СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА С ПРИМЕНЕНИЕМ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ПЕРВИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
PROCESS PARAMETER MEASURING METHOD USING CONNECTING PLATFORM FOR PRIMARY ELEMENT

ПРЕДПОСЫЛКИ
Настоящее изобретение относится к измерению технологического параметра в промышленном процессе. Более конкретно настоящее изобретение относится к измерению такого технологического параметра с применением первичного элемента, помещенного в поток.
Промышленные процессы применяются для производства технологических текучих сред. К примерам относятся нефтеперегонные установки, целлюлозно-бумажные производства, химическое производство и пр. В промышленном процессе необходимо отслеживать работу процесса для точного управления процессом. Например, "технологические параметры", такие как расход, температура, давление, уровень и пр., можно отслеживать с помощью датчиков технологического параметра, которые передают информацию в другие места, например, в центральный пост управления. Во многих случаях существует много различных технологий или конфигураций датчика технологического параметра, которые можно использовать для измерения технологического параметра. Конкретная технология и конфигурация может выбираться на основе проектных ограничений, требуемой точности, бюджетных ограничений или других критериев.
Известны разные технологии измерения потока технологической текучей среды в промышленном процессе. К примерам относятся дифференциальные, магнитные, кориолисовы, вихревые и тепловые массовые расходомеры. Одна технология основана на применении электронных схем для измерения дифференциального давления и ответной оценки потока на основе дифференциального давления. Например, в трубе, по которой течет технологическая текучая среда, можно создать сужение. Когда технологическая текучая среда протекает через это сужение, с обеих сторон сужения возникает дифференциальное давление. Это дифференциальное давление можно измерить и соотнести с расходом технологической текучей среды.
Установка конкретной расходомерной системы типично требует серьезной адаптации на основе выбранной технологии, конфигурации процесса, отслеживаемой текучей среды, диаметра трубопровода, ожидаемых расходов и других параметров. Такая адаптация требует больших затрат и увеличивает затраты времени, необходимого для установки датчика технологического параметра и обеспечения точности измерений. Далее адаптацию часто выполняют в то время, когда установка, которая реализует процесс, еще строится. Например, во время изготовления установки может быть известно, что необходимо выполнять измерение конкретного технологического параметра в конкретном месте, однако может быть неочевидно, какую технологию следует применять для измерения технологического параметра или даже, нужно ли измерять технологический параметр. Это может привести к задержкам в строительстве новой установки и к увеличению расходов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для измерения технологического параметра технологической текучей среды на основе датчика для измерения технологического параметра содержит удлиненную фланцевую катушку, сквозь которую проходит канал, выполненную с возможностью подсоединения в линию к технологическому трубопроводу для приема потока технологической рабочей среды. В удлиненной фланцевой катушке установлен измерительный корпус, сквозь который проходит фланцевая катушечная труба. Измерительный корпус содержит отверстие для первичного элемента, которое проходит от фланцевой катушечной трубы наружу от измерительного корпуса. Держатель выполнен с возможностью съемной установки на измерительный корпус и содержит первичный элемент в фланцевой катушечной трубе, проходящий сквозь отверстие для первичного элемента. Датчик технологического параметра соединен с первичным элементом и выполнен с возможностью измерения технологического параметра технологической текучей среды. Измерительный корпус предпочтительно выполнен с возможностью принимать первичные элементы разных типов, установленные на держателе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - устройство для измерения потока технологической текучей среды на основе дифференциального давления по одному варианту настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид в перспективе участка фланцевой катушки, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3А, 3В, 3С и 3D - виды в перспективе держателя первичного элемента иллюстрации примеров конфигурации первичного элемента.
Фиг. 3Е - сечение держателя первичного элемента по фиг. 3А.
Фиг. 4А, 4В, 4С и 4D - первичные элементы по фиг. 3А-3D соответственно рядом с измерительным корпусом.
Фиг. 5А и 5В - виды в перспективе уплотняющей пластины измерительного корпуса.
Фиг. 6 - упрощенная схема датчика давления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Как описано выше, в разделе "Предпосылки", известны разные технологии измерения технологических параметров, таких как расход в технологическом процессе. Во время строительства установки может стать очевидным, что желательно измерять технологический параметр в определенном месте технологического процесса. Однако на таком раннем этапе строительства может быть неясно, какую технологию предпочесть. Далее после того, как технология будет выбрана, систему нужно правильно установить и откалибровать или сконфигурировать на основе технологической среды. Такая адаптация увеличивает время, необходимое для создания новой установки, увеличивает общие расходы и увеличивает затраты начального периода. Настоящее изобретение предлагает новую платформу для измерений технологического параметра и новый способ дистрибуции и установки, при котором в определенном месте процесса можно устанавливать стандартизованную (или универсальную) платформу, которая способна поддерживать разные технологии измерения технологического параметра, включая, конкретно, разные типы технологий измерения потока. Такая установочная платформа при необходимости может быть выполнена с возможностью работы без каких-либо измерений технологического параметра. Это позволяет факультативно обновлять датчик технологического параметра, включая добавление датчика технологического параметра в положении, в котором он ранее отсутствовал, а также менять технологию измерения технологического параметра с одной на другую. Такая платформа уменьшает объем адаптации, которую нужно выполнять на начальном этапе строительства установки и позволяет получить большую гибкость в изменении технологии.
Одна конкретная технология измерения технологического параметра, применяемая для измерения потока, основана на дифференциальном давлении, которое можно использовать для определения расхода технологической текучей среды в технологическом трубопроводе. По сравнению с другими технологиями измерение расхода на основе дифференциального давления дает некоторые преимущества, включая точность, отсутствие движущихся частей, прочность конструкции, которую можно применять при высоких температурах и давлениях, недорогие компоненты, способность измерять поток технологических текучих сред любого типа, включая газы, жидкости и пары, легкую проверяемость измерений, способность определять массовый расход газа и пара и т.д. Далее дифференциальное давление можно генерировать множеством разных способов, которые можно выбирать под конкретный вариант применения. Элемент, генерирующий дифференциальное давление, далее именуется "первичный элемент". Несмотря на вышеописанные преимущества, одним недостатком измерений расхода на основе дифференциального давления является то, что системы для разных вариантов применения могут потребовать существенной адаптации. Например, для системы может потребоваться адаптация на основе диаметра применяемой трубы, толщины стенки трубы, температуры технологической текучей среды, ожидаемых температурных диапазонов, ожидаемых диапазонов расхода, свойств измеряемой технологической текучей среды и пр. Все эти переменные следует определить для каждого положения в технологическом процессе, в котором должен измеряться расход на основе дифференциального давления. Эта работа может занять много времени и потребует адаптации каждого из измеряющих расход устройств в технологическом процессе. Кроме того, для получения точных измерений на основе дифференциального давления следует полностью разработать профиль расхода технологической текучей среды. Однако конфигурация примыкающих трубопроводов (таких как колена, тройники, клапаны, сужения, расширения фильтры и т.п.) могут нарушать профиль расхода, приводя к ошибкам измерений.
Согласно настоящему изобретению предлагается универсальная соединительная платформа для измерения потока технологической текучей среды с использованием дифференциального давления. Однако настоящее изобретение не ограничивается технологиями измерения потока на основе дифференциального давления. Согласно настоящему изобретению предлагается платформа, в которой применяются стандартизованные компоненты, которые можно выбирать для конкретного варианта применения и для технологии измерений дифференциального давления. Согласно настоящему изобретению в удлиненной фланцевой катушке установлен измерительный корпус. Измерительный корпус выполнен с возможностью принимать первичный элемент, установленный и закрепленный в держателе. С держателем соединен датчик дифференциального давления, измеряющий дифференциальное давление, создаваемое по обе стороны от первичного элемента. Эта информация затем используется для определения расхода.
На фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая часть технологического процесса 100, включающего устройство 102 для измерения потока по одному варианту настоящего изобретения. Устройство 102 для измерения потока соединено с технологическим трубопроводом 104 и выполнено с возможностью измерять расход технологической текучей среды в трубопроводе 104, как более подробно будет описано ниже. Устройство 102 для измерения потока содержит участок 110 фланцевой катушки, на котором установлен измерительный корпус 112. С измерительным корпусом 112 соединен держатель 114, который поддерживает первичный элемент (не показан на фиг. 1) и преобразователь 116 дифференциального давления. Преобразователь 116 технологического параметра соединен с держателем 114 через распределительный соединитель 118. Типично преобразователь 116 прикреплен к фланцу 118 болтами или другими средствами для крепления их друг к другу.

Аналогично фланец 118 может быть прикреплен болтами к держателю 114, который, в свою очередь, прикреплен болтами к измерительному корпусу 112. Участок 110 фланцевой катушки прикреплен к трубопроводу 104, например, болтами. Типично между преобразователем 116, фланцем 118, держателем 114 и измерительным корпусом 112 могут быть установлены уплотнения какого-либо типа. Аналогично уплотнения могут быть установлены между фланцевой катушкой 110 и технологическим трубопроводом 104. Хотя в настоящем описании упоминаются болты, можно применять любой подходящий способ соединения. Измерительный корпус 112 и фланцевая катушка 110 могут быть сформированы как единая деталь или как отдельные детали, сваренные или иным способом соединенные друг с другом. Преобразователь на фиг. 1 также содержит дополнительный соединитель 119 с держателем 114 для технологического параметра. Оно может использоваться, например, для соединения преобразователя 116 с датчиком температуры. Преобразователь 116 дифференциального давления определяет расход технологической текучей среды на основе дифференциального давления, создаваемого первичным элементом. Преобразователь 116 давления соединен, например, с постом 120 управления по двухпроводной линии 122 управления процессом. Пост 120 управления моделируется как сопротивление, включенное последовательно с источником питания. В одной конфигурации линия 122 управления процессом является двухпроводной линией. В такой конфигурации линия 122 управления передает как информацию, так и питание для преобразователя 116. Например, в одном варианте ток, текущий по линии, управляется преобразователем 116 давления и представляет измеренный расход. Этот же ток используется для питания схем преобразователя 116. В другом иллюстративном варианте на этот ток может быть наложен цифровой коммуникационный сигнал для дополнительной связи. Одним таким протоколом является коммуникационный протокол HART. Иллюстративными линиями управления процессом являются линии 4-20 мА или линии по стандартам HART, Profibus или Fieldbus. Одним примером беспроводной коммуникационной технологии является коммуникационный протокол WirelessHART (IEC 62591). Также можно применять стандартный Ethernet, оптоволоконные соединения или другие коммуникационные каналы.
На фиг. 2 приведен вид в перспективе участка 110 фланцевой катушки, показанного на фиг. 1. Участок 110 фланцевой катушки содержит удлиненную фланцевую катушечную трубу 140, которая соединена с фланцами 142. Фланцы 142 применяются для соединения участка 110 фланцевой катушки с технологическим трубопроводом, из которого фланцевая катушечная труба 140 получает поток проходящей сквозь него технологической текучей среды. Фланцевая катушечная труба 140 проходит сквозь измерительный корпус 112, который содержит отверстие 144 для первичного элемента, который более подробно описан ниже. Отверстие 144 для первичного элемента проходит снаружи измерительного корпуса 112 во фланцевой катушечной трубе 140. В иллюстративном варианте, показанном на фиг. 2, фланцевая катушечная труба 140 является прямым каналом.
На фиг. 3А, 3В, 3С и 3D приведены виды в перспективе держателя 150 первичного элемента. Держатель 150 первичного элемента содержит фланец 152 для крепления датчика или соединителя, в котором сформированы отверстия 154 и 156 для отбора давления. Крепежный фланец предпочтительно поддерживается стояком 160 и соединен с фланцем 162 крепления к измерительному корпусу. Фланец 162 крепления к измерительному корпусу выполнен с возможностью уплотняемого соединения с измерительным корпусом 112, показанным на фиг. 1. На фиг. 3A-D показаны разные примеры первичного элемента 170A-D, который вставляется через отверстие 144 для первичного элемента, показанное на фиг. 2, и выполнен с возможностью принимать поток технологической текучей среды, текущей по фланцевой катушечной трубе 140, также показанному на фиг. 2.

,
На фиг. 3А показан первичный элемент 170А как пластина с отверстием. Пластина с отверстием 170А показана как пластина с проходящим сквозь нее отверстием, которое меньше диаметра фланцевой катушечной трубы 140. На фиг. 3В первичный элемент 170В показан как кондиционирующая пластина с отверстием, состоящим из четырех отверстий меньшего размера. На фиг. 3С показан иллюстративный вариант первичный элемент 170С, относящийся к типу усредняющей трубки Пито. Этот первичный элемент 170С хорошо подходит для суровых условий, в которых компоненты устройства могут повреждаться обломками. Первичный элемент в форме трубки Пито состоит из удлиненной трубки, которая входит в поток технологической текучей среды и имеет по меньшей мере одно отверстие, расположенное рядом с передней стороной трубки Пито, и по меньшей мере одно отверстие, расположенное рядом с задним концом трубки Пито. Дифференциальное давление возникает между этими двумя отверстиями. На фиг. 3D показан другой иллюстративный вариант первичного элемента 170D в форме усредняющей трубки Пито. На фиг. 3D трубка Пито выполнена как усредняющая трубка Пито Annubar выпускаемая фирмой Rosemount Inc. Кроме того, в вариантах по фиг. 3A-D показано вторичное соединение 164 на фланце 162 крепления к измерительному корпусу. Вторичное соединение 164 может, например, содержать отверстие, которое проходит рядом с технологической текучей средой и позволяющее собирать данные о других технологических параметрах, например, о температуре технологической текучей среды. Как показано на фиг. 1, соединитель 119 для технологического параметра может соединяться с вторичным соединителем 164. Хотя пластины с отверстием, показанные на фиг. 3A-D, показаны выполненными заодно с держателем 150 первичного элемента, в одном варианте они могут быть двумя отдельными деталями, благодаря чему на держатель 150 можно устанавливать требуемую пластину 170 с отверстием. Крепление может выполняться известными способами, применяемыми для установки пластин с отверстием, например, привинчиванием пластины к держателю болтами с установкой уплотнения между ними.
На фиг. 3Е показано сечение держателя первичного элемента 150. В этом примере показано сечение держателя по фиг. 3А, который содержит первичный элемент в форме пластины 170A с отверстием. На фиг. 3Е показаны внутренние каналы 172 и 174, проходящие от технологических отверстий 176, 178 к отверстиям 154, 156 для отбора давления соответственно, в крепежном фланце 152. На фиг. 3Е также показано отверстие 182 пластины с отверстием. Одно из отверстий 176, 178 расположено на передней стороне первичного элемента 170А, а другое отверстие 176, 178 расположено на задней стороне. Таким образом, давление выше по потоку и давление ниже по потоку подаются через каналы 172, 174 к отверстиям 154, 156 для отбора давления. Затем эти давления поступают на преобразователь 116, предпочтительно через соединение 118, показанное на фиг. 1.
На фиг. 4А, 4В, 4С и 4D приведены виды в перспективе держателя 150 первичного элемента, расположенного рядом с измерительным корпусом 112. Как показано на фиг. 4A-D, первичные элементы 170A-D выполнены с возможностью установки в отверстие 144 для первичного элемента. В одной конфигурации отверстие 144 для первичного элемента и первичные элементы 170A-D расположены так, что эти две детали могут быть смонтированы друг с другом, только когда первичный элемент ориентирован в одном направлении. Это можно использовать для того, чтобы соответствующие отверстия отбора давления выше по потоку и давления ниже по потоку были правильно соединены с датчиком технологического параметра. Хотя на фиг. 4A-D это не показано, типично между фланцами измерительного корпуса 112 и держателя 150 установлено уплотнение и держатель 150 закреплен на измерительном корпусе 112 болтами. Однако можно применять любой способ крепления.
На фиг. 5А и 5В показана уплотняющая пластина 180, установленная на измерительный корпус 112. Уплотняющая пластина 180 может быть установлена с применением болтов или других соединительных элементов и может быть уплотнена относительно измерительного корпуса 112, например, при транспортировке или первоначальном монтаже. Дополнительно пластина 180 может применяться, если требуется удалить держатель 150 первичного элемента и продолжать выполнять технологический процесс.
H
L
H
L
На фиг. 6 приведена упрощенная схема одного примера преобразователя 116 технологического параметра. На фиг. 6 высокое и низкое давления P и P соответственно подаются на датчик 200 дифференциального давления. Давления P и P могут подаваться на датчик 200 дифференциального давления, используя изолирующую конфигурацию, при которой изолирующие диафрагмы 202 и 204 отделяют технологическую текучую среду от изолирующей текучей среды, находящейся в капиллярных трубках 206 и 208 соответственно. На основе приложенного дифференциального давления датчик 200 давления создает выход датчика давления, поступающего на схему 210 датчика. Схема 210 датчика может выполнять компенсацию или выполнять другую обработку сигнала датчика и передавать сигнал на измерительную схему 212. Измерительная схема 212 может содержать, например, микропроцессорную систему, работающую по командам, хранящимся в памяти 214. Схема 216 ввода/вывода соединена с измерительной схемой 212 и может использоваться для создания выходного сигнала датчика. Например, этот выходной сигнал может передаваться по двухпроводной линии 122 управления процессом. В одной конфигурации схема 216 также принимает питание по линии 122 и используется для подачи питания на другие схемы в преобразователе 116. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными описанными способами обнаружения и измерения давления.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалистам понятно, что в форму и детали изобретения можно вносить изменения, на выходящие за пределы изобретательской идеи и объема изобретения. Согласному настоящему изобретению предлагается универсальная соединительная платформа для измерения потока с использованием дифференциального давления. Поскольку предлагаются стандартизованные компоненты и соединительные конструкции, память 214 преобразователя 116 технологического параметра может содержать стандартизованную информацию о конфигурации для универсальной платформы. Например, память может содержать информацию, относящуюся к удлиненной фланцевой катушке, конкретному первичному элементу, и другую информацию. Это позволяет быстрее проводить монтаж и наладку с меньшим вмешательством оператора и с уменьшенной вероятностью ошибки. Далее запасные компоненты можно держать на месте, благодаря чему поврежденные компоненты можно легко заменить без необходимости доставать специализированные или заказные запчасти. Уплотняющая пластина 180, показанная на фиг. 5А и 5В, может применяться во время транспортировки универсального держателя и может также применяться для испытания под давлением компонентов после их установки в промышленный процесс. Далее, уплотняющая пластина 180 может использоваться с фланцевой катушкой, благодаря чему фланцевую катушку можно использовать в процессе без преобразователя технологического параметра. Это позволяет легко обновлять процесс в будущем, если понадобится добавить в этом месте датчик технологического параметра. Такая конфигурация сокращает количество работ по адаптации, которые нужно провести на преобразователе технологического параметра при пусконаладочных работах. Кроме того, такая конфигурация сокращает количество работ по адаптации по реконструкции или строительстве установки. Это дает большую гибкость для последующей модификации процесса путем получения данных о технологическом параметре в конкретном месте или изменяя технологию, применяемую для измерения технологического параметра. Далее такая конфигурация позволяет легко заменять разные технологии измерения давления даже после того, как устройство было встроено в процесс. Например, если процесс изменился, в результате чего может быть предпочтительной другая технология измерения расхода, оператор может просто заменить установленный первичный элемент на другой требуемый первичный элемент. Настоящее изобретение не ограничено первичными элементами для дифференциального измерения расхода и может применяться в других конфигурациях. Например, держатель может нести компоненты для применения с любой технологией измерений, включая такую технологию измерения расхода, как вихревая, магнитная, кориолисова, тепловая и пр. В таких конфигурациях может не потребоваться канал для передачи давления, проходящий от технологической текучей среды, через держатель к преобразователю технологического параметра. К другим примерам первичных элементов относятся трубка Вентури, клин, сопло, небольшие рядные первичные элементы (для высокоскоростных потоков), а также другие технологии, включая магнитный расходомер, вихревой расходомер, кориолисова трубка, тепловой массовый расходомер, ультразвуковой датчик и пр.
Дополнительно, если фланцевая катушечная труба имеет известную форму, в преобразователе технологического параметра можно проводить соответствующую компенсацию. Одной предпочтительной формой является прямая конфигурация, показанная на чертежах, поскольку она дает более равномерный профиль потока по каналу. В настоящем описании термин "удлиненная фланцевая катушка" включает конфигурации, не являющиеся прямыми, которые могут иметь один или более изгибов, перегиб или другие конфигурации.