瓦斯計量表在石家莊煉化分公司中的選取和應用

秦 雯

（中國石化石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050000）

1 前言

瓦斯計量在煉化系統中十分重要，測量瓦斯的計量表種類也眾多，流量計選型就成為瓦斯計量的關鍵環節。瓦斯的主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微，量的惰性氣體，如氦和氬等。瓦斯對空氣的相對密度是0.554，在標準狀態下瓦斯的密度為0.716kg。然而煉油廠的瓦斯組分十分復雜而且變化是隨機的，沒有任何規律，變化的幅度也較大。因此給瓦斯計量工作帶來了很大的困難，本文著重介紹了幾種常用的瓦斯計量儀表的原理，并進行了比較。

2 瓦斯計量表的主要形式及功能比較：

（1）節流裝置：差壓式流量計測量氣體質量流量基本公式為：

式（1）中ρ1為氣體在工作條件下正端取壓口處的密度kg/m3。

氣體組份變化后，標準狀態體積流量與各自變量的關系公式，推導過程很繁瑣，但得到的結論卻很簡單。

式（2）中qvn為氣體在標準狀態下的體積流量，Nm3/h；qvnd為未經密度補償的標準狀態體積流量，Nm3/h。

上式計算時在流量演算器（模塊）中完成的。其中，ρnd、Pd、Td的數值可由孔板計算書查得，然后寫入儀表的菜單。Pf和Tf是實測值。Zd是Td、Pd、Tc、（臨界溫度）和Pc（臨界壓力）的函數，在流量演算器中計算得到。Zd是 Tf、Pf、Tc和 Pc的函數，也在流量演算器中得到。對于變組分氣體，ρn也是變量，即氣體組分變化時，其標準狀態密度也相應變化。式中ρ1的不僅隨溫度、壓力變化，還隨組份變化。

（2）TDS型智能旋進流量計：其工作原理為：當沿著軸向流動的流通進入流量計傳感器入口時，螺旋形葉片強迫流體進行旋轉運動，于是在漩渦發生體中心產生漩渦流，漩渦流在文丘里管中旋進，到達收縮段突然節流使漩渦流加速，當漩渦流進擴散段后，因回流作用強迫進行旋進式二次旋轉。此時漩渦流的旋轉頻率與介質流速成正比，并為線性。兩個壓電傳感器檢測的微弱電荷信號同時經前置放大器放大、濾波、整形后變成兩路頻率與流速成正比的脈沖信號，積算儀中的處理電路對兩路脈沖信號進行相位比較和判別，剔除干擾信號，而對正常的流量信號進行計數處理。流量計中的微處理器按照氣態方程進行溫壓補償，并自動進行壓縮因子修正。

通過流量計測得標準狀態下的瓦斯體積，根據標準狀態下的瓦斯密度計算出質量。

（3）熱式質量流量計。熱式質量流量計的工作原理：在一根小口徑薄壁測量管的外壁上，對稱繞制兩個具有較高溫度系數的電阻線圈，并與另外兩個電阻組成一直流電橋。電阻線圈既是加熱元件又是測溫元件。當無氣體通過時，上下游電阻絲溫差為零，當有氣體流過時，上游溫度下降，下游溫度上升，產生溫差。溫差的存在使得上下游電阻絲產生一電阻差，從而達到計量。

眾所周知，在相同的溫度和壓力下，1mol不同氣體占用相同的體積。在標準狀態下（壓力為1atm和溫度為0℃）任何1mol氣體都占有體積V0=22.41L。摩爾量為M的m克氣體占有標準體積V=mV0M,而質量流量qm=m/t，所以

傳感器輸出信號與氣體摩爾熱容和標準體積流量的乘積成正比。當氣體摩爾熱容恒定時，輸出信號與氣體標準體積流量成正比。

理想氣體的比熱容和摩爾熱容不隨溫度、壓力而變化，實際氣體的比熱容和摩爾熱容受溫度、壓力的影響，但變化比較小。不同氣體的比熱容和摩爾熱容不相同。

（4）科氏質量流量計。流體在振管中流動時能產生于流體質量流量成正比的科里奧利力。質量流量計以科氏力為基礎，在傳感器內部有兩根平行的U型振管，中部裝有驅動線圈，兩端裝有拾振線圈，變送器提供的激勵電壓加到驅動線圈上時，振動管作往復周期振動，介質流經傳感器的振動管，就會在振管上產生科氏力效應，使兩根振管扭轉振動，安裝在振管兩端的拾振線圈將產生相位不同的兩組信號，這兩個信號差與流經傳感器的流體質量流量成比例關系。計算機解算出流經振管的質量流量。不同的介質流經傳感器時，振管的主振頻率不同，據此解算出介質密度。安裝在傳感器器振管上的鉑電阻可間接測量介質的溫度當速度為零時，U型管只有上下振動而不受科里奧利力的作用。當有流體通過U型管時，U型檢測管在上下振動時將受到科里奧利力的作用。由于U型管的兩臂中流動方向相反，受到科里奧利力的方向也相反，形成了一對力矩T作用，使U型管產生扭轉角。

即質量流量與檢測管扭轉角θ成正比。在U型管兩側的振動中心設置傳感器A和傳感器B，則傳感器A和B檢測到的信號將存在一相位差△φ，在時間域內存在一時間差△t，顯然，這時間差△t與扭轉角θ成正比。因為檢測管在振動中心位置時垂直方向的線速度為Lω，所以時間差△t=2Rθ/Lω，得

由式（4）可以看出，只要測出兩傳感器A和B的信號時間差△t（也就是相位差△φ），就可以測得質量流量qm，而與流體的物性參數和測試條件無關。

通過上述的幾種測量方法，可以看出節流裝置、渦街流量計、旋進式流量計所測流量均為標況體積流量，然后根據瓦斯的標況密度計算出瓦斯的質量，瓦斯標況密度均為常數。然而通過長時間的觀察和計算，我廠的瓦斯組份變化復雜且頻繁，致使瓦斯的標況密度并非一成不變，其變化范圍可達0.1554~2.0321kg/Nm3。這時，如果仍然將流體標準狀態密度當作常數來處理，最大測量誤差就將達百分之幾十。不同組份的氣體其摩爾熱容和傳熱系數不同，當組份變化較大時，因摩爾熱容和傳熱系數的變化，因此選用熱式質量流量計也會對流量測量帶來較大的誤差。

3 結語

瓦斯系統選用科氏力質量流量計，科氏質量流量計測量不受介質密度組份變化的影響，直接用質量流量平衡數據，避免了密度變化帶來的誤差。適合我單位組份變化復雜的瓦斯計量，并且在測量質量的同時，科氏質量流量計還可以測量介質的密度，間接測量介質的溫度，亦可作為瓦斯系統的能耗核算的參考。

目前在我廠瓦斯系統中已逐步應用為科氏質量流量計，已經更換科氏質量流量計11臺，科氏質量流量計在我廠瓦斯系統中的應用仍處于摸索階段，就目前的瓦斯能耗核算來看科氏質量流量計測量變組分瓦斯質量相對于節流裝置、旋進式流量計、熱式質量流量計等較為準確，且科氏質量流量計的日常維護量也明顯少于節流裝置、渦街流量計等。

[1]紀綱.流量測量儀表應用技巧(第二版)[M].北京：北京工業出版社，2009.

[2]袁慶青.瓦斯質量流量及其密度測量[J].化工自動化及儀表，1994.

[3]蔡武昌，孫淮清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：北京化學工業出版社，2001.