Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor Janeiro 2014 Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações em vapor com alta pressão Pontos principais Medição de nível precisa e confiável sob condições de processo variáveis com compensação dinâmica de vapor Responde aos desafios de temperatura extrema e mudanças de pressão com uma antena de design robusto e múltiplas camadas de proteção Baixa manutenção sem partes móveis que se possam congelar ou grudar Usando o radar de onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor 1
Introdução Este documento descreve as vantagens de usar o radar por ondas guiadas Rosemount 5300 da série (GWR) com compensação dinâmica de vapor em aplicações de alta pressão e de vapor saturado, tais como, tubulão de caldeira, aquecedores de água com alimentadores de alta pressão e separadores de vapor. O GWR é usado para medição de nível direta e é completamente independente da densidade. Sem partes móveis, oferece as vantagens de menor manutenção e maior confiabilidade. Desafios É um desafio medir o nível com precisão e confiabilidade em aplicações de vapor saturado de alta pressão. O nível é crítico para uma operação segura e um boa medição ajuda a otimizar o desempenho da planta. Os desafios da aplicação para um incluem: bom nível de medição incluem: Mudanças de fase Pressão e temperatura extremamente altas Revestimento de magnetita Vibrações Mudanças de fase É especialmente comum durante a inicialização da caldeira experimentar variações de temperatura e pressão. Ambas as fases de líquido e vapor do sistema irão ter mudanças de densidade enquanto o sistema atinge a temperatura e pressão de funcionamento. Isso pode causar até 30 % de erro em temperaturas de até 315 C (600 F). Qualquer dispositivo de medição do nível com base na densidade precisará de compensação para discernir o nível real dos erros associados à densidade. Os algoritmos têm sido desenvolvidos para fazer esta compensação tão transparente quanto possível nos sistemas de controle, mas exigem entrada de pressão de operação, bem como de nível. A compensação pode ser lenta o que pode resultar em leitura errada. Haverá também alterações de propriedade dielétricas, tanto na fase líquida quanto na de vapor. O vapor sob pressão e temperatura alta irá diminuir a velocidade de propagação do sinal do radar que pode causar até um erro de 20%, se não for compensado. Gravidade específica e constante dielétrica - Erro descompensado Pressão psig (bar) 1985 50% (137) 1735 (120) 1485 (102) 40% 1235 (85) 30% 985 (68) 735 (51) 20% 485 (33) 235 (16) 10% -15 (-1) 0% 0 100 200 300 400 500 600 (-18) (38) (93) (149) (204) (260) (316) % Error Tempo ºF ( C) curva de vapor saturado SG % erro acima da temperatura DK % erro acima da temperatura Tanto as propiedades de densidade (SG) e dieléctrica (DK) da água e do vapor mudam com pressão e temperatura. Se não for compensado, podem ocorrer erros significativos. 2 Usando o radar de onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor
Mesmo que a dieléctrica da água diminua com o aumento da temperatura, o nível pode ser medido enquanto a dieléctrica da água se mantenha suficientemente elevada, o que resulta em uma reflexão a partir da superfície. No entanto, quando a temperatura aumenta, a diferença dieléctrica entre o líquido e o vapor torna-se menor, e a 2610 psi (180 bar) e 358 C (676 F), irá ser muito pequena para uma medição confiável com transmissores tipo radar. Pressão e temperatura extremamente altas Nestas aplicações, as temperaturas acima de 150 C (300 F) e pressões superiores a 580 psi (40 bar) são comuns. Portanto, ter um equipamentos robustamente desenhado que impeça vazamento e tenha um desempenho confiável é vital para a segurança. Revestimento de magnetita Enquanto estas aplicações são geralmente consideradas a ser compostas por água limpa e vapor, é normal ter uma camada de magnetite nas superfícies metálica. Em alguns casos, os depósitos podem ser suficiente fortes como para causar que algumas ligações mecânicas se congelem e grudem, resultando na necessidade de manutenção. Sem partes móveis do conjunto de onda GWR, magnetite não cria problemas de paradas i ndesejadas Vibrações Vibrações de bombas podem causar ruído no sinal devido às bases mecânicas Solução Vantagens do GWR sobre outras tecnologias Como os dispositivos de medição GWR são completamente independentes da densidade, estes erros associados não estão presentes, assim eliminam a necessidade para essa compensação. O GWR não tem partes móveis com revestimento de magnetite que se possam congelar ou colar ou causar sinais ruidosos devido à vibração. Portanto, o GWR oferece vantagens adicionais como manutenção mais baixa e maior estabilidade. Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor 3
Funcionalidade de compensação dinâmica de vapor No radar de onda guiada de 5300 da Rosemount, a compensação dinâmica de vapor é usada para compensar a dielétrica no espaço em aplicações com vapor saturado. Isto torna-se mais importante para aplicações de alta pressão que podem ter mais variações nas condições de funcionamento, ou quando os usuários precisam ser capazes de verificar a unidade em condições de ambiente próximos, como durante a inicialização e desligamento, sem ter que modificar as configurações dielétricas de vapor. A compensação ocorre nos transmissores eletrônicos e uma medição de nível corrigida é fornecida ao sistema de controle. Nenhuma compensação adicional é necessária. Table 1. A tabela mostra a distância de erro com a mudança de temperatura e pressão sem compensação de vapor Tempo ( F/ C) Pressão (psia/bar) DK do líquido DK do vapor Erro na distancia % 100/38 1/0.1 73.95 1.001 0.0 200/93 14/1 57.26 1.005 0.2 300/149 72/5 44.26 1.022 1.1 400/204 247/17 34.00 1.069 3.4 500/260 681/47 25.58 1.180 8.6 600/316 1543/106 18.04 1.461 20.9 618/325 1740/120 16.7 1.55 24.5 649/343 2176/150 14.34 1.8 34.2 676/358 2611/180 11.86 2.19 48 691/366 2900/200 9.92 2.67 63.4 699/370 3046/210 8.9 3.12 76.6 702/372 3120/215 Acima do ponto crítico, não existe fase líquida e gasosa distintas. Como pode ser visto na Tabela 1 acima, a 247 psia (17 bar), há um erro de distância de 3,4%. Em 1543 psia (106 bar), há um erro de 20,9% quando não há compensação para a constante dielétrica do vapor O erro na distância aumenta com a pressão, e, em algum momento este desvio não é insignificante e deve ser tomado em consideração, afim de manter uma boa precisão. Os benefícios de usar a compensação dinâmica de vapor se obtem em pressões que exedam 247 pisa (17 bar) quando é indizudo erro do vapor saturado (não compensado) torna-se tão grande quanto 3,4% ou mais. A compensação dinâmica de vapor funciona por meio de um refletor a uma distância fixa. Com este refletor, a dielétrica do vapor é medida de forma contínua. O transmissor sabe onde o pulso do refletor deveria estar se não houvesse vapor presente. No entanto, uma vez que existe vapor no tanque, o pulso do refletor aparece acima do ponto do refletor físico. A distância entre o ponto real do refletor e oponto refletor aparente ( refletido ) é utilizada para calcular a dielétrica do vapor. A dielétrica calculada é usada depois de forma dinâmica para compensar as mudanças dielétricas de vapor e elimina a necessidade de fazer qualquer compensação no sistema de controle. 4 Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor
A solução de compensação dinâmica de vapor da Rosemount está disponível em duas versões diferentes dependendo do tamanho da câmara. Uma antena rígida simples para uso câmaras de 50 mm (2 in) e antena para tubo acalmador integrado (still pipe) para câmaras de 75 e 100 mm (3 e 4 pol.) curva do sinal antes da compensação dinâmica curva do sinal depois da compensação dinâmica A figura ilustra a curva de sinal de radar antes e depois da compensação de vapor. Sem compensação, o pulso da superfície parece estar acima do nível atual. Após a compensação a superfície aparece no ponto correto do nível da superfície. Vantagens do design da Rosemount O Rosemount 5300 GWR com antenas para alta temperatura e alta pressão são concebidas para evitar vazamento e trabalhar de forma confiável quando expostos às condições extremas de processo durante longos períodos de tempo. Os materiais são selecionados para evitar fissuras de tensão normalmente induzidas por alterações nas condições de temperatura e pressão. A robustez das antenas e dos materiais representam alta segurança para estas aplicações de temperatura e pressão extremas. Cada flange destinada para aplicações de temperatura e pressão alta é testado sob pressão para garantir que resista às pressões extremas. Depois da produção, cada flange é testado sob pressão a 360 Bar (standard) e os flanges opção P1 são testados sob pressão a 1,5 vezes, a classificação máxima da flange nos locais de produção da Rosemount. Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor 5
O design de antena GWR oferece várias camadas de proteção Compensação dinâmica de vapor da Rosemount - Antena para vapor com tubo acalmador integrado (still pipe). Compensação dinâmica de vapor da Rosemount Antena rígida simples para uso em vapor Soldada herméticamente/ à prova de gás, o selo cerâmico é isolado a partir do processo e não é afetado por choques de temperatura, vibrações e forças externas na antena Sistema de carga de antena e de bloqueio com molas activas e quadro PTFE, compensa para tensão e protege as cerâmicas. Isoladores cerâmicos e juntas de grafite fornecem uma barreira térmica robusta e mecânica e fornecem resistência química Manga de escorrimento para condensação e proteção da sujeira. O espaçador, até três espaçadores de cerâmica serão utilizados dependendo do comprimento da antena. Um perto do topo da antena e o resto na parte inferior da antena. Um disco centralizador de aço inoxidável é colocado no final da antena. refletor de referência refletor de referência Melhores práticas de instalação da compensação dinâmica de vapor Uma antena HTHP especialmente desenhada com refletor de referência para compensação de vapor deve ser usada. Para câmaras de 50 mm (2 in.), a antena é um antena rígida simples para uso em vapor, e para câmaras de 75 e 100 mm (3 e 4 in.) a antena para vapor com tubo acalmador integrado (still pipe). O GWR deve ser montado numa câmara de bypass com flanges adequadamente dimensionados para a pressão e temperatura da aplicação. A câmara de 75 ou 100 mm (3 ou 4 in.) de diâmetro é recomendada como melhor prática, mas o GWR também pode ser montado em uma câmara 50 mm (2 in). Os materiais utilizados para a câmara devem atender aos requerimentos do código para caldeiras locais e a câmara deve estar isolada diretamente a partir da caldeira ou um aquecedor de alta pressão através de válvulas. Antenas de até 4 m (13,1 ft) para a antena para vapor com tubo acalmador integrado (still pipe) e de 2.3 m (7,5 ft.) de comprimento para a antena rígida simples para uso em vapor são suportados pela compensação dinâmica de vapor. A compensação dinâmica de vapor requer uma distância mínima a partir do flange para o nível da superfície para medir a variação constante da dielétrica de vapor. Se o nível sobe dentro desta área, a unidade muda para a compensação estática, usando a última constante dielétrica de vapor conhecida. Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor
Esta distância mínima (indicada por X na foto) é de 710 mm (28 in.) para o refletor mais longo e 560 mm (22 in.) para o refletor curto, para compensar dinamicamente até 100%. Se a distância a partir do flange para a entrada superior é inferior a 710 mm (28 in.), o refletor curto deve ser escolhido. A faixa de medição mínima para esta funcionalidade é de 300 mm (12 in.). X Level: 100% Minimum measuring range: 12 in. (300 mm) Level: 0% Comprimento min da antena Comprimento max da antena Refletor Distancia mínima de X 1100 mm (43 in.) Antena para vapor com tubo acalmador integrado (still pipe). - 4000 mm (158 in.) Antena rígida simples para uso em vapor - 2300 mm (91 in) 900 mm (35 in.) Antena para vapor com tubo acalmador integrado (still pipe). - 4000 mm (158 in.) Antena rígida simples para uso em vapor - 2300 mm (91 in) 500 mm (20 in.) 710 mm (28 in.) 350 mm (14 in.) 560 mm (22 in.) A antena com tubo acalmador integrado para compensação dinâmica de vapor com um refletor comprido é prática recomendada. Dependendo da aplicação, tipo de antena, comprimento do refletor e as condições internas bem como as externas, o erro pode variar até 2%. As condições de aplicação e instalação, tais como, uma menor temperatura na câmara de bypass, pode causar alterações dentro da media de medição. Portanto, o erro podem variar dependendo das condições da aplicação e pode causar um aumento do erro de medição por um factor 2 de 3. Rosemount recomenda o uso da antena para vapor com tubo acalmador integrado (still pipe) com a câmara de bypass Rosemount 9901. Isso permite uma instalação ideal com perturbações mínimas. A câmara de 3 in. da Rosemount 9901 permite que a antena com tubo acalmador integrado para compensação dinâmica de vapor seja usada a todo momento. A antena com tubo acalmador integrado para compensação dinâmica de vapor não é afetada pela câmara. A funcionalidade de tubos de aço (still pipe) permite que as ondas de radar viagem em um ambiente controlado. Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor 7
Nota:Obstruções internas em câmaras que não são da Rosemount, tais como soldas ruins ou soldas das tomadas salientes podem prejudicar gravemente a medição de nível e a diminuição da precisão quando se utiliza uma antena rígida simples para uso em vapor para compensação dinâmica de vapor da Rosemount. Obstáculos internos também podem prejudicar a montagem da antena rígida simples para uso em vapor para compensação dinâmica de vapor ou deformar tanto a antena e o disco centralizador quando for montado. A antena rígida simples para compensação dinâmica de vapor é entregue com um disco centralizador adequado para câmaras de 1,5in. As seguintes diretrizes de instalação devem ser consideradas para a montagem do transmissor: Somente podem ser utilizados tipos de antena para uso em vapor. Verifique o "VC" e "R3" marcados no selo. O comprimento máximo da antena é de 4 m (13,1 ft) para a antena integrada para vapor com tubo acalmador (still pipe) e 2.3 m (7,5 ft. ) para a antena rígida simples para uso em vapor. Para a antena rígida simples para compensação dinâmica de vapor da Rosemount, tubo/ câmara é o único tipo de montagem suportado. Sempre certifique-se de que não há perturbações das entradas das tomadas perto do final do refletor de referência ao utilizar antena rígida simples para compensação dinâmica de vapor para câmaras de 2 in. Se um transmissor 5300 série GWR é ordenado a Rosemount, juntamente com uma câmara 9901, estes requerimentos de espaço serão cumpridos utilizando o código de opção G1 ou G2 para a câmara. O G1 será utilizado com o refletor curto e o G2 será utilizado com o refletor comprido. Se uma câmara existente é utilizada e não cumpre estes requerimentos de espaço, um adaptador à tubulação pode ser adicionado. Para uma instalação com um adaptador à tubulação com antena rígida simples para compensação dinâmica de vapor é importante ter certeza de que o refletor de referência e o adaptador à tubulação não têm o mesmo comprimento. O adaptador à tubulação deve ser pelo menos 50 mm (2in.) mais longo ou mais curto. Para um adaptador à tubulação de uma antena com tubo acalmador integrado para compensação dinâmica de vapor, isso não é um requerimento. 8 Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor
Se um adaptador à tubulação é usado com antena rígida simples para compensação dinâmica de vapor para câmaras 2 in, é importante que o refletor de referência e o adaptador à tubulação não tenham o mesmo comprimento. Para minimizar os erros devido à instalação, recomenda-se que:: A distância entre a câmara e o recipiente seja mantida tão curta quanto possível As conexões para as câmaras devem ser o suficiente grandes para permitir uma boa vazão de fluido. A câmara deve estar bem isolada para que a temperatura do fluido esteja tão próxima quanto possível da temperatura do vaso. Calibração Quando um transmissor é encomendado com a opção de compensação dinâmica de vapor, a função é ativada de fábrica e a antena especial é fornecida. Para a antena rígida simples para compensação dinâmica de vapor da Rosemount, um procedimento de calibração é necessária no local durante a fase de comissionamento. Para a antena com tubo acalmador integrado para compensação dinâmica de vapor, o transmissor é calibrado de fábrica e nenhuma calibração no local é necessária. No entanto, existem dois casos em que é necessário um procedimento de calibração para a antena com tubo acalmador integrado para compensação dinâmica de vapor; se o transmissor estiver restaurado à sua configuração de fábrica, ou se uma eletrônica de um transmissor diferente é montada na antena com compensação dinâmica de vapor. Se o processo de calibração é necessário, deve ser realizado com uma câmara vazia em condições ambiene. Para um melhor desempenho, recomenda-se que a câmara esteja limpa de qualquer vapor e/ ou condensação antes da calibração. Consulte o manual de referência (Documento No. 00809-0100-4530) fornecido com o transmissor para obter detalhes sobre o procedimento de calibração Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor 9
Eletrônica remota Uma eletrônica remota pode ser utilizada com os transmissores Rosemount 5300 série GWR para permitir a medição confiável em ambientes onde há temperaturas ambiente muito altas ou existem vibrações excessivas no local de montagem do vaso. Ela permite que os componentes eletrônicos do transmissor sejam montados separados da antena, assim como que diminua a temperatura ambiente, ou para deslocar o invólucro para uma localização melhor, por exemplo, para ser capaz de ler o display, ou realizar a instalação em espaços restritos. A conexão do invólucro remoto é especificada para lidar com temperaturas ambiente de 150 C (302 F). O cabo utilizado é um cabo coaxial blindado com aço inoxidável flexível que é entregue com um suporte de montagem para parede ou montagem em tubo. A conexão de invólucro remoto está disponível nos comprimentos de 1 m (3,2 ft), 2 m (6,5 ft.), ou 3 m (9,8 ft.). Usando um invólucro remoto juntamente com a compensação dinâmica de vapor pode afetar a precisão dependendo das condições de aplicação, tipo de refletor, e o comprimento da extensão do invólucro remoto. Resumo A série GWR da Rosemount 5300 com compensação dinâmica de vapor oferece uma escolha única para a medição de nível em aplicações de vapor de alta pressão. Ser preciso e confiável, pode ajudar a otimizar o desempenho da planta e melhorar a segurança. Pode aumentar a disponibilidade da planta, devido a redução de idas à campo, diminuir o risco de interromper a produção e aumentar a produtividade com um ciclo térmico optimizado. É fácil de instalar, promove uma compensação automática e tem uma solução de vedação de processo muito robusta. O uso de técnicas não mecânicas, e sem necessidade de recalibração reduz a manutenção a um mínimo necessário. 10 Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor
Referências Para mais informações, faça o download dos seguintes documentos: SériesRosemount 5300 Series Folha de dados do produto (Document No. 00813-0100-4530) Rosemount 9901 Folha de dados do produto (Document No. 00813-0100-4601) Substituindo displacer com o radar por onda guiada Nota técnica (Document No. 00840-2200-4811) Combinando o radar por onda guiada com as cámaras Rosemount 9901 para fornecer uma solução pontual, Nota técnica (Document No. 00840-0100-4601) Procure resultados relacionados, todos podem ser encontrados em www.rosemount.com/documenta-tion-and-drawings. Usando o radar por onda guiada para nível em aplicações de alta pressão de vapor 11
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