Приборные системы безопасности: средства измерения расхода

Пользователи должны подсчитывать количество проблем с так называемой общей причиной в приборных системах безопасности (ПСБ) при каждом конкретном применении. Это связано с тем, что такую информацию поставщики ПСБ обычно в документах не раскрывают, как и третьи стороны, которые используют ПСБ для предоставления данных о безопасности продуктов. В статье [2] указано, что большинство рисков для безопасности при измерениях вызвано именно проблемами общей причины. Поскольку такие проблемы затрагивают несколько устройств, их нельзя решить с помощью резервирования. В статье подробно описаны наиболее распространенные примеры реальных проблем с общей причиной для измерений давления, температуры, расхода и уровня, а также представлены рекомендуемые методы проектирования систем для минимизации воздействия таких проблем на безопасность (учета рисков). Примеры включали засоренные измерительные линии, холодные капилляры, покрытые грязью или сломанные защитные термогильзы (для защиты термопар) и некоторые неоптимальные методы установки и обслуживания.

В статье [3] проектировщиков попросили подумать, нельзя ли устранить проблему с помощью улучшенного конструктивного решения? Можно ли обнаружить проблему при диагностике, чтобы ее можно было исправить прежде, чем это повлияет на безопасность или вызовет отключение приборов? Также было показано, что диагностика упрощает частичное контрольное тестирование и/или повышает необходимость всестороннего контрольного (типового) испытания. В статье разработчиков просят подумать о том, каких проблем можно избежать за счет разнообразия доступных технологий измерения, то есть использования другого подхода или технологии. Разнообразие не имеет большого значения для измерения давления, поскольку другого способа сделать это часто нет. Аналогичные комментарии относятся к температуре. Хотя существуют разные типы датчиков, на практике любая реальная проблема одинаково влияет на все из них.

Однако в первой статье объяснялось, что радарный способ измерения уровня (в нем используются ультразвуковые импульсы) лучше измерения, основанного на перепаде давления (differential pressure-based level, dP), поскольку позволяет избежать уязвимости технологических соединений для реальных общих причин их засорения и изменения плотности жидкости. Еще одно важное и полезное использование разнообразия технологий — измерение расхода.

Измерение расхода осуществляется расходомером — прибором, измеряющим объемный или массовый расход вещества, то есть количество вещества, проходящее через данное сечение потока (например, сечение трубопровода) в единицу времени.

Проблемы отказов по общей причине, влияющие на измерение расхода

К отказу расходомера или его неправильным показаниям может привести множество проблем. При этом в контексте обеспечения безопасности особое значение имеют следующие вопросы, на которых следует сосредоточить пристальное внимание:

• Может ли проблема привести к тому, что расходомер будет показывать неправильный расход без какого-либо предупреждения для пользователя? Такие отказы определяются как скрытые (иногда также называются необнаруженными). Если неверное измерение может повлиять на безопасность (например, если поток в охлаждающем контуре ошибочно показывает низкий уровень вместо высокого), это опасный сбой, поскольку он может привести к перегреву технологического процесса. Стоит обратить внимание на то, что в случае, если поток в охлаждающем контуре ошибочно считывается как слишком высокий, хотя по факту является низким, это будет безопасный отказ, поскольку он не приведет к возникновению опасного состояния, хотя, конечно, из-за него может произойти ненужное (ложное) отключение. Опасные, скрытые отказы влияют на безопасность процесса, а безопасные и явные отказы — на его нормальное функционирование, но не приводя к критическим последствиям.
• Может ли проблема таким же образом повлиять на второй (или даже третий) прибор? Если избыточность не помогает, то такие отказы определяются как общая причина.

Распространенным подходом к измерению расхода является технология, основанная на перепаде давления. Расходомер переменного перепада давления (этот метод еще называют дифференциальным) включает два основных элемента. Первичный элемент создает падение давления путем введения препятствия в трубе — это может быть диафрагма, усредняющая трубка Пито (например, торговой марки Annubar от компании Emerson) и т. д., которые позволяют использовать для расчета расхода уравнение Бернулли. Падение давления измеряется вторичным элементом — преобразователем перепада давления. Расходомер на перепаде давления популярен благодаря своей универсальности и привычности. При правильном выборе, установке и обслуживании он может обеспечить высокую повторяемость и разумную постоянную потерю давления. К сожалению, при использовании такого расходомера в некоторых применениях могут возникнуть серьезные проблемы с безопасностью, вызванные следующими причинами:

• изменение свойств жидкости, таких как состав или плотность, влияет на воспроизводимость результатов (хотя пользователь может попытаться это компенсировать);
• грязные жидкости или холодная окружающая среда могут замедлить измерения или засорить чувствительные линии;
• наличие газа или жидкости (в зависимости от того, какая фаза измеряется) может искажать результаты измерения или приводить к накоплению газа/жидкости в измерительных линиях и замедлять время отклика;
• грязные жидкости могут блокировать, покрывать или разрушать первичный элемент расходомера, вызывая смещение;
• множественные резьбовые соединения увеличивают вероятность возникновения неконтролируемых выбросов и утечек;
• риск ошибки в случае, если используется несколько частей от разных поставщиков, которые затем собраны на месте (если пользователь не указал встроенный счетчик, предварительно собранный и испытанный поставщиком под давлением), может привести к ошибочным измерениям или потенциальным утечкам (рис. 1);
• контрольное испытание: большинство пользователей проверяют только то, что датчик расходомера при перепаде давления не смещен и чувствительные линии не засорены. Сам первичный элемент проверяется редко — и не потому, что не выходит из строя, а потому, что он часто попросту недоступен для проверки.
• Другие технологии используются реже, но они также не избавляют от проблем, связанных с безопасностью:
• Обломки, отложения, заедание, износ или повреждение любого компонента внутри турбинного расходомера могут привести к завышению или занижению показаний. Пользователь может совершенно не подозревать, что это происходит, до тех пор, пока счетчик не будет поверен с помощью внешнего поверочного устройства.
• Если электромагнитный расходомер используется в системе охлаждения, пользователю необходимо убедиться в отсутствии риска попадания непроводящей жидкости (например, деионизированной воды) в систему. В противном случае показания расходомера могут быть заниженными или с большой погрешностью из-за помех (шумов).
• У электромагнитных расходомеров могут быть проблемы с заземлением, футеровками и электродами, хотя современные устройства могут обнаруживать некоторые из этих проблем с помощью диагностики и проверки.
• Для большинства расходомеров требуются прямые участки с обеих сторон — чтобы поток равномерно распределялся в трубе. К сожалению, многие счетчики устанавливаются с использованием простых устаревших правил, таких как «10 до, 5 после». Современные стандарты, такие как ISO-5167 [7], в зависимости от возмущения на входе могут требовать 50 или более диаметров прямой трубы для обеспечения точности (в России в данном случае действует межгосударственный стандарт ГОСТ586.3-2005 [4], который является модифицированным международным стандартом ИСО 5167-3:2003).

Рис. 1. Предварительно собранные, протестированные на герметичность расходомеры на перепаде давления минимизируют риск инженерных ошибок и некачественной сборки, а также неконтролируемых выбросов и утечек. Здесь показаны одиночные и двойные (резервные) конфигурации.
Все изображения предоставлены компанией Emerson

Если существует риск возникновения одной из этих проблем, пользователь должен количественно оценить этот риск для анализа безопасности. Кроме того, для своевременного обнаружения проблемы необходимо проводить периодические контрольные испытания. Требуемая периодичность контрольного тестирования зависит от того, насколько быстро, по оценке пользователя, может возникнуть проблема в том или ином конкретном применении. Количественная оценка вероятности проблемы и скорости ее развития — сложная задача, которую нужно выполнять на этапе разработки проекта, чтобы ответить на такие вопросы, как:

• Если в том или ином приложении установлено 100 импульсных линий, сколько из них может быть отключено в любой момент времени во время работы станции?
• Если техническое обслуживание подтвердило, что линия не подключена сегодня, сколько времени потребуется на то, чтобы эту линию можно было подключить в будущем?

Вместо того, чтобы тратить много часов на попытки количественно оценить вероятность и частоту отказа по возможной общей причине в каждом применении, мы рекомендуем пользователю пойти на дополнительные затраты и улучшить конструктивное решение для контроля. Если пользователь не может использовать лучшее решение для устранения проблемы, из-за которой несколько приборов будут считывать неправильный поток, ему следует рассмотреть возможность использования другой технологии. Для обеспечения безопасности при измерении расхода чаще всего используют вихревые и кориолисовые расходомеры (рис. 2).

Рис. 2. Вихревой расходомер, в едином корпусе которого располагаются два тела обтекания и четыре независимых датчика, каждый со своим преобразователем, три из которых подключены к ПСБ, а один — к основной системе управления технологическим процессом. Конструкция безопасна и надежна. В проточной части нет портов или щелей, которые могут закупориться, нет прокладок, которые могут протекать, и датчики не смачиваются. Если технологическая жидкость может содержать большие камни, которые могут заблокировать трубу, на фланец можно добавить смотровое отверстие, чтобы обеспечить автономный визуальный осмотр

Вихревой расходомер

В вихревом расходомере применяется эффект Кармана, или вихревая дорожка Кармана, — цепочка вихрей, которые наблюдаются при обтекании жидкостью, газом или паром протяженных цилиндрических тел (или других линейно вытянутых плохо обтекаемых профилей) с продольной осью, перпендикулярной направлению движения сплошной среды. Что касается принципа действия вихревого расходомера, то при появлении в потоке среды препятствия (тела обтекания) ее поток разделяется, в результате чего на противо­положной стороне этого препятствия формируются зоны неоднородного переменного давления (вихри). Частота переменных вихрей линейно пропорциональна скорости технологической среды [5].

Частота образования вихрей линейно зависит от расхода, что дает одно из ключевых преимуществ вихревого расходомера. Небольшая степень покрытия или загрязнение тела обтекания датчика ослабит сигнал, но не изменит измеренного значения расхода. По мере увеличения покрытия и загрязнения частотный сигнал будет постепенно ослабевать до тех пор, пока сигнал потока не будет полностью потерян. Хотя это скорее безопасный, чем опасный сбой (для пользователя просто выводится информация о том, что нет потока, а не о том, имеются ли те или иные не существующие в реальности отклонения), он все же влияет на доступность. Поэтому, если пользователь рассматривает вихревой расходомер вместо какой-либо другой технологии из-за устойчивости к покрытию и засорению грязной жидкостью, он должен убедиться в том, что этот расходомер сам устойчив к покрытию и засорению. Этого можно достичь, выбрав расходомер с несмачиваемым датчиком и без внутренних портов или щелей, которые со временем могут забиваться грязью. Если пользователь выбирает вихревой расходомер для уменьшения потенциальных точек утечки, ему следует остановиться на устройстве, которое можно установить без смачиваемых уплотнительных колец или прокладок.

При измерении расхода жидкостей с крупными или абразивными частицами пользователю стоит рассмотреть вихревой расходомер с двумя телами обтекания (стержнями), показанный на рис. 2. В большинстве случаев первый стержень будет больше всего подвержен засорению или истиранию, но пользователь может обнаружить любой калибровочный сдвиг, отслеживая различия между сигналами, измеренными на первом стержне и на втором. Для каждого тела обтекания можно установить один или два датчика, поэтому в одной установке пользователь может подключить к ПСБ до трех независимых датчиков, а четвертый подключить к базовой системе управления технологическим процессом.

Одной из ключевых проблем при обеспечении безопасности является непонимание того, что происходит с измерениями в условиях низкого расхода. Именно в таких условиях многие процессы становятся опасными, особенно в случае, когда пламя гаснет в процессе горения или компрессор выходит из строя. Хотя при использовании расходомера на перепаде давления погрешность увеличивается по мере уменьшения расхода, теоретически расходомер может обеспечивать почти нулевой выходной сигнал. В то время как вихревой расходомер сохраняет свою точность при уменьшении расхода ниже лишь определенного минимального числа Рейнольдса (безразмерная величина, характеризующая отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах), при котором вихревой расходомер вообще не регистрирует какого-либо расхода. Важно отметить, что ограничение основано на числе Рейнольдса, а не только на расходе, что крайне важно для углеводородных применений. Поскольку большинство углеводородов отличается высокой вязкостью в холодном состоянии, вихревой расходомер при запуске может просто не считывать показания расхода до тех пор, пока жидкость не нагреется. Если ПСБ интерпретирует такой случай как отсутствие потока, это может помешать запуску. Чтобы избежать этого, пользователь должен применять технологический нагрев при запуске или подбирать вихревой расходомер с учетом этих особенностей. Одним из решений может быть использование расходомера со встроенными коническими переходами (один сужающий и один расширяющий), проточная часть которого меньшего диаметра, чем основной трубопровод, но при этом сохранена строительная длина стандартного расходомера (рис. 3).

Рис. 3. Вихревой расходомер со встроенными коническими переходами можно подключить к тому же трубопроводу, что и стандартный расходомер, но он может измерять более низкий минимальный расход

Вихревой расходомер отличается высокой надежностью, так как уже в силу своей природы устойчив к грязным жидкостям, а также его легко установить. Для обеспечения безопасной установки и эксплуатации, а также упрощения периодических контрольных испытаний также доступна его диагностика. Например, при техническом обслуживании можно проверить эффективность датчика и смоделировать частотный вход непосредственно от передатчика. Ни одно из контрольных испытаний не требует остановки процесса или какого-либо дополнительного внешнего оборудования. В жидкостях, которые могут содержать достаточно много мусора для того, чтобы блокировать тело обтекания, пользователь может заказать входной порт, который позволяет вставлять видеокамеру для периодического визуального осмотра. Осмотр с помощью видеокамеры выполняется в автономном режиме, и это намного проще, чем разбирать, осматривать и переустанавливать расходомер. Поставщик, в свою очередь, чтобы не повлиять на точность, будет калибровать на заводе расходомер с уже установленным контрольным портом.

Кориолисовый расходомер

Преимущества кориолисового расходомера заключаются в том, что он без дополнительных датчиков измеряет массовый расход, учитывая плотность и температуру, и на основе полученных данных может рассчитывать объемный расход жидкости или газа. Такой расходомер может обеспечить высокую точность в широком диапазоне потоков и в общем случае не зависит от изменения характеристик жидкости, таких как плотность, вязкость или ее состав.

Работа кориолисового расходомера основана на принципах механического движения. Когда технологическая жидкость поступает в сенсор, она разделяется. При движении через вибрирующую трубку (вибрацию создает катушка возбуждения) жидкость вынуждена ускоряться, поскольку происходит ее смещение к точке с максимальной амплитудой вибрации. В то же время замедляющаяся жидкость отдаляется от точки с максимальной амплитудой вибрации по мере вытекания из трубки. В результате в процессе протекания происходит завихрение потока, так как он пересекает каждый цикл колебаний. Когда трубки колеблются, напряжение, генерируемое каждой измерительной катушкой (оно представляет собой синусоидальные колебания), указывает на движение одной трубки относительно другой. Измеряемое временное различие между волнами называется Delta-T и прямо пропорционально массовому расходу [6].

Поскольку для кориолисового расходомера не требуются прямые участки с обеих сторон, это может упростить установку и помочь избежать ошибок, связанных с недостаточно прямой подводной и отводной трубой. Это также может позволить пользователю разместить собранный расходомер в месте, доступном для тестирования или проверки. Отметим, что причина, по которой многие диафрагмы расположены в недоступном месте на стеллаже для труб, заключается в том, что именно там пользователь может найти необходимую прямую трубу заданной длины. Как и вихревой, кориолисовый расходомер легко правильно настроить и установить.

Хотя кориолисовые расходомеры, как правило, достаточно надежны, пользователь должен осознавать риск двухфазного потока, а именно газа, увлекаемого потоком жидкости, или жидкости, увлекаемой потоком газа. Такое явление часто наблюдается с жидкостями с более высокой вязкостью или при дозировании и приводит к увеличению среднего объемного расхода, даже если фактическое количество жидкости (ее масса) не изменилось. Это может вызвать значительные ошибки в работе большинства объемных расходомеров, хотя современные вихревые расходомеры могут обнаруживать изменение фазы и предупреждать о них пользователя. Кроме того, кориолисовый расходомер, который непосредственно измеряет массу, должен подвергаться минимальному воздействию такой проблемы, особенно это касается современных интеллектуальных расходомеров с цифровой обработкой сигналов.

Как и в центрифуге, вращение которой отделяет тяжелые компоненты от легких, поскольку трубка Кориолиса вибрирует быстрее, газ и жидкость могут разделяться и перемещаться в трубке с разными скоростями, вызывая значительные ошибки. По сравнению с обычными измерениями, которые такой прибор проводит с высокой точностью, погрешность измерения может возрасти в десять раз. По этой причине в приложениях, где возможен двухфазный поток, мы рекомендуем применять кориолисовый расходомер, который использует низкую частоту катушки возбуждения [8] и в состоянии идентифицировать фазы контролируемого потока (рис. 4). Низкая частота сводит к минимуму ошибку потока, поскольку объемная доля газа (отношение объема данного газа к общему объему смеси) между пиками волны возбуждения увеличивается.

Рис. 4. Более низкая частота возбуждения сводит к минимуму ошибку потока, поскольку объемная доля газа увеличивается

Устройства, разработанные для ПСБ, включают специальную диагностику, которая обнаруживает внутренние сбои их электроники [9]. Пользователь часто не может настроить эти средства диагностики или даже добраться до них, но при обнаружении внутреннего опасного отказа они автоматически переводят устройство в безопасное состояние. Это обеспечивает более высокую безопасность, позволяя проводить валидацию или сертификацию устройства на соответствие определенным уровням полноты безопасности (Specific Safety Integrity Level, SIL, УПБ) в уполномоченных на это сторонних лабораториях. УПБ является инструментом количественной оценки снижения уровня риска (устройства, оборудования, системы, контура управления или безопасности). УПБ определяются стандартом МЭК 61511 (в России его роль выполняет ГОСТ Р МЭК 61511-1-2018 [1]).

Рис. 5. Типовые контрольные испытания, которые могут быть выполнены с измерителем, встроенным непосредственно в линию, восстанавливают «большую часть» покрытия безопасности, увеличивая потребность в комплексных испытаниях, которые требуют снятия измерителя и внешнего устройства проверки расхода. Более мощные современные средства диагностики обеспечивают больший охват контрольных испытаний, позволяя пользователю увеличить интервал комплексных испытаний до графика останова предприятия

Диагностика по запросу также доступна в современных кориолисовых расходомерах, которые позволяют пользователю улучшить охват, доступный при проверочных испытаниях на месте [10], с 50%, характерных для старых устройств, до более чем 90% (рис. 5, таблица). Это позволяет пользователю увеличивать интервалы между комплексными контрольными испытаниями. Поскольку для комплексного контрольного испытания требуется, чтобы расходомер был выведен из эксплуатации и подключен к внешнему устройству проверки расхода или отправлен в калибровочную лабораторию, его время в идеале может быть увеличено по крайней мере до графика плановой остановки предприятия.

Заключение

Если пользователь наблюдал какие-либо скрытые или опасные режимы отказа по общей причине в своей работе, он должен количественно оценить вероятность и скорость развития проблемы, чтобы определить интервал контрольных испытаний. Ни то, ни другое нецелесообразно при разработке нового процесса, поэтому, если проблема не может быть устранена с помощью улучшенного конструктивного решения, пользователю стоит выбрать другую технологию, которая вообще не страдает от отказа по общей причине. Для потоковых приложений следует рассмотреть две технологии — вихревую и кориолисовую.