氣體偏差對流量計測量的影響 發(fā)布時間：2017-10-26
0引言 用標準節(jié)流裝置測量氣體流量，其準確度影響因素，包括直管段長度、一次測量元件運行狀況、現(xiàn)場變送器安裝使用、儀表量程合理與否、溫壓補償參數(shù)正確性都是非常重要的因素。 氣體具有可壓縮性，在氣體流量測量過程中，流量與氣體密度緊密關聯(lián)；而氣體密度又是溫度和壓力（簡稱溫壓）的函數(shù)。所以要獲取準確的氣體流量，需要進行溫壓補償。 1節(jié)流式差壓流量計的構(gòu)成及工作原理 1.1節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)構(gòu)成 節(jié)流裝置(孔板流量計)、導壓管、差壓變送器和流量二次表（DCS系統(tǒng)）組成了孔板式節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)（簡稱流量測量系統(tǒng)）。 1.2節(jié)流孔板的工作原理 充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置，在節(jié)流件附近造成局部收縮，流速增加，在其上、下游兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差。 在已知有關參數(shù)的條件下，根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導出差壓與流量之間的關系而求得流量[1]。其基本公式如下： c－流出系數(shù)無量綱 qm－質(zhì)量流量kg/s qv－體積流量m3/s β－直徑比d/D無量綱 d－工作條件下節(jié)流件直徑 D－工作條件下上游管道內(nèi)徑 ρ流體的密度Kg/m3 ε可膨脹性系數(shù)無量綱 ΔP差壓值。 在以上公式中，β和d是常數(shù)，C和ε在一定流量范圍內(nèi)也可以看作是常數(shù)，因此上式可以簡化為： 在工況一定的情況下，即流體介質(zhì)密度不變時，流體的流量與差壓成平方根關系。 2氣體流量測量的溫壓補償要求及公式推導 2.1氣體流量測量的溫壓補償要求 由于流量測量裝置的設計過程中，提供的設計溫度、壓力與實際運行的工作溫度、壓力有一定的差異，或者由于工藝條件造成流體溫度、壓力波動較大，致使測出的流量不能真實反映其工作狀態(tài)下的實際流量。當被測介質(zhì)為氣體時，溫度、壓力對密度的影響就會更大，要獲得較精準的結(jié)果則需要進行補償。 通常測量氣體的溫度和壓力要比測量介質(zhì)密度更易實現(xiàn)，在高溫高壓條件下，難以直接測量出氣體的密度，必須根據(jù)密度與壓力、溫度的關系ρ=f(t,p)進行運算處理，利用參數(shù)壓力P、溫度T來代替密度ρ的變化量進行補償，而壓力P、溫度T可以通過安裝在孔板前后的壓力變送器、溫度儀表檢測取得。 2.2氣體流量測量的溫壓補償公式推導 用于過程控制的氣體測量目前主要采用孔板式節(jié)流裝置進行流量測量的方式[2]。其流量基本方程式為： 其中Qm為被測流體的質(zhì)量流量，Qv為被測流體的體積流量，△P為差壓變送器輸出的差壓值，ρ為被測流體的密度。 在測氣體的孔板計算書中，設計者一般提供孔板測量的最大流量Qmax（單位一般是Nm3/h）、最大差壓△Pmax、設計溫度T0、設計壓力P0、設計密度ρ0,假設被測介質(zhì)在標準狀況下的密度為ρN 則有： 其中：Pf為工況下的壓力，Tf為工況下的溫度。注意：計算時需采用絕對壓力，絕對溫度。 將（7）代入（6）式： 3氣體流量測量應用舉例 3.1問題引出的背景 某廠加氫裂化裝置循環(huán)氫機組入口流量參與機組的喘振控制，所以流量測量準確性顯得尤為重要，但開工初期發(fā)現(xiàn)循環(huán)氫壓縮機入口流量指示超量程。 根據(jù)設計提供的孔板計算原始數(shù)據(jù)（見表1，修改前），按ISO5167標準法蘭取壓的計算軟件對孔板的計算結(jié)果進行核算，得到的差壓量程及孔徑尺寸與制造廠家提供的數(shù)據(jù)一致，但循環(huán)氫機組的入口流量指示超量程情況依然未能解決。 再次對孔板計算書進行復核，發(fā)現(xiàn)機組循環(huán)氫介質(zhì)標準密度設置為純氫的物性0.0899kg/m3、操作密度為10.5692kg/m3。即原設計者把純氫密度替代循環(huán)氫介質(zhì)密度作為孔板計算參數(shù)，造成了差壓設置的偏差。 3.2循環(huán)氫系統(tǒng)的介質(zhì)特征 加氫裂化工藝在反應過程中需要耗氫，系統(tǒng)中提供了過量的氫氣參與反應，經(jīng)過反應后，未反應的富裕氫氣從反應器出來，經(jīng)過降溫并與油分離后，進入循環(huán)氫壓縮機升壓。 循環(huán)氫實際上是富氫氣體，除了氫氣外，含有碳化合物、硫化氫等組分，又稱混氫，純氫與混氫的密度有較大的差異。 3.3問題處置 由于孔板已經(jīng)安裝到位投入使用，不具備更換條件。因此根據(jù)正常操作條件下混氫密度27.2194kg/m3以及實際孔板的尺寸，來反推導差壓變送器的實際量程。通過計算，循環(huán)氫入口流量的差壓量程由原來的8KPa修改為16.19KPa。變送器量程經(jīng)重新設置后流量指示在量程范圍內(nèi)重獲顯示。 經(jīng)過密度重設后盡管在量程范圍內(nèi)可顯示，但數(shù)值的正確性仍存在較大偏差，究其原因是氣體流量測量未進行正確的溫壓補償，程序設定溫壓補償公式中仍取用純氫密度計算得到的補償系數(shù)不準確，流量與實際工況必定有較大偏差。 4流量準確性影響分析 4.1初始密度設置偏差的影響分析 從加氫裂化裝置循環(huán)氫機組的入口流量指示超量程問題中發(fā)現(xiàn)原設計介質(zhì)密度設置偏離。循環(huán)氫介質(zhì)操作密度從10.5692kg/m3改為27.2194kg/m3后，計算得出變送器最大量程由原來的8KPa改為16.19KPa，而對應最大流量350000Nm3/h的工程量不變。根據(jù)公式： 由此可見，在孔板測得同樣差壓的情況下，8KPa量程所對應流量值指示值是量程為16.19KPa所對應流量值指示的1.422倍，流量指示偏大。原始介質(zhì)密度設置的不恰當導致流量計算出現(xiàn)較大誤差，且因變送器量程根據(jù)原始密度選型設置偏小而不能滿足實際測量要求。 4.2溫壓補償C系數(shù)偏差影響分析 加氫裂化循環(huán)機機組入口流量的溫壓補償方式，機組制造商給出一個補償系數(shù)C，提供的C值為518138.53，但未給出此系數(shù)來源，推導過程及設定的邊界條件。因此，上例中差壓量程修改后，流量指示還是存在較大偏差，必須對系數(shù)C進行調(diào)整，以下為C系數(shù)調(diào)整的推算過程。 溫壓補償C系數(shù)與流量呈線性關系，由于原先C值設置錯誤造成的流量誤差達到30.0%。 4.3介質(zhì)組分波動影響分析 采用溫度、壓力補償方法測量氣體體積流量，是基于介質(zhì)組份穩(wěn)定或組份變化很小的一般氣體，可對流體密度影響予以忽略，對測量示值的影響也即可忽略。但對于組份波動變化較大的氣體，流體密度影響將增大，如仍將某一組分的流體狀態(tài)密度當作常數(shù)來處理，最大測量誤差就不可忽視。 在加氫裂化循環(huán)氫系統(tǒng)運行過程中，循環(huán)氫組分除氫氣外，含有碳化合物、硫化氫等組分，混氫組分發(fā)生著動態(tài)變化。表2為從混氫組份50個隨機樣本中選取數(shù)據(jù)，通過計算獲得氫氣百分含量為最大值、平均值、最小值時所對應的密度分別為：19.54kg/m3、26.615kg/m3、34.790kg/m3，密度存在著較大波動。 對50個樣本數(shù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果為：組分變化造成密度變化曲線如圖1，圖2描述了±10%密度變化的樣本數(shù)為66%。 從圖1可看出，密度在20～40范圍內(nèi)變化。由此引出新的疑惑：盡管對氣體有溫壓補償糾偏，但氣體組分存在波動,為了量化組分波動的影響情況，對影響的幅度進行計算。從設計提供的孔板計算用密度為27.2194kg/m3作為基準，按最小密度19.54kg/m3、最大密度34.790kg/m3來計算流量的誤差情況： 假設除介質(zhì)密度變化外，K、△P都不變 則： 下的設計體積流量值。 當實際密度ρ2為19.54kg/m3，設計密度ρ1為27.2194kg/m3時： Q2=1.18Q1 同樣，當實際密度ρ2為34.790kg/m3，設計密度1為27.2194kg/m3時： Q2=0.884Q1 從圖2情況看，組分變化引起密度在設計基準密度上下10%范圍內(nèi)波動的情況占66%，按密度上下變化為10%計算，分別是： Q2=0.954Q1 和Q2=1.054Q1 當實際密度ρ2比設計密度ρ1小時，實際體積流量比指示的流量大。當實際密度ρ2比設計密度ρ1大時，實際體積流量比指示的流量小。 4.4各因素影響程度的比較 4.4.1影響程度比較 由于采用錯誤的介質(zhì)密度，造成流量測量誤差最大達40%； 按錯誤的溫壓補償系數(shù)計算得到的流量與實測值之間的誤差達到30%； 調(diào)整校正溫壓補償系數(shù)后，介質(zhì)組分變化可能造成的流量測量誤差約達10%~20%；一般情況下，組份引起的測量誤差可以控制在5%以內(nèi)。 4.4.2體會 現(xiàn)階段要做到在線進行密度補償暫時不具備條件，但相對于設置偏離導致的計量誤差，取平均組份的密度作為計量基準，可較大幅度降低計量偏差。 在實際工作過程中，有必要對設計提供的數(shù)據(jù)的合理性進行復核驗證，類似加氫裂化循環(huán)氫介質(zhì)密度取值錯誤導致的流量指示誤差完全可以避免，而由于組份變化對流量測量的誤差目前沒有合適的解決辦法，當組份變化不大時，流量誤差仍屬可控。 5結(jié)語 在氣體流量測量系統(tǒng)中，溫壓補償是其中一個不可缺少的環(huán)節(jié)，在實際的生產(chǎn)過程中，往往因設計參數(shù)的不確定性，提供的孔板計算原始參數(shù)與實際工況存在較大的偏差，學會計算調(diào)整差壓，復核驗證并得到正確的補償系數(shù)在實際工作非常重要。
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