測量氫氣的流量計選擇與計量誤差分析

伽曉煒(中國石油化工股份有限公司荊門分公司，湖北 荊門 448000)

0 引言

氫氣具有能量密度高、熱轉(zhuǎn)化效率高、無污染，故氫能的發(fā)展前景十分光明，受到了各行各業(yè)的廣泛關注和應用，例如用于高能燃料、石化工業(yè)原料、冶金工業(yè)還原劑及金屬高溫加工中的保護氣等。氫氣既是石油煉制和石油化工的副產(chǎn)品，又是石油煉制和石油化工加氫工藝過程的重要原料資源。當前重質(zhì)原油、高含硫原油對石油煉化公司的渣油加氫及加氫裂化的裝置處理能力不斷提高，在油品市場對質(zhì)量的不斷升級要求下，進一步推動高耗氫的加氫裝置全面發(fā)展，使得煉化公司對氫氣的需求量和品質(zhì)逐年提升，氫氣的生產(chǎn)管理逐漸成為影響煉油廠效益的主要因素之一[1]。

1 流量計的選擇及計量誤差分析

由于氫氣在元素周期表中分子量最小，密度低，要準確計量就非常不容易。要正確的選擇達到計量要求的流量計，不僅要熟悉各種流量計的結(jié)構(gòu)原理，還應根據(jù)實際使用情況考慮以下幾個方面：流量計的性能、測量介質(zhì)的特性、現(xiàn)場安裝要求、環(huán)境因素、流量計的價格。才能選取合適的流量計進行氫氣計量。

1.1 節(jié)流式流量計

節(jié)流式流量計是一種典型的差壓式流量計，是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來測量氣體、液體和蒸氣流量的最常用的一種流量儀表[2]。由安裝在管道中的節(jié)流件和測量差壓并顯示流量的差壓變送器組成。優(yōu)點在于：(1)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，工作可靠，成本低，能滿足工程測量的需要。(2)使用歷史長，有豐富的、可靠的實驗數(shù)據(jù)，設計加工標準化，不需要進行實際標定，也能在已知的不確定的范圍內(nèi)進行流量測量[3]。

以節(jié)流式流量計應用最廣泛的標準件—標準孔板為例，在設計計算時，需要提供測量介質(zhì)氫氣的工況壓力、工況溫度、最大流量、最小流量、常用流量、介質(zhì)粘度值、密度值等參數(shù)，而實際工況與設計工況發(fā)生變化，一般做法是進行溫度壓力補償進行校正。氣體節(jié)流式流量計補償公式：

式中：V實為實際工況的介質(zhì)標況體積流量(Nm3/h)；V設為設計工況的介質(zhì)標況體積流量(Nm3/h)；ρ實為設計工況的介質(zhì)密度(kg/m3)；ρ設為設計工況的介質(zhì)密度(kg/m3)；P實為實際工況的介質(zhì)絕對壓力(MPa)；P設為設計工況的介質(zhì)絕對壓力(MPa)；T實為實際工況的介質(zhì)溫度(K)；T設為設計工況的介質(zhì)溫度(K)。

由(1)式得，實際測量必須對測量流量值進行溫度壓力補償，否則直接影響節(jié)流式流量計的準確性。

但即便經(jīng)過溫度壓力補償后的流量值，其應用也不理想，主要表現(xiàn)在：(1)量程比小，測量準確度不高，一般為3%。(2)節(jié)流件在設計計算時介質(zhì)參數(shù)是固定值，在實際使用的介質(zhì)參數(shù)卻因與設計值不同，而形成較大的差異，數(shù)據(jù)可信度不高。(3)在被測氣體組份發(fā)生變化，實際密度偏離設計密度，而產(chǎn)生流量測量誤差。

上述因素都直接影響到流量計的準確性，實際應用是達不到計量精度要求的。

1.2 速度式流量計

速度式流量計是基于與流體流速有關的各種物理現(xiàn)象，儀表的輸出與流速有確定的關系，即可知流體的體積流量。常用氣體計量的流量計有：渦輪流量計、漩渦流量計、旋進式渦輪流量計、旋進式漩渦流量計、超聲波流量計等。渦輪流量計因有機械轉(zhuǎn)動部件，且渦輪轉(zhuǎn)速高，維修量大而應用逐漸減少。漩渦流量計也因為介質(zhì)組份、溫度和壓力補償?shù)鹊纫蛩赜绊懀瑧眯Ч膊焕硐耄錅y量精度也基本不能滿足計量的要求。

旋進式漩渦流量計和旋進式渦輪流量計具有信號強、低流速特性好的優(yōu)勢，測量氫氣工況流量的同時還能測量工況溫度和壓力，直接采集溫度和壓力信號，在流量計內(nèi)進行溫度壓力補償轉(zhuǎn)換為標況流量。相關數(shù)據(jù)不僅可就地指示還能通過(4～20)mA 模擬信號和RS485 通訊到DCS 機柜室進行顯示和積算。在量程范圍的20%～80%可以正常工作，但在實際使用中還是有很多因素制約著流量計的準確度，如流量計是用壓縮空氣進行的檢定，用于溫度壓力補償測量的傳感器的檢定則被忽視，使用中的雜質(zhì)和含水的影響，低流量的小信號切除等問題，高流量下的共振問題等，都使無故障運行周期得不到保障，最終應用效果也不理想。

超聲波流量計因氫氣密度小的原因，測量精度不能滿足要求而應用較少。

1.3 質(zhì)量流量計

質(zhì)量流量計有直接式和間接式二種，本文只討論科里奧利質(zhì)量流量計。科里奧利質(zhì)量流量計是利用流動的介質(zhì)與振蕩管之間的相互作用而產(chǎn)生的科氏力，使振蕩管出入口安裝的檢測線圈檢測產(chǎn)生的相位差來直接測量質(zhì)量流量的儀表。一般由振動管與轉(zhuǎn)換器組成，振動管(測量管道)是敏感器件，有U 形、Ω形、環(huán)形、直管形及螺旋形等幾種形狀[4]。

質(zhì)量流量計不僅可直接測量通過流量計的介質(zhì)質(zhì)量，還可測量介質(zhì)的密度、溫度，具有測量精度高，受介質(zhì)物性影響小，無上下游直管段的優(yōu)點，輸出信號多樣，在能源、石油化工產(chǎn)業(yè)、化學等行業(yè)的應用越來越廣，不論是氣體還是液體測量，尤其在裝車和貿(mào)易交接提供了非常好的解決方案。

質(zhì)量流量計在測量混合氣的氫氣質(zhì)量時，非氫氣的介質(zhì)所帶來的誤差不容忽視。在氫氣貿(mào)易交接中常以純氫的標況體積數(shù)據(jù)結(jié)算，若由測量的質(zhì)量直接轉(zhuǎn)換為純氫標況體積，將產(chǎn)生超出氣體貿(mào)易交接的質(zhì)量流量計精度的計量誤差，以氫氣/氮氣體積比為例，氫氣體積濃度每降低0.1%，純氫的質(zhì)量比數(shù)據(jù)將降低1.3%，應根據(jù)在線分析數(shù)據(jù)及時修正計量交接修正系數(shù)，減少需方經(jīng)濟損失。

2 應用和建議

2.1 節(jié)流式流量計在實際使用中應關注的事項

(1)定期排空節(jié)流式流量計的膜盒中積液。

(2)標定的差壓值對應的流量量程與積算量程設置是否一致。

(3)定期修正因氫氣組份變化對工況密度的造成的影響。

2.2 速度式流量計

旋進式漩渦流量計和旋進式渦輪流量計在離線標定的同時，對溫度和壓力變送器進行檢定校準，并將修正值輸入積算放大器中。因氫氣質(zhì)量小，需合理設置零點切除值，避免無流量有干擾小流量和切除值過大而小流量缺失計量的發(fā)生。增加現(xiàn)場維護，定期對機械運轉(zhuǎn)軸承加油，減小渦輪始動的系統(tǒng)誤差。

2.3 質(zhì)量流量計

在實際應用中，必須及時零點標定操作，以消除環(huán)境溫度變化和安裝產(chǎn)生的管線應力，消除零點漂移。另外還需要定期計量比對核查，計量數(shù)據(jù)偏小就要考慮旁路閥內(nèi)漏的影響，其必須研磨打壓測試閥門的密封性直至更換。貿(mào)易交接的氫氣質(zhì)量流量計，應根據(jù)在線或離線氣體分析儀測量的體積百分比和組成，折算純氫質(zhì)量比進行修正，再換算成標況體積進行貿(mào)易計量結(jié)算。

3 結(jié)語

氫氣計量在實際使用中，應根據(jù)對計量精度的要求，本著經(jīng)濟合理的原則，選用流量計，對裝置內(nèi)部物料供需的企業(yè)內(nèi)部計量，可采用一體化溫度壓力補償?shù)臉藴蕠娮炝髁坑嫞F(xiàn)場分析氫氣組成，定期修正密度系數(shù)，降低計量誤差；對貿(mào)易交接計量的氫氣流量計，首選羅斯蒙特質(zhì)量流量計，并結(jié)合在線分析儀表測量的氫氣純度比，修正交接系數(shù)，減少計量交接損失。