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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