大量程比的流量測量問題

遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司 遼寧省阜新市 123000

摘要：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會碰到大量程比流量測量的問題，受管道口徑，使用溫度和壓力等工藝參數(shù)的影響，這時流量計的選型會有困難，本文比較了幾種大量程比流量計的特點和應用場合，主要介紹了國內(nèi)某大型項目中采用孔板配置雙變送器分段測大量程比流量的方法。

關鍵詞：大量程比；流量計；孔板；雙變送器

量程比是最大測量范圍和最小測量范圍之比。通常情況下工藝專業(yè)是按最小流量是正常流量的一半，最大流量是正常流量的1.2-1.5倍來考慮，這種提法主要是考慮正常生產(chǎn)階段，以測量正常生產(chǎn)流量為主要目的，在這種情況下，我們選擇流量計的量程比在3：1～4：1之間，選擇的余地較大，僅從量程比來考慮的話，幾乎所有的流量計都可以測量。但是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會碰到大量程比的流量測量問題，比如需要考慮到開車時的工況，并且開車時的流量需要準確測量時，因為開車時的流量都較小，需要測量的量程比就比較大，一般可到10：1或者10：1以上。最常用的標準孔板，文丘里管等都達不到這樣的測量要求

一、差壓法測流量原理

充滿管道的流體在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時，流束將在節(jié)流處收縮，使流速增加，靜壓降低，在孔板前后產(chǎn)生了靜壓差。流體的流速越大，壓差也越大，根據(jù)差壓與流量之間的這種關系，可以用孔板來測量流體的流量。

根據(jù)標準ISO5167-1和GB/T2624-93的規(guī)定，流體流量與差壓的關系由下式確定：

從公式中可知，流量與流出系數(shù)C，開孔比，膨脹系數(shù)，差壓，密度等量有關，差壓類流量計的量程比也和這些參數(shù)有關

ReD為管道雷諾數(shù)

由上述公式可知，在孔板的開孔值確定的前提下，影響流量的參數(shù)有流出系數(shù)、膨脹系數(shù)、密度、差壓值。

1、與流體的壓縮性能有關，對于不可壓縮流體， =1，對低速氣體，可以近似認為≈1，但當氣體馬赫數(shù)Ma大于0.3時，必須要考慮流體的壓縮性，可由相關圖查取；

2、在使用差壓計時，通常都認為流量系數(shù)C是不變的。其實，C不變，是有一定條件的，即當流體的雷諾數(shù)Re大于一個臨界值時，C不變，否則，C會隨Re的減小而增加，這樣，就帶來了計算誤差，即未能考慮實際Re下的C。Ca除與Re有關外，還與開孔比有關。

3、差壓值與流量關系為平方關系，當流量發(fā)生變化時差壓將以平方的關系發(fā)生相應變化。這里因為差壓和流量的平方成比例，流量比低于30%時，精度就不能保證，另外，流量低于30%時，雷諾數(shù)往往低于界限雷諾數(shù)，流量系數(shù)C不是常數(shù)，造成流量測量不準。

由以上的分析我們就可以看出，當所測量最小流量為最大流量的1/10時，差壓值就只有刻度差壓值的1/100，在此時差壓變送器所測得的差壓值已經(jīng)很小了，小流量下誤差會放大幾倍甚至十幾倍，這也是差壓變送器為什么要做小信號切除的原因。這時，單純地用差壓流量計要準確測量已經(jīng)很困難。

二、測大量程比流量的流量儀表

測量大量程比的流量，規(guī)范中羅列了以下這幾種可供選擇選用流量儀表，下面分別介紹各自的特點和應用場合：

1.渦街流量計：規(guī)范中對量程比沒有要求，可以測量大量程比的流量，但一些廠家對量程比做了限制，一般為10：1.但可能會出現(xiàn)為滿足最小流量下的流速要求，需要進行縮頸處理，可能會導致最大流量下流量計的壓損過大，不滿足工藝的要求，另外，渦街流量計一般適用于300℃以下的干凈介質(zhì)測量。

2.容積式流量計：量程比可達到10：1，但結(jié)構笨重，安裝復雜，很少應用于大管道的流量測量中。

3.楔形流量計，量程比可達到10：1。主要特點：雷諾數(shù)下限低，應用范圍廣，穩(wěn)定性好。一般用于粘稠介質(zhì)和含少量固體的液體流量測量。

4.電磁流量計：量程比可達100：1，選擇時需要計算電磁流量計的口徑以保證腔體內(nèi)的流速在可測范圍即可。但是它只能測量滿足一定導電率的液體和固液兩項介質(zhì)。

5.靶式流量計：量程比不大于10：1。適用于粘度 較 高，含少量固體顆粒的液體流量測量。當要求精確度不優(yōu)于1 .00 %。

6.轉(zhuǎn)子流量計：量程比可達到10：1，但是精度不高，需要安裝在垂直管道上，使用溫度不超過300℃。

三、應用實例

在測量大量程比流量時可以在合適的條件下采用以上流量儀表。但上述儀表在使用時受限制條件較多，下面結(jié)合實際工程項目中的流量計選型，介紹孔板配合雙變送器測在大量程比流量測量時的應用。

某項目一臺測量原料氣的流量計的工藝參數(shù)如下：

介質(zhì)為蒸汽

刻度流量67000kg/h；

最大流量65688kg/h；

正常流量57120 kg/h；

最小流量：5712 kg/h；

操作溫度297℃，設計溫度490℃；

操作壓力2.96MPa（G）；設計壓力3.6MPa（G）

管道口徑為DN300。

因為管道口徑較大，首選差壓類流量計，但該工況量程比達到了12：1，如果只是顯示和調(diào)節(jié)功能，可以考慮采用差壓類流量計，用小信號切除法切除誤差較大的小流量信號，但是該流量參與甲烷化裝置的安全聯(lián)鎖，要求從最小流量到最大流量都需要較精確地測量。顯然，如此量程比的測量首選能夠測量大量程比流量的流量計，但是本文前面所列出的幾種流量計從介質(zhì)，溫度，管徑選擇等方面均不能滿足測量要求，只能采用差壓式流量。但量程比太大，采用常規(guī)的一臺孔板配置一臺變送器的方法，不僅小流量下誤差會放大幾倍甚至十幾倍，還會出現(xiàn)根本測不到流量的情況。

經(jīng)過以上分析，該工況條件下一臺變送器無法滿足測量要求，該流量測量我們采用了多孔孔板配備雙變送器的測量方法，采用兩臺變送器分段測量的方法進行實現(xiàn)。

雙變送器測量在整個量程范圍內(nèi)分作兩段，兩段的測量上變送器都能夠在流量計合適的量程比范圍內(nèi)進行工作，兩臺變送器的測量信號在控制系統(tǒng)上實現(xiàn)無縫切換，這樣就實現(xiàn)了整個測量范圍內(nèi)的準確測量。

將整個流量范圍分成兩個流量區(qū)間段：5712-20000 kg/h，17500～67000 kg/h。

（1）量程：0～10KPa，根據(jù)計算結(jié)果選差壓范圍為：0～1.76 KPa，對應流量輸出為：0～20000 kg/h；變送器輸出標記為EF1-1。

（2）量程：0～40KPa，根據(jù)計算結(jié)果選差壓范圍為：0～26.0KPa，對應流量輸出為：17500～67000 kg/h；變送器輸出標記為EF1-2

在 DCS內(nèi)對這二路信號做下述組態(tài)：

分別將大量程變送器及小量程變送器測量信號引入DCS系統(tǒng)，通過上位機編程實現(xiàn)大、小量程切換，完成流量監(jiān)測及累計。自動切換可利用小量程變送器的上限電流值作為判斷條件：在DCS系統(tǒng)中取EF1-1、EF1-2兩點輸出流量顯示，把兩變送器信號分別接入DCS系統(tǒng)中的EF1-1、EF1-2兩點。

以小量程變送器的輸入信號為切換點，EF1-1為4～20mA信號，對應的測量范圍為 0～20000 kg/h；當檢測到小量程變送器輸入信號≤20mA時，在EF1-1點顯示小量程變送器的測量流量，大量程變送器流量指示屏蔽

當檢測到小量程變送器輸入信號>20mA時，切換到大量程變送器，EF1-2為4～20mA信號，對應的測量范圍為 17500～67000 kg/h，在EF1-2點顯示大量程變送器的測量流量，小量程變送器流量指示屏蔽。

四、總結(jié)

以上量程的切換在DCS中完全可以實現(xiàn)，并且在大部分DCS廠家都有實現(xiàn)該功能的集成模塊。需要注意的是，為了使兩臺變送器的流量顯示可以實現(xiàn)無縫切換，在選取切換點時除了要考慮節(jié)流元件本身的量程比之外，還要保證小量程范圍內(nèi)的最大流量要大于達兩成范圍內(nèi)的最小流量值，使得兩個量程范圍有一個交集，個人認為在量程比滿足的范圍內(nèi)這個交集可以取得大一點，因為這樣大量程變送器在小信號切除時留的余地更大，可以減少大量程變送器所對應小流量下該段測量精度的影響。

參考文獻：

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