Các thiết bị đo đếm lưu lượng tại cà mau GDC

CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐẾM LƯU LƯỢNG
TẠI CÀ MAU GDC

Thực hiện: Nguyễn Hoàng Phương
Kỹ sư vận hành
PetroVietnam Gas Cà Mau

1


MỤC LỤC

Đường ống PM-3 dẫn khí đi vào trạm phân phối GDC Cà Mau sẽ được lọc
bụi và nước, sau đó gia nhiệt, và được đo lưu lượng - thể tích – nhiệt lượng
trước khi giao cho hai nhà máy điện. Ngoài hệ thống đo đếm khí cấp cho nhà
máy điện, trạm còn có một số thiết bị đo đếm lưu lượng khác. Bài viết sau đây
tổng hợp tất cả các thiết bị đo lưu lượng tại GDC Cà Mau. Gồm có:

I.
II.
III.

Hệ thống đo đếm khí cấp cho hai nhà máy điện
Thiết bị đo đếm tại cụm Instrument
Thiết bị đo đếm tại đường ống Purge Gas và Pilot (duy trì ngọn lửa mồi

IV.

cho Flare)
Thiết bị đo đếm tại đường ống Fuel Gas, cung cấp khí đốt cho Heater

2


I.

HỆ THỐNG ĐO ĐẾM KHÍ CẤP CHO HAI NHÀ MÁY ĐIỆN

I.1.

Thành phần cấu tạo:

Hệ thống đo đếm khí cấp cho mỗi nhà máy điện gồm có các thành phần
như sau:
-

Hai Ultrasonic Flow Meters.
Transmitter nhiệt độ, Transmitter áp suất và đồng hồ đo nhiệt độ, áp suất.
Các Ball Valve ngõ vào và ra.
Một máy phân tích sắc khí và một máy phân tích nhiệt độ điểm sương của

-

Hydrocacbon.
Một đường khí lấy mẫu để phân tích.
Hai Flow computers.
Một Station computer.
Hai máy in

I.2.

Nguyên tắc tính toán
Hệ thống đo đếm lưu lượng dựa theo nguyên tắc: tính vận tốc của dòng

khí nhờ vào các Ultrasonic Flow Meters, quy đổi chúng về điều kiện tiêu chuẩn (T
= 15°C, P = 101.325 Kpa) dựa vào các giá trị nhiệt độ, áp suất nhận được từ
các Transmitter, từ đó kết hợp với tiết diện ngang đã biết trước để tính được
lưu lượng, và cuối cùng tính được thể tích khí theo thời gian.
V=F.t
=v.S.t
Trong đó:

V: thể tích khí (tính theo tiêu chuẩn)
F: lưu lượng dòng khí đi qua USM
v: vận tốc dòng khí đã quy đổi về điều kiện chuẩn
S: tiết diện (trong) đường ống
t: thời gian
3


Ngoài ra , hệ thống còn có thể tính toán được lượng nhiệt lượng và khối
lượng cung cấp nhờ vào kết quả phân tích thành phần của máy sắc ký. Máy
phân tích sắc ký (GC) sẽ phân tích và tính toán %mol của các thành phần khí
từ C1 đến C6+ (C6,C7,C8) sau đó gửi về Flow Computer để tính ra nhiệt trị và
khối lượng riêng của chúng. Sau đó kết hợp với
lưu lượng tại từng thời điểm để tính ra nhiệt lượng và khối lượng cấp cho
nhà máy điện.
I.3.

Ultrasonic Flow Meters

Đây là bộ phận quan trong nhất trong hệ thống đo đếm, cung cấp giá trị
vận tốc tức thời của dòng khí phục vụ cho việc tính toán thể tích và nhiệt lượng
cung cấp.

4


Trạm GDC sử dụng Ultrasonic Flowmeter
của hãng Daniel, Model 3400. Mỗi một bộ USM
sẽ bao gồm 4 cặp phát-nhận tín hiệu siêu âm
(Ultrasonic), chia thành 2 nhánh: Pay và Check.

Một đầu phát tín hiệu siêu âm
Nguyên tắc hoạt động

A’
B’

Flow

A
B
Ví dụ minh họa 4 cặp Ultrasonic: A-A’, B-B’, C-C’, D-D’
Ta sẽ nói về 2 cặp Ultrasonic A-A’ và B-B’ (nhánh Pay), nhánh check có
nguyên lý tương tự).
tín hiệu đi ngược chiều dòng lưu chất.
Tín hiệu đi cùng chiều dòng lưu chất (A-A’) được lưu chất hỗ trợ thêm,
ngược lại, tín hiệu đi ngược chiều (B-B’) bị cản trở bởi dòng lưu chất, dẫn đến sẽ
5

có độ trễ khi nhận tín hiệu giữa hai cặp Ultrasonic này. Vận tốc dòng càng lớn,
độ trễ càng nhiều. Lưu chất không chuyển động, độ trễ bằng 0. Và dựa vào độ
trễ này, bộ xử lý sẽ tính toán được vận tốc dòng khí, cung cấp cho quá trình tính
toán lưu lượng.
Ở chu kỳ tiếp theo, A’ và B sẽ phát tín hiệu, A và B’ sẽ nhận, quá trình
diễn ra tương tự.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo đếm USM có thể được tham khảo
trong các Video Clip dưới đây: (bấm Ctrl + Click để xem)
/> />I.4.

Transmitter nhiệt độ, Transmitter áp suất: có chức năng đo nhiệt
độ và áp suất, gửi các tín hiệu này về bộ xử lý để phục vụ cho quá
trình tính toán chuyển đổi về điều kiện tiêu chuẩn (T = 15°C, P =

I.5.

101.325 Kpa).
Các Ball Valve ngõ vào và ra: Có tác dụng cô lập Metering khi cần
thiết, đồng thời dùng để điều chỉnh các chế độ hoạt động của hai
Metering (nối tiếp hay song song).

I.6.

Máy phân tích sắc khí (GC): Có nhiệm vụ phân tích và tính toán
%mol của các thành phần khí từ C1 đến C6+ (C6, C7, C8) sau đó gửi
về Flow Computer để tính ra nhiệt trị của dòng khí trong từng thời
điểm.

I.7.

Flow computer:

Mỗi Metering sẽ có một Flow computer kèm theo, có nhiệm vụ nhận các
giá trị vận tốc từ cả hai pay và check meter, cùng các thông số nhiệt độ và áp
6


suất từ các transmitters và các thành phần khí từ hai máy phân tích sắc khí để
tính ra sản lượng khí cung cấp cho nhà máy điện.
Một Flow computer sẽ nhận một giá trị Pay từ một USM và nhận một giá
trị Check từ USM còn lại để kiểm tra, dù hai USM có chạy nối tiếp hay song song
thì vẫn giữ quy tắc như vậy. Còn giá trị nhiệt độ và áp suất được sử dụng cho
cả hai Pay meter và Check meter.
Pay meters dùng để đo lưu lượng tính tiền với khách hàng.
Check meters dùng để kiểm tra lại lưu lượng đã được đo từ Pay meters,
phòng trường hợp tín hiệu nhánh Pay bị lỗi, hoặc Flow computer của nhánh Pay
bị lỗi.
Các giá trị flow computers tính gồm có:
-

-

I.8.

Tổng tích lũy (cumulative totals)
o Thể tích thô (gross volume) m3/h
o Thể tích ở điều kiện chuẩn (standard volume) kSm3/h (15oC, 1amt)
o Khối lượng và năng lượng (mass & energy) Ton/h, GJ/h
Tổng của từng giờ (hourly totals)

Tổng của từng ngày (daily totals)
Tổng của từng tuần (weekly totals)
Tổng của từng tháng (monthly totals

Station computer

Station computer đóng vai trò như một cầu nối trung gian giữa người dùng
với các thành phần khác của thiết bị đo đếm, bao gồm những chức năng sau
đây:

7


-

Chuyển dữ liệu tới Flow computer và nhận dữ liệu từ Flow computer
Cung cấp cho người vận hành một giao diện thân thiết về hệ thống

-

metering
Tạo ra report tại thời điểm hiện tại, từng giờ, ngày, tuần, tháng, danh

-

sách các sự kiện và các cảnh báo
Cung cấp khả năng lưu trữ những file reports theo một thứ tự để có thể

-

tìm lại một cách dễ dàng.
Hiển thị và in report.
Hiển thị dữ liệu phân tích của máy phân tích sắc khí (GC).
Lấy các giá trị tính như: khối lượng, năng lượng,thể tích thô và thể tích ở

điều kiện chuẩn,… từ Flow computer
I.9. Máy in: Hệ thống metering gồm hai máy in, có chức năng như sau:
- Một cái được nối tới Ethernet Switch để in report cho station computer
- Cái còn lại được nối tới GC controller bằng đường parallel printer để in kết
quả phân tích, các cảnh báo, kết quả khi ta hiệu chuẩn, hiệu chỉnh GC.

8


II.

THIẾT BỊ ĐO ĐẾM TẠI CỤM INSTRUMENT
Cụm Instrument tại GDC sử dụng thiết bị đo đếm có tên gọi Coriolis

Flowmeter, thuộc bộ The ROTAMASS 3 của hãng Yokogawa.

Coriolis Flowmeter gồm 2 bộ phận chính:
-

Bộ phận đo: cấu tạo gồm hai ống nhựa hình chữ U dẫn hướng cho dòng
chảy, hai sensor cảm biến, một bộ phận kích thích. Bộ phận này có nhiệm

-

vụ đo các giá trị lệch pha, tần số dao động và gửi tín hiệu về bộ xử lý.

Bộ phận xử lý và màn hình: có chức năng tính toán các giá trị lưu lượng,
thể tích, khối lượng riêng của dòng chảy dựa vào các tín hiệu truyền về từ

các sensor.
II.1. Nguyên lý Coriolis
Coriolis Flowmeter hoạt động dựa trên nguyên lý Coriolis của nhà bác học
cùng tên, được phát hiện cách đây hơn 200 năm. Vậy nguyên lý Coriolis là gì?
Đối với số ít người, nguyên lý Coriolis là một nghiên cứu khoa học chuẩn
xác, nhưng vẫn còn xa lạ với hầu hết chúng ta. Thử tưởng tượng, có một dòng
chảy (với vận tốc V) đang chảy trong một ống nhựa dẻo được quay quanh trục
(với vận tốc góc W) như hình vẽ bên dưới.

9


Kết quả là dòng chảy sẽ uốn cong đoạn ống.
Bây giờ, nếu ta xét một vật có khối lượng M di chuyển từ tâm ra ngoài rìa
của một chiếc đĩa đang quay, vật M đó sẽ vẽ lên đường B như hình vẽ.

Nhưng nếu ta định hướng vật M đó trong một rãnh A, thì vật M sẽ đi
thẳng, và sinh ra một lực tác dụng vào rảnh A, ta gọi đó là lực Coriolis.
Lực Coriolis đó được tính như sau: FC = -2.M.V.W
10


Với:

FC : Lực Coriolis
M : Khối lượng vật M
V : Vận tốc của chất lỏng

W : Vận tốc góc của chuyển động quay

Dựa vào nguyên lý trên người ta đã thiết kế một thiết bị đo lưu lượng với
tên gọi Coriolis Flowmeter.
II.2. Coriolis Flowmeter
Đi sâu vào cấu tạo của bộ phận đo, chúng ta có:
-

Hai ống Plastic dẫn hướng

-

dòng chảy
Một thiết

bị

kích

thích

(Impulse), tác động một xung
-

thích hợp lên ống Plastic.
Hai sensor đặt tại đầu vào và
ra của ống, nhận các tín hiệu
chuyển động của ống

11

Sensor

Thiết bị kích thích

Khi lưu chất đứng yên, thiết bị kích thích sẽ tác động một xung thích hợp
khiến ống Plastic dao động đồng đều và ghi nhận lại tần số này (đường màu
hồng bên dưới). Hai sensor cảm biến ở hai đầu cũng sẽ ghi nhận tín hiệu (đường
màu xanh lá và xanh dương) với độ lệch pha bằng 0. Lúc này cả ba đồ thị bên
dưới sẽ trùng nhau tại vị trí của đường màu hồng. Ta sẽ dùng tần số này để tính
toán khối lượng riêng của lưu chất.

12


Khi lưu chất chuyển động, chuyển động tới của dòng lưu chất kết hợp với
dao động tạo ra của thiết bị kích thích sẽ khiến ống dao dộng không đều ở hai
đầu ống, dẫn đến hai sensor ghi nhận các tín hiệu với độ lệch pha α (của đường
màu xanh lá và xanh dương), vận tốc dòng càng lớn, độ lệch pha càng lớn, và
giá trị này sẽ được dùng để suy ra vận tốc của dòng lưu chất.
Các tín hiệu sẽ được gửi về bộ xử lý để suy ra độ lệch pha, tần số dao
động và từ đó tính được các giá trị lưu lượng, khối lượng riêng, thể tích,…
Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo đếm Cloriolis có thể được tham khảo
trong Video Clip dưới đây: (bấm Ctrl + Click để xem)
/>
13


III.

THIẾT BỊ ĐO ĐẾM PURGE GAS VÀ PILOT CHO FLARE

Từ cụm Instrument, một nhánh
khí được đưa vào đường ống góp để
đuổi Oxi, một nhánh khác có tác dụng
đánh lửa và duy trì ngọn lửa mồi cho
Flare. Ở cả hai nhánh này đều sử dụng
cùng một loại thiết bị đo đếm, đó là lưu
lượng kế dạng phao (Variable Area
Flowmeter), có tên Rotameter của hãng
Yokogawa.

Nguyên tắc hoạt động:
Cấu tạo chính của thiết bị là một chiếc
phao nằm bên trong ống dẫn lưu chất, có
thể chuyển động lên xuống trên một trục
được đặt ngay tại tâm ống. Phao đủ nhỏ để
có lưu chất có thể đi qua khoảng trống giữa
thành ống và phao. Khi lưu chất chuyển
động từ dưới lên cũng đồng thời sẽ nâng
phao lên. Vận tốc dòng càng lớn thì phao
càng được nâng cao. Khi lưu chất không
chuyển động, phao nằm sát phía dưới.

14


Phao được kết nối với một cơ cấu
truyền động ra bên ngoài (dùng từ

trường), chuyển thành chuyển động
quay và kích hoạt lên kim chỉ lưu lượng
dòng chảy.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị
đo đếm lưu lượng dạng phao có thể
được tham khảo trong Video Clip dưới
đây: (bấm Ctrl + Click để xem)
/>
15


IV.

THIẾT BỊ ĐO ĐẾM FUEL GAS, CUNG CẤP KHÍ ĐỐT CHO HEATER

Từ cụm Instrument, một nhánh khí
nữa được dẫn tới Heater, nhằm cung cấp
khí đốt cho quá trình làm nóng. Trước khi
đốt, khí sẽ được đo lưu lượng bởi một lưu
lượng kế dạng Turbine, có tên MC-II Plus
EXP Flow Analyzer của hãng NuFlo.

Nguyên tắc hoạt động
Bộ phận chính của thiết bị là một turbine cánh quạt được đặt trong lòng
ống, chuyển động tròn xoay quanh trục ống. Ở hai đầu là các bộ đệm hãm có
tác dụng ổn định dòng.

16

Khi có lưu chất chuyển động qua ống, turbine sẽ quay. Với vận tốc và tính
chất của dòng khác nhau, turbine sẽ quay với các tốc độ khác nhau.

Một bộ phận sẽ ghi nhận số vòng quay của turbine và gửi đến bộ xử lý để
tính toán ra lưu lượng của dòng chảy nhờ vào các hệ số turbine, tiết diện,… đã
được cài đặt theo khuyến cáo của nhà sản xuất.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo đếm lưu lượng dạng turbine có thể
được tham khảo trong Video Clip dưới đây: (bấm Ctrl + Click để xem)
/>
17