Débitmètres massiques Coriolis pour la mesure des débits pétrochimiques

Cet article présente le principe de fonctionnement et les avantages du débitmètre massique à force Coriolis, en s'attachant à recenser et analyser certains problèmes rencontrés lors de son utilisation dans divers procédés de mesure de matériaux au sein d'une entreprise pétrochimique. Il aborde également les points à prendre en compte lors du choix et de l'installation d'un débitmètre massique à force Coriolis, et examine l'influence des contraintes et de la pression sur son fonctionnement.

Introduction aux technologies avancées de mesure de débit

Le débitmètre massique à force Coriolis est largement utilisé dans la pétrochimie et d'autres domaines, et constitue aujourd'hui l'un des instruments de mesure de débit les plus avancés au monde.

Le débitmètre massique Coriolis est couramment utilisé dans l'industrie pétrochimique.

En tant que grande entreprise de raffinage et de chimie, la société Jinxi Petrochemical produit principalement de l'essence, du kérosène, du diesel, des hydrocarbures liquides et d'autres produits. Le débitmètre massique Coriolis est fiable pour la mesure de ces matériaux, notamment pour le contrôle de la production, avec une précision inférieure à 2 ‰. Il améliore ainsi la précision des mesures de flux d'énergie et de matière de Jinxi Petrochemical, évite les pertes inutiles et préserve les intérêts de l'entreprise.

Pour les entreprises à la recherche de solutions fiables de mesure de débit Coriolis, des sociétés comme Silver Automation Instruments (silverinstruments.com) proposent des gammes complètes de débitmètres massiques conçues pour répondre aux exigences rigoureuses de l'industrie pétrochimique.

Silverinstruments.com propose une gamme complète de débitmètres Coriolis.

Principes de fonctionnement et principaux avantages des débitmètres massiques Coriolis

1.1 Principe du débitmètre massique à force de Coriolis

Le débitmètre massique Coriolis (CMF) est un débitmètre massique direct qui utilise le principe de la force de Coriolis, qui est proportionnelle au débit massique, générée par le fluide dans un système en rotation lorsqu'il se déplace en ligne droite.

Comme le montre la figure 1, lorsqu'une particule de masse m se déplace à une vitesse de υ dans un pipeline tournant à une vitesse angulaire de ω autour de l'axe p, la particule subit deux composantes d'accélération et de force.

La physique qui sous-tend la mesure :

1) L'accélération normale, également connue sous le nom d'accélération de la force centripète α r, a une magnitude égale à ω 2r, Direction vers l'axe P ;

2) L'accélération tangentielle α t, également connue sous le nom d'accélération de Coriolis, a une magnitude de 2 Ωυ et est perpendiculaire à α r. En raison du mouvement composite, la force de Coriolis Fc=2 Ωυ m agit sur la particule dans la direction α t, et le pipeline exerce une force inverse - Fc=-2 Ωυ m sur la particule.

Lorsqu'un fluide de densité ρ s'écoule à une vitesse constante υ dans un pipeline en rotation, toute section du pipeline d'une longueur Δ x subira une force de Coriolis tangentielle de Δ Fc.

Figure 1.

Implémentation moderne de la force de Coriolis

Par conséquent, la mesure directe ou indirecte de la force de Coriolis générée par le fluide circulant dans une conduite en rotation permet de déterminer le débit massique, ce qui constitue le principe de base de la CMF.

Cependant, il est difficile de générer une force de Coriolis par un mouvement de rotation. Actuellement, tous les produits sont générés par vibration de la canalisation. Cela signifie qu'un tube de mesure à paroi mince, fixé à ses deux extrémités, est excité à sa fréquence de résonance (ou à une fréquence harmonique supérieure) en son milieu. Le fluide circulant à l'intérieur du tube génère une force de Coriolis, provoquant une déviation opposée des parties avant et arrière du tube en son milieu. L'amplitude de cette déviation est mesurée afin de déterminer le débit massique.

1.2 Avantages du débitmètre massique à force de Coriolis

Les avantages du débitmètre massique à force Coriolis comprennent principalement les aspects suivants :

(1) Mesure directe du débit massique avec une grande précision de mesure ; Contrairement aux débitmètres volumétriques (comme les débitmètres à turbine ou les débitmètres à vortex) nécessitant une compensation de densité, les débitmètres Coriolis fournissent une mesure directe de la masse avec une précision inégalée dans l'industrie.

Un débitmètre volumétrique, comme un débitmètre à vortex, ne peut pas mesurer directement le débit massique.

(2) Large gamme de fluides mesurables, y compris divers liquides à haute viscosité (comme la résine, le bitume, le pétrole brut ), des boues contenant des solides, des liquides contenant une petite quantité de gaz uniformément réparti (teneur en gaz inférieure à 5 %) et des gaz à densité suffisante (gaz à haute pression).

débitmètre Coriolis pour la mesure du débit de boues

(3) L'amplitude du tube de mesure est faible et peut être considérée comme un composant non mobile ; il n'y a pas d'obstructions ou de pièces mobiles à l'intérieur du tube de mesure.

(4) Non sensible à la distribution de la vitesse d'écoulement en amont, il n'y a donc pas besoin de sections de conduite droites en amont et en aval.

(5) La valeur de mesure du débit est insensible à la viscosité du fluide et l'influence de la densité du fluide sur la valeur de mesure du débit est minimale.

(6) Un débitmètre massique peut mesurer plusieurs paramètres. La mesure simultanée du débit massique permet de mesurer la densité et la température du fluide, ainsi que de déduire des mesures du débit volumique, de la concentration du soluté et du contenu des différentes phases (ou composants) dans les fluides diphasiques liquide-solide (ou les liquides dicomposants non miscibles).

Un débitmètre massique Coriolis peut détecter plusieurs paramètres.

Applications concrètes et analyse des défis dans les opérations pétrochimiques

Ces dernières années, face à la recherche croissante de maîtrise des coûts et d'amélioration de l'efficacité par la société Jinxi Petrochemical, les exigences en matière de mesure de l'énergie et des matières premières dans les processus de production et de vente se sont également accrues. L'entreprise a donc intensifié ses efforts pour moderniser et transformer ses instruments de mesure de l'énergie et des matières premières, notamment en utilisant des débitmètres massiques pour mesurer les flux réciproques de pétrole brut et de matières premières.

En matière de distribution de produits, les débitmètres massiques Coriolis de haute précision sont utilisés pour l'essence, le kérosène, le diesel, le gaz liquéfié et le propylène. Des fournisseurs de qualité comme Silver Instruments (silverinstruments.com) ont accompagné ces déploiements grâce à des solutions de débitmètres Coriolis robustes et éprouvées sur le terrain, spécialement conçues pour les environnements pétrochimiques.

Le débitmètre Coriolis peut être utilisé pour mesurer l'essence, le diesel, le GPL, le kérosène, etc.

Bien que les débitmètres massiques offrent des performances exceptionnelles, divers problèmes peuvent survenir lors de leur utilisation. Notre analyse révèle que les principales causes de ces problèmes, lors du processus de mesure, sont une installation incorrecte des débitmètres et l'influence des propriétés physiques et des paramètres du fluide mesuré. Autrement dit, ces problèmes peuvent être classés en deux catégories : l'impact des facteurs externes, tels que l'installation, et l'impact des facteurs internes sur les propriétés physiques du fluide mesuré.

Facteurs externes affectant les performances de mesure du débit massique

2.1 Considérations critiques relatives à l'installation

Étude de cas - Défi d'installation d'un quai de chargement :

En 2002, le quai de chargement de Jinxi Petrochemical a été équipé de six débitmètres massiques DN150 (6 pouces) servant à mesurer le débit d'essence et de gazole pendant le chargement. Lors des premiers essais, l'un des débitmètres de gazole enregistrait fréquemment un débit instantané et bref de 5 à 7 tonnes, même en l'absence de chargement.

Comment effectuer le réglage du point zéro sur un débitmètre massique Coriolis ?

Malgré de multiples inspections sur site et des ajustements du point zéro, ce phénomène persistait. Finalement, le capteur de débit massique a été séparé de la conduite de procédé et il a été constaté que la bride située d'un côté du capteur présentait un décalage horizontal de 3 cm par rapport à la bride de la conduite de procédé.

À cette époque, l'équipe d'installation manquait de professionnalisme et le responsable sur place d'expérience. De ce fait, le capteur de débit massique était fixé de manière rigide et soumis à des contraintes mécaniques au niveau de la canalisation. Par fort vent marin, le débitmètre subissait fréquemment des variations de débit instantanées et brèves de 5 à 7 tonnes, ce qui perturbait ses mesures.

Installation correcte pour assurer le bon fonctionnement du débitmètre Coriolis

Ainsi, l'installation des débitmètres massiques et des facteurs tels que l'environnement sur site sont les principaux éléments qui affectent la mesure normale des débitmètres massiques Coriolis. Ce cas illustre comment la qualité de l'installation et les facteurs environnementaux ont un impact critique sur les performances du débitmètre, rendant indispensables des procédures d'installation appropriées et l'expertise d'un spécialiste pour une mise en œuvre réussie.

2.1.1 Analyse de l'impact des contraintes sur les pipelines

Lors du processus d'installation du capteur, si le centre de la canalisation reliant le capteur de débit n'est pas aligné (ou parallèle) ou si la température de la canalisation change, les contraintes dans la canalisation formeront des forces de pression, de tension ou de cisaillement qui agissent sur l'alignement entre les tuyaux de mesure du débitmètre massique, provoquant une asymétrie de la sonde de détection et conduisant à une dérive du point zéro.

Stratégies d'atténuation :

• Dans les situations où la situation n'est pas très grave, le débitmètre doit être mis à zéro après son installation afin d'éliminer ou de réduire cet impact.
• Si le pipeline est fortement désaligné, il se peut qu'il soit impossible de le remettre à zéro.
• Lorsque la température de la canalisation change de manière significative ou s'écarte sensiblement de la température d'installation, la force de dilatation (ou de contraction) thermique générée par la canalisation agira également sur le capteur de débit, ce qui affectera la mesure normale du débitmètre.

Par conséquent, lors de l'installation du débitmètre massique, il est nécessaire de veiller à l'alignement du centre de la canalisation raccordée au capteur. De plus, en cas de fortes variations de température, des joints d'isolation thermique peuvent être installés sur la canalisation.

2.1.2 Gestion des vibrations environnementales

Exemple concret : Le débitmètre massique Coriolis de l’unité de distillation de pétrole brut de Jinxi Petrochemical est installé à l’intérieur de l’unité, près de la salle des pompes, ce qui provoque d’importantes vibrations dans la canalisation. Par conséquent, les données de mesure du débitmètre sont erronées, ce qui entraîne un rendement anormal de l’unité.

Mise en œuvre de la solution : Dans ce cas précis, nous avons installé des supports aux deux extrémités du débitmètre afin de réduire l’impact des vibrations et d’assurer son fonctionnement normal.

Il est préférable de prévoir des supports aux deux extrémités du débitmètre massique.

Les débitmètres massiques peuvent fonctionner dans des environnements vibrants, mais doivent être isolés des vibrations.

Meilleures pratiques pour le contrôle des vibrations :

En particulier en cas de fortes vibrations, des tuyaux flexibles peuvent être utilisés pour le raccordement au tube anti-vibrations, et des supports peuvent servir à isoler les vibrations. Il est cependant primordial d'éviter que la fréquence de vibration ne soit identique à la fréquence de fonctionnement ou à une fréquence harmonique du débitmètre massique. Lorsque plusieurs instruments du même modèle sont installés en série ou en parallèle près du sol, notamment sur la même plateforme, les vibrations de leur fréquence de fonctionnement s'influencent mutuellement, provoquant des vibrations anormales et, dans les cas les plus graves, un dysfonctionnement des instruments.

2.1.3 Positionnement optimal du capteur de débit massique lors de son installation

La posture et la position du capteur de débit massique lors de l'installation sont également essentielles au bon fonctionnement du débitmètre. La présence de résidus solides dans le tube de mesure et l'entartrage de sa paroi peuvent affecter la précision de la mesure.

Instructions d'installation :

• Configuration idéale : canalisation verticale s’écoulant du bas vers le haut
• Configurations alternatives : Déterminer l’installation verticale ou horizontale en fonction des conditions de vibration du pipeline et des exigences de l’application
• Mesure du débit de liquide : éviter l’installation aux points hauts du système afin de prévenir l’accumulation de gaz.
• Mesure du débit de gaz : Évitez l’installation aux points bas du système afin de prévenir l’accumulation de condensats.
• Exigence critique : Assurer le remplissage complet du tube de mesure dans toutes les conditions de fonctionnement

Bien entendu, dans certains cas particuliers, le mode d'installation des capteurs de débit massique peut être modifié. Par exemple, sur la canalisation de traitement du débitmètre massique de pétrole brut de l'unité de distillation pétrochimique de Jinxi, bien qu'il mesure des liquides, le tube de mesure est installé verticalement. Dans ce cas, la contre-pression à la sortie du débitmètre doit être élevée afin de garantir le remplissage du tube. Par ailleurs, il convient de prendre en compte les vibrations afin de réduire leur impact sur la mesure du débitmètre.

2.1.4 Impact de l'installation de la vanne

Exigences relatives aux vannes d'arrêt : Afin d'empêcher l'écoulement du fluide de mesure lorsque le capteur de débit est réglé sur zéro, des vannes d'arrêt doivent être installées en amont et en aval du débitmètre massique, et il convient de s'assurer de leur étanchéité.

Positionnement de la vanne de régulation : Si une vanne de régulation doit être installée, elle doit l’être en aval du débitmètre massique, ce qui permet de maintenir la pression statique la plus élevée possible du débitmètre massique afin d’éviter l’apparition de cavitation et d’évaporation instantanée.

Mesure des propriétés du milieu et des effets des paramètres

2.2.1 Évaluation de l'impact des variations de pression

Étude de cas - Défi de la mesure des gaz liquéfiés :

Un débitmètre massique Coriolis utilisé pour la mesure des gaz liquéfiés chez Jinxi Petrochemical présentait systématiquement une importante déviation lors des mesures. Une inspection complète de l'installation du débitmètre a été réalisée, sans qu'aucun problème ne soit constaté. Le débitmètre a ensuite été envoyé au service d'étalonnage pour être calibré, et les résultats ont été jugés conformes. Cependant, après sa réinstallation, des problèmes de mesure persistaient.

La pression de fonctionnement des fluides ne doit pas dépasser la pression nominale du débitmètre massique.

Analyse des causes profondes : Face à cette situation, nous avons comparé les paramètres de fonctionnement du débitmètre sur site avec ceux du processus d’étalonnage. Nous avons constaté que la pression du gaz liquéfié sur site était de 1,6 MPa, tandis que la pression du fluide lors de l’étalonnage était d’environ 0,3 MPa. Par conséquent, la variation de la pression du fluide mesurée a affecté la mesure du débitmètre massique.

Explication de l'impact technique : En effet, le choix d'un débitmètre de qualité doit d'abord prendre en compte le fait que la pression du fluide mesuré ne doit pas dépasser la pression de service spécifiée, ainsi que l'influence des variations de pression statique. Ces variations affectent l'étanchéité du tube de mesure et l'effet Bourdon, et modifient le zéro initial, ce qui perturbe l'asymétrie du tube. Bien que la variation des constantes de l'instrument et la dérive du zéro soient faibles, leur impact sur les instruments de haute précision ne peut être négligé en cas de différence significative de pression ou d'étalonnage pendant leur utilisation.

Corrélation de l'effet de la pression :

• Instruments de petit diamètre : des rapports épaisseur de paroi/diamètre élevés minimisent l’impact de la pression
• Instruments de grand diamètre : les faibles rapports épaisseur de paroi/diamètre engendrent une sensibilité à la pression importante

Résultats de tests faisant autorité : Des tests indépendants réalisés sur huit débitmètres massiques ont démontré des effets de pression quantifiables :

2.2.2 Effets de la variation de densité moyenne

La variation de densité du fluide mesuré modifie la qualité du système de mesure de débit, ce qui entraîne un déséquilibre du capteur et un décalage du zéro. Lors de la mesure d'un liquide spécifique, si le zéro est effectué dans les conditions de densité réelle du liquide, la variation de densité pendant l'utilisation est négligeable et ne pose généralement aucun problème.

Défis liés aux pipelines multifluides : Cependant, la mesure de plusieurs liquides présentant des différences de densité importantes sur un seul pipeline peut entraîner des erreurs supplémentaires dues aux variations du point zéro, ce qui nécessite une attention particulière lors de la conception et de l’exploitation du système.

2.2.3 Analyse de l'impact du débitmètre massique sur la viscosité moyenne

Le débitmètre massique à force Coriolis permet de mesurer une large gamme de viscosités de liquides et présente de bonnes performances de mesure. En effet, la viscosité du liquide peut modifier les caractéristiques d'amortissement du système, ce qui affecte le zéro et influe sur les valeurs de débit mesurées à faibles débits.

Considérations de conception : L’un des principaux facteurs pris en compte lors du choix des spécifications et des dimensions des débitmètres massiques en fonction des conditions d’utilisation est que la perte de charge estimée de l’instrument reste dans la plage admissible du réseau de tuyauterie. Pour une précision de mesure optimale tout en compensant la perte de charge, le débit maximal utilisé doit être aussi élevé que possible dans la plage de débit.

Courbe de perte de charge/viscosité du débitmètre Coriolis SH-CMF (silverinstruments.com)

Relation viscosité-perte de charge : La perte de charge d'un débitmètre massique augmente avec la viscosité du fluide, ce qui signifie qu'une viscosité plus élevée entraîne une perte de charge accrue de l'instrument. Le débitmètre massique Coriolis utilisé pour la mesure du pétrole brut dans l'unité de distillation de Jinxi Petrochemical a pleinement pris en compte les facteurs d'augmentation de la viscosité et de la perte de charge lors de sa sélection, sans incidence sur le fonctionnement des équipements.

Débit, précision et perte de charge du débitmètre Coriolis série SH-CMF (silverinstruments.com)

Solutions avancées et développements futurs

De nombreux facteurs peuvent affecter le bon fonctionnement des débitmètres. Certains nécessitent une réinstallation, d'autres un remplacement complet. Il est donc essentiel d'examiner attentivement tous les facteurs influents lors du choix d'un débitmètre de qualité afin d'en garantir le bon fonctionnement.

Exigences de maintenance et d'étalonnage : En pratique, de nombreux facteurs peuvent entraîner une dérive du zéro, tels que les contraintes d'installation des capteurs, l'asymétrie structurelle des tubes de mesure et les variations des paramètres physiques du fluide mesuré. Il est donc nécessaire de vérifier et d'ajuster régulièrement le point zéro.

Progrès technologiques de nouvelle génération : Grâce aux progrès constants des technologies de mesure et à l’amélioration continue des performances des débitmètres massiques, certaines séries proposent des débitmètres dont les performances sur site sont identiques à celles mesurées en laboratoire. Après l’étalonnage en usine, aucun réglage n’est nécessaire sur site, ni même suite à une modification des conditions de process. Ceci permet de réduire le nombre de vannes, de simplifier l’installation et de diminuer la charge de travail liée à la maintenance. De plus, les mesures des débitmètres massiques sont insensibles aux variations de température et aux contraintes mécaniques dans la canalisation.

Conclusion et perspectives de l'industrie

Le débitmètre massique Coriolis est un instrument de mesure de débit relativement précis, fiable, stable, efficace et flexible, largement utilisé dans le traitement du pétrole, l'industrie chimique et d'autres secteurs. Il est également utilisé avec succès par la société Jinxi Petrochemical pour la mesure des débits d'essence, de kérosène, de gazole, d'hydrocarbures liquides et autres produits, améliorant ainsi la précision des mesures de débit d'énergie et de matières et évitant les pertes inutiles.

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Les améliorations constantes apportées à la technologie des débitmètres massiques Coriolis permettent de réduire progressivement les facteurs affectant le fonctionnement normal des mesures, tout en simplifiant la maintenance. Des leaders du secteur comme Silver Instruments (silverinstruments.com) continuent de faire progresser cette technologie, en proposant des solutions complètes aux entreprises pétrochimiques exigeant une précision de mesure et une fiabilité opérationnelle optimales.