氣體偏差對(duì)流量計(jì)測(cè)量的影響 發(fā)布時(shí)間：2017-10-26
0引言 用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量氣體流量，其準(zhǔn)確度影響因素，包括直管段長(zhǎng)度、一次測(cè)量元件運(yùn)行狀況、現(xiàn)場(chǎng)變送器安裝使用、儀表量程合理與否、溫壓補(bǔ)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(cè)量過(guò)程中，流量與氣體密度緊密關(guān)聯(lián)；而氣體密度又是溫度和壓力（簡(jiǎn)稱溫壓）的函數(shù)。所以要獲取準(zhǔn)確的氣體流量，需要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。 1節(jié)流式差壓流量計(jì)的構(gòu)成及工作原理 1.1節(jié)流裝置流量測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成 節(jié)流裝置(孔板流量計(jì))、導(dǎo)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(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱流量測(cè)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(guān)參數(shù)的條件下，根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系而求得流量[1]。其基本公式如下： c－流出系數(shù)無(wú)量綱 qm－質(zhì)量流量kg/s qv－體積流量m3/s β－直徑比d/D無(wú)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(wú)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(jiǎn)化為： 在工況一定的情況下，即流體介質(zhì)密度不變時(shí)，流體的流量與差壓成平方根關(guān)系。 2氣體流量測(cè)量的溫壓補(bǔ)償要求及公式推導(dǎo) 2.1氣體流量測(cè)量的溫壓補(bǔ)償要求 由于流量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，提供的設(shè)計(jì)溫度、壓力與實(shí)際運(yùn)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(dòng)較大，致使測(cè)出的流量不能真實(shí)反映其工作狀態(tài)下的實(shí)際流量。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為氣體時(shí)，溫度、壓力對(duì)密度的影響就會(huì)更大，要獲得較精準(zhǔn)的結(jié)果則需要進(jìn)行補(bǔ)償。 通常測(cè)量氣體的溫度和壓力要比測(cè)量介質(zhì)密度更易實(shí)現(xiàn)，在高溫高壓條件下，難以直接測(cè)量出氣體的密度，必須根據(jù)密度與壓力、溫度的關(guān)系ρ=f(t,p)進(jìn)行運(yùn)算處理，利用參數(shù)壓力P、溫度T來(lái)代替密度ρ的變化量進(jìn)行補(bǔ)償，而壓力P、溫度T可以通過(guò)安裝在孔板前后的壓力變送器、溫度儀表檢測(cè)取得。 2.2氣體流量測(cè)量的溫壓補(bǔ)償公式推導(dǎo) 用于過(guò)程控制的氣體測(cè)量目前主要采用孔板式節(jié)流裝置進(jìn)行流量測(cè)量的方式[2]。其流量基本方程式為： 其中Qm為被測(cè)流體的質(zhì)量流量，Qv為被測(cè)流體的體積流量，△P為差壓變送器輸出的差壓值，ρ為被測(cè)流體的密度。 在測(cè)氣體的孔板計(jì)算書(shū)中，設(shè)計(jì)者一般提供孔板測(cè)量的最大流量Qmax（單位一般是Nm3/h）、最大差壓△Pmax、設(shè)計(jì)溫度T0、設(shè)計(jì)壓力P0、設(shè)計(jì)密度ρ0,假設(shè)被測(cè)介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算時(shí)需采用絕對(duì)壓力，絕對(duì)溫度。 將（7）代入（6）式： 3氣體流量測(cè)量應(yīng)用舉例 3.1問(wèn)題引出的背景 某廠加氫裂化裝置循環(huán)氫機(jī)組入口流量參與機(jī)組的喘振控制，所以流量測(cè)量準(zhǔn)確性顯得尤為重要，但開(kāi)工初期發(fā)現(xiàn)循環(huán)氫壓縮機(jī)入口流量指示超量程。 根據(jù)設(shè)計(jì)提供的孔板計(jì)算原始數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1，修改前），按ISO5167標(biāo)準(zhǔn)法蘭取壓的計(jì)算軟件對(duì)孔板的計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(jī)組的入口流量指示超量程情況依然未能解決。 再次對(duì)孔板計(jì)算書(shū)進(jìn)行復(fù)核，發(fā)現(xiàn)機(jī)組循環(huán)氫介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)密度設(shè)置為純氫的物性0.0899kg/m3、操作密度為10.5692kg/m3。即原設(shè)計(jì)者把純氫密度替代循環(huán)氫介質(zhì)密度作為孔板計(jì)算參數(shù)，造成了差壓設(shè)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(yīng)過(guò)程中需要耗氫，系統(tǒng)中提供了過(guò)量的氫氣參與反應(yīng)，經(jīng)過(guò)反應(yīng)后，未反應(yīng)的富裕氫氣從反應(yīng)器出來(lái)，經(jīng)過(guò)降溫并與油分離后，進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)升壓。 循環(huán)氫實(shí)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(wèn)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(shí)際孔板的尺寸，來(lái)反推導(dǎo)差壓變送器的實(shí)際量程。通過(guò)計(jì)算，循環(huán)氫入口流量的差壓量程由原來(lái)的8KPa修改為16.19KPa。變送器量程經(jīng)重新設(shè)置后流量指示在量程范圍內(nèi)重獲顯示。 經(jīng)過(guò)密度重設(shè)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(cè)量未進(jìn)行正確的溫壓補(bǔ)償，程序設(shè)定溫壓補(bǔ)償公式中仍取用純氫密度計(jì)算得到的補(bǔ)償系數(shù)不準(zhǔn)確，流量與實(shí)際工況必定有較大偏差。 4流量準(zhǔn)確性影響分析 4.1初始密度設(shè)置偏差的影響分析 從加氫裂化裝置循環(huán)氫機(jī)組的入口流量指示超量程問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)介質(zhì)密度設(shè)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(jì)算得出變送器最大量程由原來(lái)的8KPa改為16.19KPa，而對(duì)應(yīng)最大流量350000Nm3/h的工程量不變。根據(jù)公式： 由此可見(jiàn)，在孔板測(cè)得同樣差壓的情況下，8KPa量程所對(duì)應(yīng)流量值指示值是量程為16.19KPa所對(duì)應(yīng)流量值指示的1.422倍，流量指示偏大。原始介質(zhì)密度設(shè)置的不恰當(dāng)導(dǎo)致流量計(jì)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(shè)置偏小而不能滿足實(shí)際測(cè)量要求。 4.2溫壓補(bǔ)償C系數(shù)偏差影響分析 加氫裂化循環(huán)機(jī)機(jī)組入口流量的溫壓補(bǔ)償方式，機(jī)組制造商給出一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)C，提供的C值為518138.53，但未給出此系數(shù)來(lái)源，推導(dǎo)過(guò)程及設(shè)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(duì)系數(shù)C進(jìn)行調(diào)整，以下為C系數(shù)調(diào)整的推算過(guò)程。 溫壓補(bǔ)償C系數(shù)與流量呈線性關(guān)系，由于原先C值設(shè)置錯(cuò)誤造成的流量誤差達(dá)到30.0%。 4.3介質(zhì)組分波動(dòng)影響分析 采用溫度、壓力補(bǔ)償方法測(cè)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(duì)流體密度影響予以忽略，對(duì)測(cè)量示值的影響也即可忽略。但對(duì)于組份波動(dòng)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(dāng)作常數(shù)來(lái)處理，最大測(cè)量誤差就不可忽視。 在加氫裂化循環(huán)氫系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(dòng)態(tài)變化。表2為從混氫組份50個(gè)隨機(jī)樣本中選取數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲得氫氣百分含量為最大值、平均值、最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的密度分別為：19.54kg/m3、26.615kg/m3、34.790kg/m3，密度存在著較大波動(dòng)。 對(duì)50個(gè)樣本數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)氣體有溫壓補(bǔ)償糾偏，但氣體組分存在波動(dòng),為了量化組分波動(dòng)的影響情況，對(duì)影響的幅度進(jìn)行計(jì)算。從設(shè)計(jì)提供的孔板計(jì)算用密度為27.2194kg/m3作為基準(zhǔn)，按最小密度19.54kg/m3、最大密度34.790kg/m3來(lái)計(jì)算流量的誤差情況： 假設(shè)除介質(zhì)密度變化外，K、△P都不變 則： 下的設(shè)計(jì)體積流量值。 當(dāng)實(shí)際密度ρ2為19.54kg/m3，設(shè)計(jì)密度ρ1為27.2194kg/m3時(shí)： Q2=1.18Q1 同樣，當(dāng)實(shí)際密度ρ2為34.790kg/m3，設(shè)計(jì)密度1為27.2194kg/m3時(shí)： Q2=0.884Q1 從圖2情況看，組分變化引起密度在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)密度上下10%范圍內(nèi)波動(dòng)的情況占66%，按密度上下變化為10%計(jì)算，分別是： Q2=0.954Q1 和Q2=1.054Q1 當(dāng)實(shí)際密度ρ2比設(shè)計(jì)密度ρ1小時(shí)，實(shí)際體積流量比指示的流量大。當(dāng)實(shí)際密度ρ2比設(shè)計(jì)密度ρ1大時(shí)，實(shí)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(cuò)誤的介質(zhì)密度，造成流量測(cè)量誤差最大達(dá)40%； 按錯(cuò)誤的溫壓補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算得到的流量與實(shí)測(cè)值之間的誤差達(dá)到30%； 調(diào)整校正溫壓補(bǔ)償系數(shù)后，介質(zhì)組分變化可能造成的流量測(cè)量誤差約達(dá)10%~20%；一般情況下，組份引起的測(cè)量誤差可以控制在5%以內(nèi)。 4.4.2體會(huì) 現(xiàn)階段要做到在線進(jìn)行密度補(bǔ)償暫時(shí)不具備條件，但相對(duì)于設(shè)置偏離導(dǎo)致的計(jì)量誤差，取平均組份的密度作為計(jì)量基準(zhǔn)，可較大幅度降低計(jì)量偏差。 在實(shí)際工作過(guò)程中，有必要對(duì)設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，類似加氫裂化循環(huán)氫介質(zhì)密度取值錯(cuò)誤導(dǎo)致的流量指示誤差完全可以避免，而由于組份變化對(duì)流量測(cè)量的誤差目前沒(méi)有合適的解決辦法，當(dāng)組份變化不大時(shí)，流量誤差仍屬可控。 5結(jié)語(yǔ) 在氣體流量測(cè)量系統(tǒng)中，溫壓補(bǔ)償是其中一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，往往因設(shè)計(jì)參數(shù)的不確定性，提供的孔板計(jì)算原始參數(shù)與實(shí)際工況存在較大的偏差，學(xué)會(huì)計(jì)算調(diào)整差壓，復(fù)核驗(yàn)證并得到正確的補(bǔ)償系數(shù)在實(shí)際工作非常重要。
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