباس شده از اینترنت و از مقاله مندرج در مجله control Engineering چاپ فوریه ۱۹۹۹ تحت عنوان : “How to deliver liquids and Gases Accurately” ، custody transfer حالتی از انتقال و اندازه گیری سیال است که در آن دقت بسیار با اهمیت باشد و نیز در قبال انتقال میزان معینی ازسیال پول رد و بدل شود و بنابراین خریدار به دقیق بدون اندازه گیری اطمینان حاصل می نماید . در حالت non custody transfer شرایط ذکر شده قبل حاکم نمی باشد و اندازه گیری از دقت کمتری برخوردار است .
نظر به اینکه در سیستم گازرسانی و فروش به ازاء فروش گاز وجه دریافت می شود و نیز با توجه به اینکه دقت اندازه گیری بخصوص برای مشترکین صنعتی عمده ، نظیر نیروگاهها و صنایع پتروشیمی از اهمیت بسزایی برخوردار است بطوریکه بایک یا دو درصد خطا باعث اختلاف زیادی در مقادیر مصرفی بوجود خواهد آمد بنابراین فرآیند اندازه گیری جریان می بایست از نوع custody transfer باشد و این روالی است که در کشورهای صنعتی بخصوص کشورهای اروپائی برقرار و حاکم می باشد یعنی اندازه گیری گاز طبیعی جهت مصرف مشتریان به روش custody transfer .
مقایسه بین orifice meter و turbin meter ها :
آنچه در ادامه خواهد آمد مقایسه نسبتاً کاملی است بین دو دستگاه مذکور . در این مقایسه دو دستگاه از زوایای گوناگون با یکدیگر مقایسه شده.اند
operation :
orifice meter ها دستگاههای اندازه گیری غیر مستقیم می باشند چرا که خود به تنهایی نمی توانند جریان را اندازه گیری نمایند و باید بوسیله یک ترانسمیتر، اختلاف فشار دو طرف orifice plate را گرفته و سیگنال متناسب ارسال شود و نهایتاً توسط یک integrator مقدار جریان نشان داده میشود ولی Turbin meter ها دستگاههای اندازه گیری مستقیم می باشند و میزان اندازه گیری شده مستقیماً بر روی index کنتور نمایش داده میشود.
Pressure loss :orifice meter هایی که از flange taps استفاده می کنند نیمی از افت فشار ایجاد شده خود در طول orifice plate را بدست می آورند ولی با وجود این افت فشار آنها نسبت به turbine meter بسیار بالا می باشد .
با توجه به مطلب ذکر شده ، هنگام مقایسه ظرفیتهای دو دستگاه باید میزان فشار قابل بازیافت در orifice meter ها را مد نظر قرار داد .
Construction:
در حالی که Turbine meter ها دستگاههای نسبتاً پیچیده ای همراه با تعداد قطعات متحرک می باشد. orifice meter ها هیچ قطعة متحرکی ندارند.
ولی از طرف دیگر Turbine meter ها دستگاههای قرائت مستقیم هستند و نیاز به وسیله دیگری جهت نشان دادن میزان جریان نمی باشند در حالیکه orifice meter ها به تنهایی یک وسیله ناقص می باشد.
جریان سنج روزنه ای جریان سنج توربینی:
که انجام می دهند ایجاد یک اختلاف فشار می باشد و برای دسترسی به یک اندازه گیری معنی دار باید از یک Transmitter و Recorder و یا integrator استفاده کرد و این به پیچیدگی سیستم می افزاید و بنابراین مشکل است که بگوئیم کدام نوع اندازه گیری شامل کمترین قطعات متحرک می باشد .
Installation:
برای turbine meter ها طول مستقیم خطر لوله قبل و بعد از meter بر اساس گزارش شماره ۷ AGA برابر با ۱۰D طول مستقیم در بالا دست (upstream) و ۵D طول مستقیم لوله در پایین دست (down stream) لازم می باشد . که این حالت بهینه می باشد .
درباره نصب orifice meter ها عمدتاً از گزارش شماره ۳ مربوط به AGA استفاده می گردد ولی مشخص شده که در صورت استفاده از این روش حدوداً ۰٫۵% خطای اندازه گیری وجود خواهد داشت و بنابراین استاندارد (ISO 5167) ISO تمام مقادیر ارائه شده توسط AGA را دو برابر نموده است .
با این توصیف طول مستقیم خط لوله مورد نیاز در upstream جهت نصب orifice meter ها بسیار زیاد خواهد بود که بعضاً تا ۴۰D خواهد بود و این مسئله نیز مشکل بزرگی است در ضمن با افزایش بتا ( نسبت قطر روزنه orifice به قطر لوله) طول مستقیم لولة مورد نیاز افزایش می یابد در صورتی که برای Turbine meter ها اینچنین نمی باشد .
Accuracy :Accuracy که در مبحث کالیبراسیون با عنوان صحت از آن نام برده می شود عبارت است از میزان تطابق یک کمیت در حال اندازه گیری با میزان واقعی یا استاندارد یا به عبارت دیگر اختلاف بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار واقعی ( می توان به آن میزان خطا نیز اطلاق کرد )
حداکثر خطای مربوط به turbine meter ها بین ۰٫۲ جریان ماگزیمم تا ماگزیمم جریان برابر با ۱% به ثبت رسیده است ( در بعضی انواع آن ۰٫۵% ) در حالی که این مقدار برای orifice meter ها ۲% می باشد.
بنابراین دقت اندازه گیری در Turbine meter ها بالاتر از orifice meter ها می باشد .
مبحث دیگر که در رابطه با Accuracy قابل ذکر است uncertainty (عدم قطعیت ) می باشد و آن را می توان درجه اعتماد و اطمینانی که شخص می داند که می تواند برای Accuracy اندازه گیری در نظر بگیرد تعریف نمود. مطلبی که تاکنون بخوبی در صنعت گاز جهان مشخص شده این است که uncertainty اندازه گیری با orifice meter ها بیشتر از۰٫۵% مطابق با (AGA 3) ANSI/API 2350 و مطابق ISO 5167 برابر ۰٫۶% می باشد که در صورتی که از حداقل طول لوله مطابق با گزارش شماره ۳ AGA استفاده شود باید میزان ۰٫۵% دیگر نیز به آن اضافه کرد .
مطالعه ای که توسط API انجام شده نشان می دهد میزان uncertainty برای orifice meter ها برابر ۱٫۷% می باشد .
orifice meter ها یک دستگاه اندازه گیری جریان غیرخطی (square Root) می باشند . turbine meter ها دستگاههای اندازه گیری خطی هستند.
اطلاعات علمی منتشر شد ه پس از سالها ساخت و آزمایش turbine meter ها نشان می دهد که آنها می توانند با یک accuracy بالا و قابل اثبات در مدت زمان قابل قبولی کار کنند .
Calibration :
orifice meter ها با آب کالیبره می شوند و این کاری پرهزینه می باشد. خود orifice plate ها می بایست دائماً از جهت هم مرکز بودن ، صاف بودن سطح، قطر، تیزی لبه ها و ضخامت آن چک شود . عملیات checking موارد ذکر شده باید هر ماه انجام شود و در بعضی از مقالات هر سه ماه یکبار عنوان شد ، در حالیکه turbine meter تنها نیاز دارند که هر سه تا شش ماه یکبار روغن کاری شوند و اگر فرآیند صحیح باشد می توانند تا مدت زیادی در سرویس باقی بمانند ( در سیستم اندازه گیری فعلی بدلایل زیادی از جمله وضعیت نامناسب گاز، عدم کارائی مناسب فیلترها ، بعضاً نوسانات جریان ، عدم رعایت حداکثر ظرفیت کنتور و عدم بهره برداری مناسب از کنتورها ، دستگاههای مذکور دچار اشکال می شوند که این قضیه مربوط به ماهیت دستگاه نمی باشد و قطعاً با توضیحات قبل و توضیحاتی که نوشته خواهد شد در شرایط مساوی این اتفاقات برای orifice meter ها با شرایط حادتر بوجود خواهد آمد ) همچنین در مورد orifice meter ها عنصر ثانویه ( معمولاً ترانسمیتر) نیز باید بطور مرتب کالیبره و چک شود که در غیر اینصورت ممکن است خطاهای زیادی ایجاد شود و این امر نیز مستلزم این است که شخصی که مسئول بازرسی و چک کردن عنصر ثانویه می باشد بطور مداوم دستگاههای تست و وسایل مورد نیاز کالیبراسیون را با خود به محل نصب دستگاه ببرد ،و اگر بخواهد عنصر ثانویه را به آزمایشگاه ببرد مسلماً سیستم اندازه گیری از سرویس خارج خواهد شد .
در مقابل کنتورهای توربینی می تواند با هوا و در فشار اتمسفریک تست شوند حتی می توان عملیات کالیبراسیون رادر فشار بالا و در فشار عملیاتی دستگاه انجام داد .
خطاهای سیستماتیک (Uncertainty) مربوط به Turbine meter حدود ۰٫۲ الی ۰٫۲۶ می باشد که نسبت به orifice meter ها پایین می باشد .
Rangeability:
Rangeability نسبت حداکثر جریان به حداقل جریان می باشد که مابین ایندو مقدار دستگاه ، اندازه گیری را بصورت صحیح انجام می دهد .
Rangeability مربوط به orifice meter ها حدوداً ۳٫۵ : ۱ می باشد که یک دامنه بسیار محدود عملیاتی است و در این دامنه خطای دستگاه حدود ۰٫۵% الی ۲% تخمین زده میشود . در صورتی که از دو یا چند ترانسمیتر بصورت موازی با Range های متفاوت استفاده شود Rangeability می تواند در حدود ۱۰:۱ افزایش یابد که این مقدار نیز رقمی پایین می باشد .
در صورتی که در turbine meter ها اندازه گیری جریان بر مبنای انرژی جنبشی گاز می باشد .
فرمول انرژی جنبشی را بصورت زیر نیز می توان نوشت :
که نشان می دهد برای انرژی جنبشی ثابت هرچه جرم حجمی افزایش یابد سرعت کاهش می یابد . بنابراین با افزایش فشار میزان گاز کمتری جهت به حرکت درآوردن Rotor لازم می باشد و در این حالت Rangeability مربوط به Turbine meter ها افزایش می یابد .
در فشار اتمسفریک Rangeability مربوط به turbine meter ها در حدود ۲۰:۱ می باشد یعنی نسبت حداکثر جریان به حداقل جریان ۲۰ برابر می باشد حال هرچه فشار بالاتر رود دامنه اندازه گیری نیز مطابق فرمول زیر افزایش می یابد .
که در آن :
RH : دامنه اندازه گیری در فشار بالا ( فشارP) می باشد
RL : دامنه اندازه گیری در فشار پایین می باشد ( فشار اتمسفریک)
Sp.gr : چگالی گاز می باشد .
P : فشار گاز بر حسب بار مطلق (bara) می باشد .
مثال : دامنه اندازه گیری یک کنتور توربینی در فشار ۱۸ bara در صورتی که چگالی گاز برابر با ۰٫۶۴ باشد چقدر خواهد بود ؟
بنابراین ملاحظه می شود که Rangeability کنتور مذکور را از ۲۰:۱ در فشار اتمسفریک به ۶۸:۱ در فشار ۱۸bara رسید .
همانطور که ملاحظه شد هرچه فشار عملیاتی turbine meter ها افزایش یابد Rangeability نیز افزایش می یابد که این میزان در فشارهای بالاتر حتی به مقدار ۲۰۰:۱ نیز افزایش می یابد که در مقایسه با orifice meter ها بسیار بالا و قابل توجه است .
با توجه به موارد ذکر شده یکی از معایب بزرگ orifice meter ها دامنه پذیری پایین آن می باشد بنابراین در نقاطی که نسبت حداکثر به حداقل جریان بیش از ۳٫۵ باشد این نوع دستگاهها با خطای زیادی همراه خواهند بود و این اتفاقی است که دقیقاً در C.G.S ها رخ می دهد و نسبت حداکثر
جریان در زمستان و حداقل آن در تابستان بیش از ۳٫۵ خواهد بود و حتی در یک فصل و دریک روز با توجه به وضعیت مصرف ممکن است نسبت حداکثر به حداقل جریان بیشتر از ۳٫۵ گردد ، که مشکل بزرگی بر سر راه اندازه گیری دقیق می باشد .
Repeatability:
در مبحث کالیبراسیون Repeatabilityرا معادل Precision یعنی دقت در نظر می گیرند یعنی اگر یک دستگاه در محدودة عملیاتی خویش تکرار پذیر باشد دستگاه دقیقی می باشد .
بعبارت دیگر با چندین مرتبه تکرار اندازه گیری دستگاه مقدار مشابهی را قرائت نماید در orifice meter ها تکرار پذیری اندازه گیری به تکرار پذیری عنصر ثانویه (معمولاً ترانسیمتر) و آسیب پذیری و استعداد آن دستگاه نسبت به Hysteresis (خطای پس ماند) بستگی دارد .هیچ میزان دقیقی از Repeatability در اندازه گیری با orifice meter ها گزارش نشده است .
در مقابل Turbine meter ها می توانند تحت جریان ، فشار و دمای کنترل شده بطور علمی کالیبره شوند به نحوی که Repeatability آنها می تواند بصورت اثبات شده در حدود ۰٫۱% باشد.
Reliability:
وقتی از Reliability صحبت میشود . دو مبحث را می بایست مد نظر قرار داد .
۱- Mechanical Reliability
2- Reliability of Measurment
در نگاه اول یک orifice meter از بعد مکانیکال بسیار قابل اعتماد می باشد ولی چونکه orifice meter باید با عنصر ثانویه خود در نظر گرفته شود و دیگر نمی توان گفت که این سیستم اندازه گیری اعتماد پذیری بالائی دارد.
اتفاقات زیادی می تواند رخ دهد که باعث خطا در orifice meter ها گردد که تنها یک بازرس با تجربه با پشتکار وبا انجام کالیبراسیون های مرتب می تواند آنها را در حد قابل قبول نگه دارد .
آزمایشات زیادی بر روی انحرافات ناچیز نسبت به یک اندازه گیری کامل نشان داده است که این انحرافات ناچیز باعث افزایش قابل توجه در خطای اندازه گیری می شوند .
در ذیل هفت خطای عمده که ممکن است در orifice meter ها بوجود بیاید ذکر شده است .
۱- اگر orifice plate با لبة شیب دار در جهت عکس نصب شود خطای ایجاد شده ۱۴% – می باشد .
۲- اگر آشغال و یا کثافات در upstream صفحة روزنه دار جمع شود خطای ایجاد شده حدود ۶٫۲%- خواهد بود
۳- اگر آشغال و کثافت در Down stream صفحة روزنه دار جمع شود خطای ایجاد شده حدود ۲٫۳%- می باشد
۴- اگر آشغال و کثافات در هر دو سمت صفحة روزنه دار جمع شود در این حالت اختلاف فشار بیشتری در دو طرف صفحه ایجاد شده و خطائی معادل ۳%+ ایجاد خواهد نمود .
۵- اگر کثافات روی خود orifice plate در قسمت up stream تشکیل شود باعث میشود که Vena Contracta ( ناحیه ای بعد از orifice plate که جریان حداقل فشار را دارد ) به سمت Down stream جابجا شود و در این حالت اختلاف فشار کمتری تولید خواهد شد وباعث ایجاد خطائی معادل ۲۳٫۱%- می نماید .
۶- رسوب های حلقه مانند(عمدتاً در اثر وجود روغن ، گریس و … در گاز) روی سطح upstream صفحة روزنه دار باعث کاهش اختلاف فشار به میزان زیاد شده و خطائی معادل ۲۷٫۷% – ایجاد می کند .
۷- اگر لبه های orifice plate دچار لبه پریدگی و یا گردشده در این حالت نیز Vena contracta به سمت Down stream جابجا شده و خطائی معادل ۱۱٫۲۵%- ایجاد می نماید .
خطاهای ذکر شده یا خطاهائی که در مجلة pipeline & Gas Industry چاپ نوامبر ۲۰۰۱ و همان مجله چاپ دسامبر ۹۹ ذکر شده تقریباً همخوانی دارد .
لازم به ذکر است که ممکن است دو یا چند مورد از این خطاها با هم اتفاق بیفتند که مسلماً میزان error را بالا خواهند برد .
توجه به این نکته بسیار با اهمیت می باشد که حدود ۹۰% از خطاها منفی می باشند یعنی خطاهائی می باشند که دستگاه کمتر قرائت می نماید وبنابراین با توجه به میزان بالای خطاها و نیزمیزان گاز عبوری فروشنده بسیار متضرر خواهد شد .
در مورد Turbine meter ها درست است که دارای تعدادی قطعه متحرک می باشد ولی با کمی تأمل مشخص می شود که خود یک فایده نیز به حساب می آید چرا که در این حالت عیوب مکانیکی به سادگی و به راحتی قابل تشخیص می باشد ، مثلاً اگر index حرکت نکند تکنسین و اپراتور دستگاه به راحتی متوجه مشکل می گردد و در ضمن خطاهای احتمالی نیز به مراتب کمتر از آنچه درorifice meter ها اتفاق می افتد می باشد .
Maintenance:
orifice meter ها نیاز به بازرسی و چک کردنهای مداوم بخصوص برای عنصر ثانویه خود دارند و برای این کار نیز نیاز به دستگاههای مناسب و تکنسینهای آموزش دیده می باشد . همچنین در صورت وجود Recorder آنها نیز باید مرتب تست و کالیبره شوند و در شرایط خوب orifice meter ها باید هر سه ماه یکبار چک شوند . در صورتی که در مورد turbine meter ها در صورت بهره برداری مناسب تنها به روغن کاری احتیاج خواهند داشت .
Price:
با توجه به اینکه برای orifice meter ها طول مستقیم لوله زیادی نیاز می باشد و همچنین به عنصرثانویه و Integrator نیز نیاز دارد از لحاظ قیمت قابل قیاس با turbine meter ها می باشند . همچنین همانطور که ذکر شد با توجه به اینکه خطاهای orifice meter ها عمدتاً منفی می باشد خود هزینه های بسیار گزافی تولید خواهد کرد ضمن اینکه در صورت استفاده از Recorder نیاز به تعویض مداوم chart نیز می باشد .
قابل ذکر است که در اروپا و در بسیاری از کشورهای دیگر جهان و عمدتاً در کشورهای عضو اتحادیة اقتصادی اروپا (EEC) سیستم orifice metering بعنوان یک سیستم اندازه گیری برای حالت Transfer Custody مقبولیتی مانند turbine meter ها ندارد. ( نقل از B.J.Keperman, peco Instromet Inc )
جمع بندی :
بعنوان نتیجه گیری و جمع بندی می توان در مورد کاربرد orifice meter ها بعنوان یک وسیله اندازه گیری در حالت custody transfer موارد زیر را عنوان نمود .
۱- افت فشار در orifice meter ها زیاد می باشد
۲- Accuracy و uncertainty مربوط به orifice meter ها نسبت به turbine meter ها ضعیف تر می باشد .
۳- Rangeability دستگاه های مذکور بسیار کم می باشد و این محدودیتی قابل توجه در بعد اندازه گیری گاز در سیستم گازرسانی و فروش می باشد .
۴- خطاهای قابل پیش بینی و محتمل در orifice meter ها نسبتاً زیاد و میزان آنها نیز بالا می باشد و با توجه به اینکه اکثر خطاهائی که در این مقاله به آن اشاره شد منفی می باشد از بعد اقتصادی ضرر بسیار زیادی را برای شرکت ملی گاز ایران در بر خواهد داشت که توجه به این نکته حائز اهمیت زیادی می باشد .
۵- طول مستقیم مورد نیازدر orifice metering نسبت به turbine meter ها بیشتر می باشد این مسئله نیزعلاوه بر هزینه های ساخت در صورت عدم رعایت باعث خطا می گردد .
۶- orifice meter ها ( شامل orifice plate و ترانسمیتر و یا ریکوردر مربوطه ) می بایست بطور مرتب توسط افراد متخصص و بطور دقیق از زوایای مختلف چک شوند که در این صورت جهت نصب orifice plate می بایست از orifice fitting senior استفاده نمود که بتوان بدون قطع جریان orifice plate را جابجا و بازرسی نمود که این مورد نیز باعث بالا رفتن هزینه دستگاه می گردد .
مراجع و منابع:
۱- Jame N . witte , “ proper orifice meter test must include plate , tube inspection “ , pipe line & Gas industry, december 1999 Vol. 82 No . 12 .
2- Edgar B.Bowles, jr, “New development in turbine flow meters “ pipeline & Gas industry November – December 2001
3- JEFFREY L. MEREDLTH “ periodic inspection , cleaning key to orifice meter operation “ Pipe line & Gas industry november- December 2001 .
4- “ Measurment of fliud flow by means of orifice plate , nozzels and venturi tubes inserted in circular cross section conduits running full “ Iso international standard 5167
5- “ station Design “ , instromet co . Inc , Belgium
6- American Gas Association Report No . 3, orifice metering of natural Gas and other related hydrocarbon fluids” , ۱۹۷۸
۷- william G.Andrew, Applied instrumentation in the process industry , vol . 2 .
8- Lobit Datta – Barua “ New perspective on measurment “ pipe line & Gas journal, july 1997
دستورالعملهای کاری کنتورهای RMG , Instromet, Elster 9-
واحد اندازه گیری شرکت گاز استان فارس
