氣體偏差對流量計(jì)測量的影響 發(fā)布時(shí)間:2017-10-26
0引言 用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測量氣體流量,其準(zhǔn)確度影響因素,包括直管段長度、一次測量元件運(yùn)行狀況、現(xiàn)場變送器安裝使用、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,在氣體流量測量過程中,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(guān)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(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(shí),流體的流量與差壓成平方根關(guān)系。 2氣體流量測量的溫壓補(bǔ)償要求及公式推導(dǎo) 2.1氣體流量測量的溫壓補(bǔ)償要求 由于流量測量裝置的設(shè)計(jì)過程中,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、壓力波動較大,致使測出的流量不能真實(shí)反映其工作狀態(tài)下的實(shí)際流量。當(dāng)被測介質(zhì)為氣體時(shí),溫度、壓力對密度的影響就會更大,要獲得正確的結(jié)果則需要進(jìn)行補(bǔ)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(shí)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(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(bǔ)償公式推導(dǎo) 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(jìn)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(jì)算書中,設(shè)計(jì)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(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)需采用絕對壓力,絕對溫度。 將(7)代入(6)式: 3氣體流量測量應(yīng)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(jī)組入口流量參與機(jī)組的喘振控制,所以流量測量正確率顯得尤為重要,但開工初期發(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)(見表1,修改前),按ISO5167標(biāo)準(zhǔn)法蘭取壓的計(jì)算軟件對孔板的計(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。 再次對孔板計(jì)算書進(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)過程中需要耗氫,系統(tǒng)中提供了過量的氫氣參與反應(yīng),經(jīng)過反應(yīng)后,未反應(yīng)的富裕氫氣從反應(yīng)器出來,經(jīng)過降溫并與油分離后,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,來反推導(dǎo)差壓變送器的實(shí)際量程。通過計(jì)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(shè)置后流量指示在量程范圍內(nèi)重獲顯示。 經(jīng)過密度重設(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流量正確率影響分析 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的8KPa改為16.19KPa,而對應(yīng)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(yīng)流量值指示值是量程為16.19KPa所對應(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)來源,推導(dǎo)過程及設(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,必須對系數(shù)C進(jìn)行調(diào)整,以下為C系數(shù)調(diào)整的推算過程。 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)組分波動影響分析 采用溫度、壓力補(bǔ)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(dāng)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(yùn)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(gè)隨機(jī)樣本中選取數(shù)據(jù),通過計(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。 對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:盡管對氣體有溫壓補(bǔ)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(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量誤差約達(dá)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(jìn)行密度補(bǔ)償暫時(shí)不具備條件,但相對于設(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)際工作過程中,有必要對設(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,而由于組份變化對流量測量的誤差目前沒有合適的解決辦法,當(dāng)組份變化不大時(shí),流量誤差仍屬可控。 5結(jié)語 在氣體流量測量系統(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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