قياس المستوى في الخزانات المضغوطة: LPG والأمونيا

قياس المستوى في الخزانات المضغوطة هو القياس المستمر للسطح الفاصل بين الغاز والسائل داخل وعاء يعمل بضغط أعلى من الضغط الجوي، عادة باستخدام مرسل مستوى راداري غير تلامسي بتردد 80 GHz. وتشمل التطبيقات LPG والأمونيا السائلة والأكسجين السائل، حيث تحدد سماحية البخار ومواد الخدمة شديدة البرودة واعتماد المناطق الخطرة حدود الاستخدام. المديات النموذجية 0-12 m، عند ضغوط تصل إلى 25 bar g.

لماذا يحتاج قياس المستوى في الخزانات المضغوطة إلى تعويض البخار؟

يقيس مرسل المستوى الراداري FMCW زمن مسح الموجات الميكروية عبر الحيز فوق السائل، ويحسب المسافة بالعلاقة d = c*t/2. في الهواء الجاف عند 20 °C، تبلغ السماحية النسبية نحو 1.0006، ولذلك لا يختلف c عن قيمته في الفراغ بأكثر من 0.03 %. أما في الخزانات المضغوطة، فالحيز العلوي يحتوي على بخار مشبع لا على هواء، وتنخفض سرعة الموجة إلى c/sqrt(er). وإذا استمر المرسل باستخدام قيمة الفراغ، تصبح المسافة المبينة مساوية للمسافة الحقيقية مضروبة في sqrt(er)، أي تزيد عنها بمقدار (sqrt(er) - 1) من المسافة الحقيقية.

بما أن المستوى يساوي مسافة الخزان الفارغ E مطروحا منها المسافة المقاسة، فإن المبالغة في المسافة تخفض المستوى المبين بالمقدار نفسه. عند مسار بخار طوله 8.000 m وer = 1.021، تصبح المسافة المبينة 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m، فيكون المستوى المبين أقل من السطح الفاصل الحقيقي بمقدار 83.6 mm. ويزداد الانحياز مع طول حيز البخار، فيبلغ أقصاه قرب فراغ الخزان حيث تضبط إنذارات المستوى المنخفض. ويتأثر كل من FMCW غير التلامسي ورادار الموجة الموجهة، لأن الموجة تعبر البخار المضغوط. ويمكن التصحيح بإدخال قيمة ثابتة لـ er، أو باستخدام عاكس مرجعي عند مسافة معلومة، أو مسبار مرجعي داخل أنبوب تهدئة.

كيف يتحول تغير صغير في السماحية إلى خطأ بالملليمترات؟

سرعة الموجة في الحيز العلوي هي v = c0/sqrt(er)، حيث c0 = 299 792 458 m/s. يقيس المرسل زمن الصدى ويضربه في c0/2، فتكون المسافة المبينة d_read = d_true*sqrt(er)، وخطأ المستوى dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

مثال محلول بقيم موقع مفترضة، لغرض التوضيح الحسابي وليس بيانات مقاسة ميدانيا: خزان كروي لـ LPG بمسار بخار طوله 8.000 m، وبخار بروبان مشبع عند 8 bar g و20 °C، مع افتراض er = 1.021. عندئذ sqrt(1.021) = 1.010445 وdL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m، أي -83.6 mm. عند 8 bar g وer = 1.015، يكون الانحياز -59.8 mm؛ وعند 12 bar g وer = 1.030 يصل إلى -119.1 mm. يشترط هذا الحساب ثبات الضغط ودرجة الحرارة وتركيب البخار؛ فتقلب الضغط أثناء التعبئة يبطل صلاحية قيمة er ثابتة واحدة، ويستلزم تصحيحا قائما على مرجع.

هذه قيم مرجعية هندسية نموذجية للبخار المشبع، وليست مواصفات للمنتج. قبل إدخال قيمة التعويض، تحقق من er لتركيب الغاز الفعلي وضغطه بالرجوع إلى أحدث ورقة بيانات لخصائص الغاز.

متى تستبعد الموجات فوق الصوتية في الأوعية المغلقة؟

لا ينبغي اختيار مرسل مستوى بالموجات فوق الصوتية للخزانات المضغوطة عندما يتغير تركيب البخار أو الضغط أو درجة الحرارة خلال دورة التعبئة. فهو يقيس زمن موجة ميكانيكية تتوقف سرعتها على الكتلة الجزيئية للغاز وضغطه ودرجة حرارته. في خزان ماء منفس للجو يكفي تعويض واحد لدرجة الحرارة؛ أما في حيز LPG أو الأمونيا فلا توجد سرعة صوت واحدة ثابتة، لأن كثافة الغاز وتركيبه يتغيران مع ضغط التشبع. ويضيف المسار الصوتي بذلك خطأ غير مضبوط يفوق كثيرا الدقة المطلوبة عادة لمنع فرط التعبئة، من ±2 mm إلى ±10 mm.

هناك حدان آخران يجعلان هذه الطريقة غير صالحة. لا ينتشر الصوت في الفراغ، فيفقد الوعاء القابل للتفريغ صدى القياس تماما. كما أن البخار المشبع الكثيف أو الرغوة أو قطرات التكثف تضعف النبضة حتى تختفي العودة رغم وجود السائل. في هذه الظروف، يكون الاختيار المناسب مرسل مستوى راداريا بتصحيح البخار المذكور، وليس جهازا أفضل بالموجات فوق الصوتية.

ما الذي تغيره الخدمة شديدة البرودة في متطلبات المواد الملامسة للسائل؟

يخزن الأكسجين السائل قرب -183 °C وبضغط قريب من الضغط الجوي، بينما قد تكون الأمونيا السائلة أو LPG قرب -40 °C في التخزين المبرد. يحتفظ الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بمتانته عند هذه الدرجات، في حين يصبح الفولاذ الكربوني العادي وكثير من اللدائن المرنة هشا. ويجب أن يكون كل من الهوائي ومانع تسرب العملية والحشية وأي طلاء مصنفا لأدنى درجة حرارة للمعدن، لا لدرجة التشغيل العادية فقط، لأن التبريد أو تنفيس الضغط قد يخفض حرارة التجميع عن نقطة تصميمه.

تضيف خدمة الأكسجين شرطا للنظافة: يجب أن تخلو الأجزاء الملامسة للسائل من الزيوت والشحوم، مع توثيق التنظيف. تبقي وصلة العزل الحراري غلاف الإلكترونيات خارج المنطقة الباردة، ويجب أن يناسب طولها مجال الحرارة المحيطة المعتمد؛ فلا يجوز وضع غلاف مصنف حتى -40 °C على وصلة خزان عند -183 °C. ويشيع التكثف وتكون الجليد على وجه الهوائي أثناء التبريد، لذا يحدد عادة تطهير بالغاز أو هوائي محكم بمانع تسرب منخفض الحرارة تم التحقق منه. قبل التركيب، تحقق من درجات جميع المواد الملامسة للسائل، وتركيبة الحشية، ومجال الحرارة المحيطة المعتمد على لوحة بيانات الوحدة المسلمة.

كيف تترك هامشا صالحا للقياس فوق السائل؟

لخزان مضغوط، افترض مسافة خزان فارغ E = 12.000 m من وجه الشفة إلى القاع. تبلغ مسافة الحجب 0.10-0.20 m لهوائي عدسي بتردد 80 GHz مركب بمحاذاة السطح؛ ويستخدم هنا 0.400 m كافتراض محافظ مع وصلة ممتدة، على أن يراجع في أحدث ورقة بيانات. بذلك لا يستطيع المرسل بيان مستوى أعلى من 11.600 m. إذا كانت نقطة الفصل عند المستوى العالي جدا 11.200 m، والخلوص العلوي المطلوب 0.300 m، فإن الهامش بين نقطة الفصل وسقف القياس 0.400 m يفي بالشرط. أما وصلة طولها 0.600 m فتخفض الهامش إلى 0.200 m، فلا تجتاز المراجعة.

ينبغي إدراج العلاقة في طلب الشراء: الهامش العلوي المتاح = E - مسافة الحجب - أقصى مستوى تشغيل. في وعاء ارتفاعه 12.000 m، يمثل هامش 0.400 m نسبة 3.3 % من المدى؛ وفي وعاء يقل ارتفاعه عن 2.000 m، تستهلك مسافة الحجب نفسها 20 % من المدى.

• سجل E ابتداء من وجه الشفة، لا من السقف.
• حدد مسافة الحجب للهوائي ووصلة الخزان المطلوبين، لا الحد الأدنى في الكتالوج.
• أعد فحص الهامش بعد أي تغيير في المهايئ أو الوصلة الممتدة أو العزل.
• اجعل نقطة الفصل عند المستوى العالي جدا أدنى من سقف القياس، لا مساوية له.

ما الذي يجب أن تطابقه الشهادة في التكوين المسلم؟

راجع شهادة قياس المستوى في الخزانات المضغوطة مقابل التكوين المطلوب، لا الكتيب. يجب أن تظهر مجموعة الغاز وفئة الحرارة ومستوى حماية المعدات ومجال الحرارة المحيطة المعتمد على لوحة الوحدة المسلمة، وأن تطابق تصنيف المنطقة الخطرة للخزان. لا يجوز تركيب وحدة معتمدة لحرارة محيطة من -20 °C إلى +60 °C حيث يتعرض غلافها إلى -40 °C، حتى لو كان مانع تسرب العملية مصنفا لحرارة أقل. ويجب أن يشمل الاعتماد أي مهايئ أو تطهير بالغاز أو سخان أو شاشة بعيدة تضاف لاحقا.

راجع كل صف مقابل أحدث ورقة بيانات ولوحة الوحدة، واطلب أي قيمة مفقودة قبل الإجازة. تبين صفحة كل جهاز رادار التكوينات المشمولة بكل شهادة، وتشرح مقالة فنية عن علامات الاعتماد دلالات الرموز.

الأسئلة الشائعة

س1. هل يحتاج كل وعاء مضغوط إلى تعويض البخار؟

لا. يلزم التعويض فقط عندما تجعل سماحية الحيز العلوي القراءة تتجاوز حد الخطأ المسموح. فالهواء عند 1 bar ولمسار 2.000 m ينتج نحو 0.6 mm، ويمكن إهماله؛ بينما يبلغ الأثر نحو 84 mm لبخار LPG المشبع عند 8 bar g ولمسار 8.000 m. تحقق من er باستخدام أحدث بيانات الغاز.

س2. هل يحل مرسل بالموجات فوق الصوتية محل الرادار في خزان أمونيا مغلق؟

لا، إذا تغير الضغط أو تركيب البخار خلال الدورة. يعتمد القياس فوق الصوتي على سرعة صوت واحدة، وتتغير هذه السرعة في حيز الأمونيا المغلق مع الضغط والحرارة وكثافة الغاز. يزيل الفراغ الصدى، وقد يمتصه البخار الكثيف. استخدم بدلا منه رادارا بتعويض البخار.

س3. ما فحص المواد منخفضة الحرارة الذي يغفل غالبا؟

الحشية ومانع تسرب العملية، لا الهوائي. تحدد درجات مواد الهوائي للخدمة شديدة البرودة، لكن حشية مرنة مصنفة حتى -20 °C فقط ستتصلب وتتسرب عند -40 °C. افحص أدنى حرارة معدنية لكل جزء ملامس للسائل، ومجال حرارة الغلاف المحيطة، وسجل التنظيف الخالي من الزيوت.

س4. ما الهامش العلوي الذي ينبغي تركه فوق نقطة فصل المستوى العالي جدا؟

يستخدم 0.300 m على الأقل كنقطة بداية شائعة، لكن يجب اشتقاقه من مسافة الحجب وهندسة الوعاء. عند مسافة خزان فارغ 12.000 m ومسافة حجب 0.400 m، يكون سقف القياس 11.600 m؛ ونقطة فصل 11.200 m تترك هامشا 0.400 m. أعد الحساب بعد تغيير وصلة الخزان.

س5. هل يتجنب رادار الموجة الموجهة مشكلة سماحية البخار؟

لا. ما زالت النبضة تعبر الحيز العلوي على طول المسبار، فتنخفض سرعتها مع ارتفاع er وينطبق معامل sqrt(er) نفسه، رغم اختلاف الهندسة عن FMCW في الفضاء الحر. وتظل الخدمة عالية الضغط بحاجة إلى مسبار مرجعي أو قيمة er ثابتة مدخلة.

س6. ما الذي يجب أن تطابقه شهادة الاعتماد في الوحدة المسلمة؟

التكوين المطلوب وتصنيف الموقع. راجع نوع الحماية ومجموعة الغاز وفئة الحرارة ومستوى حماية المعدات ومجال الحرارة المحيطة المعتمد مقابل مخطط المنطقة الخطرة، ثم تأكد من ظهورها على لوحة البيانات. ويجب أن يغطي الاعتماد أي مهايئ أو تطهير بالغاز أو سخان يضاف لاحقا.

ملخص

يقوم قياس المستوى في الخزانات المضغوطة على ثلاثة فحوص: تصحيح سماحية البخار، والتحقق من مواد الأجزاء الملامسة للسائل عند الحرارة المنخفضة، وترك هامش ضمن المدى القابل للقياس. يبين المثال أن er = 1.021 المفترضة لمسار بخار 8.000 m تسبب انحرافا في المستوى المبين قدره 83.6 mm، يفوق كثيرا ±2 mm إلى ±10 mm المطلوبة عادة لمنع فرط التعبئة. والخطوة التالية إعداد ورقة القبول ومراجعة كل صف مقابل أحدث ورقة بيانات قبل الإجازة.