В этом исследовании рассматривается разработка новой системы управления дозированием химических веществ, основанной на измерении объема, и анализ производительности. В обычных системах дозирования контроль дозирования химических веществ осуществляется с помощью аналогового или цифрового расходомера с различными принципами работы, расположенного на выходе из насоса. В этих системах количество дозируемых химикатов регулируется на основе обратной связи, получаемой с помощью расходомера. Для получения стабильных результатов измерения с помощью расходомеров пульсации, поступающие от дозирующих насосов, должны быть ослаблены, а давление в трубопроводе должно поддерживаться постоянным с помощью регуляторов давления. В предлагаемой системе дозирования измерение дозируемого химиката осуществляется через всасывающую линию насоса, что делает его независимым от производительности насоса и давления в трубопроводе. Количество дозируемого химиката измеряется мгновенно путем размещения трубки для измерения объема на всасывающей линии насоса. Система предназначена для дозирования вязких жидкостей при рабочем давлении (0-400) бар и расходе 10 л/ч. Предлагаемая и традиционная системы прошли экспериментальные испытания, и были получены данные о производительности при различных рабочих давлениях и расходах. Результаты экспериментов подтвердили, что благодаря небольшому количеству компонентов достигается простота системы регулирования расхода без использования расходомера. Кроме того, по сравнению с традиционными системами была достигнута экономия затрат на 40%.

Вступление

Системы дозирования и впрыска химических веществ являются важнейшими системами, которые обеспечивают подачу химических добавок непосредственно в трубопроводы и резервуары для хранения [1]. Системы дозирования химических веществ широко используются во многих отраслях промышленности, где требуется контроль рН, предотвращение коррозии и выпадения осадков, а также борьба с запахом. Хотя эти системы имеют различные характеристики в зависимости от области применения, их основная задача заключается в дозировании дополнительных продуктов при различных расходах и давлениях к основному продукту для достижения желаемого качества и ценности при производстве [2]. Основными областями промышленного применения систем дозирования химикатов являются дозирование химикатов, регулирующих качество воды на водоочистных сооружениях [3], для обеспечения заданного количества химикатов с запахом в секторе природного газа, который ощущается при вдыхании газа [4], дозирование химикатов в водопроводах и паропроводах для предотвращения образования накипи и коррозии в парах [5], использование для предотвращения гидратации и удаления серы при добыче нефти и газа [6].

Дозирование химических веществ является неотъемлемой частью процесса очистки воды. Дозирование химических веществ на установках очистки воды — это процесс применения контролируемых количеств химических веществ, таких как железо, алюминий и даже некоторые соли, для удаления нежелательных веществ из сточных вод и их повторного использования. Системы дозирования химикатов на трубопроводах для подачи воды и пара дозируют едкий химикат или кислоту для нейтрализации pH. Системы дозирования также регулярно используются в качестве насосов для подачи хлора для уничтожения бактерий. Процессы дозирования химических веществ используются для введения некоторых химикатов с неприятным запахом непосредственно в поток газа высокого давления на станциях регулирования давления газа без запаха, чтобы в газовой промышленности в случае утечки газа можно было обнаружить природный газ без цвета и запаха [7]. Гидраты, которые образуются в результате взаимодействия молекул газа и воды при низких температурах и высоком давлении в нефтегазовой промышленности и могут вызывать серьезные проблемы, можно предотвратить путем введения химических веществ, таких как метанол и гликоль, с использованием систем дозирования химических веществ [8]. Контроль за образованием и выбросами сульфата (H2S) в канализационных системах имеет решающее значение из-за коррозии и неприятного запаха, вызываемого сульфатами. Дозирование химических веществ также является одной из наиболее распространенных мер по уменьшению этих проблем [9].

Как правило, системы дозирования состоят из резервуара для хранения дозируемого химического вещества, насосной системы для подачи дозируемого химического вещества на линию, системы мгновенного измерения количества дозируемого вещества и панели управления. На промышленных предприятиях точное впрыскивание и дозирование химических веществ обычно осуществляется с помощью объемных гидравлических мембранных насосов и насосов поршневого типа [10]. В связи с различными методами эксплуатации насос и другие используемые компоненты выбираются в соответствии с особенностями эксплуатации и трубопроводов, а системы дозирования проектируются соответствующим образом [11]. Дозировка определяется конкретными параметрами применяемой системы и в соответствии с международными правилами [12]. Низкая или чрезмерная дозировка приводит к непредвиденным проблемам в зависимости от места применения. Поэтому важно, чтобы дозировка соответствовала требуемым значениям.

В системах дозирования химических веществ разрушающие факторы, такие как изменение давления и расхода в линии дозирования, повышение температуры окружающей среды и продукта, неисправность оборудования для подавления пульсаций в линии дозирования и изменение диапазона хода насоса, непосредственно влияют на стабильную работу процесса дозирования. Если дозирующий насос может обеспечивать постоянный расход при постоянном давлении, можно обеспечить линейное дозирование [13]. Однако значения давления и расхода мгновенно меняются из-за разрушающих воздействий. Поэтому в таких системах необходимо проверять дозируемое количество дозирующих насосов, измеряя его мгновенно или периодически [14]. Кроме того, то, вводится ли дозирующее химическое вещество в продукт в нужных количествах, контролируется с помощью мгновенного измерения дозировки, то есть с помощью измерений образцов, взятых из конечного продукта через определенные промежутки времени [15]. Дозирующие расходомеры широко используются для проверки точности дозирования и допустимого расхода [16]. Дозирующий расходомер предназначен для различных типов химических веществ, давлений и скоростей потока [17]. Среди этих расходомеров широко используются расходомеры кориолисова типа для систем дозирования. Кориолисовы расходомеры — это расходомеры без чувствительных и подвижных частей, которые могут измерять количество, плотность и температуру массы, проходящей через единицу времени, в широком диапазоне до 4000 тонн в час при давлении не более 400 бар с точностью до 0,1%. Кориолисовы расходомеры ограничены давлением 310 бар в системах с низким расходом и высоким давлением, таких как системы дозирования, и точность измерения составляет от 0,2% до 0,5 % при значениях расхода 500 кг/ч [18,19].

В качестве альтернативы расходомеру Кориолиса были разработаны дозирующие системы с различными типами расходомеров для повышения точности измерений в соответствии со спецификациями жидкости [20]. Ванг и другие [21] сообщили, что коррозия, возникающая из-за трения и структуры жидкости в зубчатых колесах расходомера в системе дозирования топлива, содержащей расходомер с резьбой, влияет на точность измерений. Они разработали метод динамической калибровки, основанный на требовании о периодической калибровке для повышения точности измерений. Система, разработанная на основе моделирования и экспериментального анализа, показала, что максимальная относительная погрешность измерения расхода при возбуждении составляет около 8 %. Р.А. Фернесс и Дж.Э. Херитидж продемонстрировали преимущества и недостатки поршневого (объемного расходомера) и турбинного расходомеров в области дозирования в своем исследовании типов расходомеры, используемые в коммерческих целях. Поршневые и турбинные расходомеры доступны только для жидкостей, не содержащих частиц, чистых и совместимых по вязкости, благодаря их подвижным внутренним конструкциям. В расходомерах этого типа необходимость в техническом обслуживании через определенные промежутки времени из-за коррозии и трения движущихся частей отрицательно сказывается на точности измерений; они могут использоваться в системах дозирования, где количество используемых жидкостей ограничено из-за таких условий, как заклинивание и износ движущихся частей при высоких перепадах давлений [22]. Шарлотта Э. и другие авторы указали на ограничения в использовании поршневых расходомеров дифференциального давления, используемых для измерения низкого расхода и систем дозирования присадок, путем сравнения параметров, влияющих на точность измерений, таких как колебания, вызванные перемещениями поршня, потери давления, плотность и вязкость жидкости [23]. A. Venugopal и др. показано, что вихревой расходомер более устойчив к механическим повреждениям, чем турбинный расходомер и объемный расходомер, и что он обладает большей точностью и надежностью по сравнению с расходомером дифференциального давления. Кроме того, результаты калибровки с любой жидкостью в вихревом расходомере действительны и в других измерительных системах, в то время как в кориолисовом и ультразвуковом расходомерах калибровка должна проводиться с той же жидкостью или другой текучей средой, участвующей в измерениях, в зависимости от того, какая жидкость использовалась. Это делает вихревой расходомер более выгодным по сравнению с кориолисовыми и ультразвуковыми расходомерами, используемыми во многих областях измерения расхода в промышленности. Однако при измерении низких значений расхода с помощью расходомеров такого типа увеличение частоты ошибок измерений из-за влияния таких параметров, как частота измерений и коэффициенты шума, является основным недостатком [24].

Расходомеры имеют ряд преимуществ с точки зрения использования, поскольку они могут мгновенно измерять количество жидкости, проходящей за единицу времени, могут быть установлены непосредственно на трубопроводе и могут измеряться непрерывно. Однако изменение выходной характеристики «давление-расход» насосов, используемых в системах дозирования, напрямую влияет на точность измерений расходомеров и является недостатком с точки зрения надежности. Кроме того, ограниченное рабочее давление и высокая чувствительность к отказам при изменении давления требуют использования дополнительных приборов в используемых системах, что увеличивает затраты на установку и эксплуатацию системы [25].

В этом исследовании предлагается новая экономичная система дозирования, основанная на объемном измерении, позволяющая устранить или свести к минимуму такие недостатки, как характеристики насоса, точность измерения колебаний давления и высокая стоимость. В предлагаемой системе дозирования, в отличие от обычных систем, измерение дозируемого химического вещества производится через всасывающую линию, а не через напорную. Это позволяет исключить влияние характеристик насоса и изменения давления на точность измерения или свести ее к минимуму. Конструкция и структура управления предлагаемой системы подробно описаны в разделе 3.1, где сравниваются экспериментальные данные о производительности предлагаемой системы с обычной системой, а также в разделе 4.2. Инновационный аспект этого исследования заключается в его ориентированном на решение подходе и экономически эффективной методологии для устранения недостатков традиционных систем дозирования. Это исследование потенциально может предложить простую и эффективную систему дозирования, которая может привести к значительной экономии средств на энергетических объектах и в других отраслях промышленности. Производительность предлагаемой системы, основанная на экспериментальных данных, была разработана таким образом, чтобы она соответствовала производительности традиционной системы.

Обычные системы дозирования химических веществ

Системы дозирования химических веществ изготавливаются в различных конструкциях в зависимости от свойств текучести, условий эксплуатации и области применения дозируемого химического вещества. Такие параметры, как рабочая среда, содержащая легковоспламеняющиеся и взрывоопасные продукты, воздействие дозируемой жидкости на соприкасающиеся поверхности, давление и расход в системе, а также структура управления, являются решающими при проектировании системы дозирования. Однако для обеспечения надежности необходимы системы дозирования и их компоненты.

Конструкция и компоненты предлагаемой системы дозирования химических веществ

Предлагаемая система дозирования предназначена для регулирования расхода без использования расходомера. Схематическое изображение предлагаемой системы дозирования показано на фиг. 3. Количество дозируемых химикатов, подаваемых в систему, мгновенно контролируется с помощью измерительной трубки объемом 75 мл, расположенной между всасывающей линией насоса и резервуаром для химикатов. Все компоненты системы пронумерованы. В предлагаемой системе используется устройство для измерения объема

Настройка системы

Предлагаемая система дозирования химикатов (рис. 9) была изготовлена для получения экспериментальных данных о производительности. На рисунке показаны резервуар для жидкости, панель автоматизации, дозирующий насос высокого давления, система VMD, расходомер, датчик давления, манометры, калибровочная трубка, клапан и трубопроводы. Производственная экспериментальная установка предназначена для получения как предлагаемых, так и традиционных системных данных. Таким образом, компоненты системы, которые эффективны при проведении экспериментов, являются общими для обеих систем. На рис. 10 показано

Вывод

Системы дозирования химических веществ широко используются во многих отраслях промышленности для различных целей. Компоненты системы и стоимость варьируются в зависимости от областей применения. В энергетическом секторе компоненты системы дозирования должны соответствовать многим международным стандартам, таким как ASME, ANSI, ATEX и IECEx. Это означает, что затраты на системы дозирования в энергетических установках очень высоки. Измерение и контроль количества дозируемого химического вещества в обычных системах дозирования осуществляется с помощью расходомера.