В этой статье обсуждается новая конструкция системы управления дозированием химикатов на основе измерения объема и анализ производительности. В обычных системах дозирования управление дозированием химикатов осуществляется аналоговым или цифровым расходомером с различными принципами работы, размещенным на выпускной линии насоса. В этих системах количество дозируемых химикатов контролируется на основе обратной связи, полученной через расходомер.

Для получения устойчивого измерения с помощью расходомеров пульсации от дозирующих насосов должны быть заглушены, а давление в линии должно поддерживаться постоянным с помощью регуляторов давления. В предлагаемой системе дозирования измерение дозируемого химиката выполняется через всасывающую линию насоса, что делает его независимым от характера выходного сигнала насоса и давления в линии. Количество дозируемых химикатов измеряется мгновенно путем размещения трубки измерения уровня объема на всасывающей линии насоса. Система предназначена для дозирования вязких жидкостей при рабочем давлении (0–400) бар и расходе 10 л/ч.

Предложенные и обычные системы были экспериментально испытаны, и были получены данные о производительности при различных рабочих давлениях и расходах. Экспериментальные результаты подтвердили, что простая и не требующая расходомера система управления потоком достигается благодаря малому количеству компонентов. Кроме того, была достигнута экономия затрат на 40 % по сравнению с обычными системами.

Системы дозирования и впрыскивания химикатов являются критически важными системами, которые переносят химические добавки непосредственно в трубопроводы и резервуары для хранения [1]. Системы дозирования химикатов широко используются во многих промышленных областях, где требуется контроль pH, предотвращение коррозии и осаждения, а также контроль запаха. Хотя эти системы имеют разные 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 значений в производстве [2].

Основными областями промышленного применения систем дозирования химикатов являются дозирование химикатов, регулирующих качество воды на водоочистных сооружениях [3], для обеспечения целевого количества химикатов с запахом в секторе природного газа, которое можно почувствовать при вдыхании запаха газа [4], дозирование химикатов на водопроводах и паропроводах для предотвращения образования накипи и коррозии в парах [5], использование для предотвращения гидратации и удаления серы в нефтегазодобывающих приложениях [6].

Дозирование химикатов является неотъемлемой частью процесса очистки воды. Дозирование химикатов на водоочистных сооружениях представляет собой процесс применения контролируемых количеств химикатов, таких как железо, алюминий и даже некоторые соли, для удаления нежелательных веществ из сточных вод и обеспечения их повторного использования. Системы дозирования химикатов на водопроводах и паропроводах дозируют едкий химикат или кислоту для нейтрализации pH. Системы дозирования также регулярно используются в качестве насосов хлора для уничтожения бактерий.

Процессы дозирования химикатов используются для впрыскивания некоторых химикатов с запахом непосредственно в поток газа высокого давления на станциях регулирования давления газа без запаха, чтобы сделать бесцветный и непахнущий природный газ обнаруживаемым в газовой промышленности в случае утечки газа [7]. Гидраты, которые возникают в результате взаимодействия молекул газа и воды при низких температурах и высоком давлении в нефтегазовой промышленности и могут вызывать серьезные проблемы, можно предотвратить путем впрыскивания химикатов, таких как метанол и гликоль, с помощью систем дозирования химикатов [8]. Проверка производства и выбросов сульфата (H2S) в канализационных системах имеет решающее значение из-за проблем с коррозией и плохим запахом, вызванных сульфатом. Дозирование химикатов также является одной из наиболее распространенных мер по уменьшению этих проблем [9].

В целом, системы дозирования состоят из резервуара для хранения дозирующего химиката, насосной системы для отправки дозирующего химиката в линию, системы мгновенного измерения количества дозирования и блоков панели управления. На промышленных предприятиях точный впрыск и дозирование химикатов обычно осуществляются с помощью гидравлических мембранных насосов с положительным вытеснением и поршневых насосов [10].

Из-за различных методов эксплуатации насос и другие используемые компоненты выбираются в соответствии с характеристиками эксплуатации и трубопроводов, а системы дозирования проектируются соответствующим образом [11]. Количество дозирования определяется конкретными параметрами применяемой системы и в соответствии с международными нормами [12]. Низкое или избыточное дозирование приводит к непреднамеренным проблемам в зависимости от места применения. Поэтому важно, чтобы количество дозирования соответствовало желаемым значениям.

В системах дозирования химических веществ такие разрушительные эффекты, как изменение давления и расхода в линии дозирования, изменение температуры окружающей среды и продукта, неисправность оборудования гасителя пульсаций в линии дозирования и диапазон переменного хода насоса, напрямую влияют на устойчивую работу процесса дозирования. Если дозирующий насос может обеспечить постоянный расход при постоянном давлении, можно гарантировать, что количество дозирования будет линейным [13].

Однако значения давления и расхода мгновенно изменяются из-за разрушительных эффектов. Поэтому в таких системах количество дозирования дозирующих насосов должно проверяться путем его мгновенного или периодического измерения [14]. Кроме того, то, впрыскивается ли дозирующий химикат в продукт при соответствующих значениях, контролируется мгновенным измерением дозирования, то есть с помощью измерений образцов, взятых из конечного продукта в определенные периоды [15]. Расходомеры дозирования широко используются для проверки точности количества дозирования и достоверности скорости [16]. Расходомеры дозирования предназначены для различных типов химикатов, давлений и скоростей потока [17].

Расходомеры типа Кориолиса широко используются для систем дозирования среди этих расходомеров. Расходомеры типа Кориолиса — это расходомеры без чувствительных и подвижных частей, которые могут измерять количество, плотность и температуру массы, проходящей через единицу времени в широком диапазоне 4000 тонн/ч при максимальном давлении 400 бар с точностью 0,1 %. Расходомеры Кориолиса ограничены 310 бар в системах с низким расходом и высоким давлением, таких как системы дозирования, а точность измерения работает с погрешностью от 0,2 % до 0,5 % ниже значений расхода 500 кг/ч [18,19].

В качестве альтернативы расходомеру Кориолиса были разработаны системы дозирования с различными типами расходомеров для повышения показателей точности измерений в соответствии со спецификациями жидкости [20]. Ван и другие [21] сообщили, что эффект коррозии от трения и структуры жидкости шестерен расходомера в системе дозирования топлива, содержащей расходомер с резьбовым типом, повлиял на точность измерения. Они разработали метод динамической калибровки, основанный на периодическом требовании калибровки для повышения точности измерений.

Система, разработанная с помощью моделирования и экспериментального анализа, показала, что максимальная относительная погрешность скорости потока возбуждения достигает около 8 %. R.A. Furness и J.E Heritage показали преимущества и недостатки поршневого (расходомер с положительным вытеснением) и турбинного типа расходомера в дозирующих приложениях в своем исследовании типов расходомеров, используемых в коммерческих приложениях. Расходомеры поршневого и турбинного типа доступны только для не содержащих частиц, чистых и совместимых по вязкости жидкостей из-за их движущихся внутренних структур.

В этом типе расходомера требование технического обслуживания через определенные интервалы из-за коррозии и трения движущихся частей отрицательно влияет на точность измерений; и может использоваться в дозирующих системах, где могут использоваться ограниченные жидкости из-за таких условий, как заклинивание и износ движущихся частей при высоких перепадах давления [22]. Charlotte E. и другие указали на ограничения в использовании расходомеров поршневого типа с дифференциальным давлением, используемых для измерений низкого расхода и систем дозирования впрыска добавок, сравнивая параметры, которые влияют на точность измерения, такие как измерение колебаний, вызванных движениями поршня, потери давления, плотность жидкости и вязкость [23]. A. Venugopal и др. показали, что вихревой расходомер более устойчив к механическим повреждениям, чем турбинный расходомер и расходомер с положительным вытеснением; и что он выигрывает в точности и надежности по сравнению с расходомером с дифференциальным давлением.

Кроме того, результат калибровки с любой жидкостью в вихревом расходомере действителен в других измерительных приложениях, тогда как в кориолисовых и ультразвуковых расходомерах калибровка должна проводиться с той же жидкостью или другой жидкостью в измерениях, какая бы жидкость ни использовалась. Это делает вихревой расходомер более выгодным по сравнению с кориолисовыми и ультразвуковыми расходомерами, используемыми для многих приложений измерения расхода в промышленности. Однако при измерении низких значений расхода с помощью этих типов расходомеров увеличение частоты ошибок измерения из-за влияния таких параметров, как частота измерения и коэффициенты шума, является основным недостатком [24].

Расходомеры имеют несколько преимуществ с точки зрения использования, поскольку они могут мгновенно измерять количество жидкости, проходящей за единицу времени, могут быть установлены непосредственно на линии и могут измеряться непрерывно. Однако изменение выходной характеристики давления-потока насосов, используемых в системах дозирования, напрямую влияет на точность измерения расходомеров, что является недостатком с точки зрения надежности. Кроме того, ограниченные рабочие давления 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 экономически эффективная система дозирования, основанная на объемном измерении, для устранения или минимизации таких недостатков, как точность измерения характеристик насоса и изменения давления и высокая стоимость. В предлагаемой системе дозирования измерение дозируемого химиката выполняется через всасывающую линию вместо напорной линии, в отличие от обычных систем. Это предназначено для устранения влияния характеристик насоса и изменения давления на точность измерения или для снижения их до минимального уровня.

Конструкция и структура управления предлагаемой системы подробно описаны в следующих разделах, где сравниваются экспериментальные данные о производительности предлагаемой системы с обычной системой. Инновационный аспект этого исследования заключается в его ориентированном на решение подходе и экономически эффективной методологии для устранения недостатков обычных систем дозирования. Это исследование имеет потенциал предложить простую и эффективную систему дозирования, которая может привести к значительной экономии затрат на энергетических объектах и ​​других промышленных применениях. Производительность предлагаемой системы, основанная на экспериментальных данных, была разработана для соответствия аналогичной производительности обычной системы.

Обычные системы дозирования химических веществ

Системы дозирования химических веществ изготавливаются в различных конструкциях в зависимости от свойств текучести, рабочей среды 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 надежности требуются системы дозирования и компоненты

Конструкция и компоненты предлагаемой системы дозирования химических веществ

Предлагаемая система дозирования предназначена для управления расходом без использования расходомера. Количество дозируемых химикатов, передаваемых в системе, мгновенно контролируется измерительной трубкой объемом 75 мл, помещенной между всасывающей линией насоса и баком для химикатов. Все компоненты системы пронумерованы и подробно описаны. Предлагаемая система использует объемное измерительное устройство

Настройка системы

Предлагаемая система дозирования химикатов 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 разработана для получения как предлагаемых, так и обычных данных системы. Таким образом, компоненты системы, которые эффективны для экспериментальной производительности, являются общими для обеих систем.

Заключение

Системы дозирования химикатов широко используются во многих отраслях промышленности для различных целей. Компоненты системы и стоимость варьируются в зависимости от областей применения. Принимая во внимание энергетический сектор, компоненты системы дозирования должны соответствовать многим международным стандартам, таким как ASME, ANSI, ATEX и IECEx. Это означает, что стоимость систем дозирования очень высока на энергетических объектах. Измерение и контроль количества дозируемого химиката в традиционных системах дозирования осуществляется с помощью расходомера.