孔板測氣體及蒸汽流量溫壓補償方案探討

李文忠

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島 266500）

0 引言

煉化企業生產中廣泛采用節流式差壓流量計來測量氣體及蒸汽介質流量，其基本流量方程式為：

式中 qm——被測介質實際操作條件下的質量流量

qv——表示被測介質實際操作條件下的體積流量

α——流量系數

ε——膨脹系數

d——節流元件開孔直徑

ΔP——節流元件前后差壓

ρ——被測介質實際操作條件下的密度。從上式可以看出，差壓式流量計測量出的流量大小與節流元件前后差壓及被測介質的密度相關。

由于氣體及蒸汽介質的密度受溫度、壓力參數變化的影響很大，實際操作時氣體及蒸汽介質的溫度、壓力與設計條件下的數據有時會有較大偏差。因此，為提高節流式差壓流量計測量精度，需要對氣體及蒸汽介質流量測量進行相應的溫度壓力補償運算。

1 部分DCS 廠家提供的流量計溫度、壓力補償運算方案

部分DCS 廠家提供的實用節流式差壓流量計溫度、壓力補償運算方案如下：

式中Fi——檢測流量；

F0——溫壓補償后的流量；

p——實測介質壓力，kPa

ps——設計介質壓力，kPa

t——實測介質溫度，℃

ts——設計介質溫度，℃

式（1）可簡化為F0=Fi。其中，Fi為檢測流量，F0為溫壓補償后的流量，P 為實測介質絕對壓力，Ps為設計介質絕對壓力，T為實測介質絕對溫度，Ts為設計介質絕對溫度。

DCS 廠家資料說明中，明確了該溫度、壓力補償公式適用于氣體和蒸汽介質。

通常氣體介質的節流元件計算中采用的是標準狀況體積流量單位為“Nm3/h”，蒸汽介質采用的是質量流量單位“kg/h”。如果采用上述同一個溫壓補償運算公式，是否存在密度運算偏差？對于氣體介質和蒸汽介質，正確的溫壓補償公式應該如何確定？

2 節流式差壓流量計測量氣體介質流量

工程設計中通常把氣體介質當做理想氣體進行節流裝置計算選型，流量單位選擇標準狀況：

體積流量“Nm3/h”（0 ℃，0.101 325 MPa）。

2.1 氣體介質的標準密度轉換為設計條件下的操作密度

理想氣體狀態方程式為PV=nRT，根據該方程式推導得出設計條件密度ρs與標準狀況密度ρn運算關系為。其中，n 指標準狀況下的變量參數，s 指設計條件下的變量參數。

2.2 流量的計算（流量單位為“m3/h”）

（1）設計條件下，體積流量運算關系為qs=qn×，體積流量測量運算關系為qs=αε×。因此，設計條件下轉換成標準狀況下的體積流量測量運算關系式：

2.3 氣體介質溫度壓力補償運算公式

將上式與DCS 廠家給出的溫度壓力補償公式進行對比，可以明確：①廠家給出的溫度壓力補償公式用于氣體介質溫度壓力補償運算時是有嚴格條件限制的，即只能用于節流裝置計算時流量單位采用標準體積流量的情況；②如果節流裝置計算時流量單位采用體積流量則需要根據式進行溫度壓力補償運算。

3 節流式差壓流量計測量蒸汽介質流量及補償運算

工程設計中蒸汽介質分為兩種，即飽和蒸汽和過熱蒸汽，節流裝置計算選型時流量單位選擇質量流量“kg/h”。

3.1 飽和蒸汽流量測量及補償運算

飽和蒸汽的密度與壓力或溫度之間是單值函數關系，即通過壓力或溫度查飽和蒸汽熱力學參數表得出的密度數據是一致的。由于飽和蒸汽的物理性質與理想氣體差別很大，因此不能采用通用的氣體介質溫壓補償公式，飽和蒸汽流量測量公式如下：

由于壓力變送器測量精度優于溫度傳感器，因此實際應用中常采用壓力變送器方案對密度進行修正和補償運算（表1）。

表1 飽和水蒸汽密度與壓力的對應關系

正常運行過程中，由于飽和蒸汽的實際操作工況已基本穩定，應根據實際的操作工況和確定的節流元件孔徑數據對節流元件進行應用計算，反算并修正對應實際操作工況的差壓變送器量程，并根據實際操作工況對照選擇不同壓力范圍下密度與壓力的計算公式代入，即可對飽和蒸汽流量進行相對準確的補償運算。

3.2 過熱蒸汽流量測量及補償運算

過熱蒸汽的密度受壓力和溫度兩個自變量共同影響，實際操作條件與設計條件偏差較小的前提下，實際應用中可以簡單地把過熱蒸汽看做近似理想氣體，因此可按照氣體介質質量流量公式進行溫度壓力補償運算。

上式與DCS 廠家給出的溫度壓力補償公式進行對比，可以明確：廠家給出的溫度壓力補償公式可以用于過熱蒸汽流量的簡單溫度壓力補償運算，單位選擇質量流量。

正常運行過程中，由于過熱蒸汽的實際操作工況已基本穩定，應根據實際的操作工況和確定的節流元件孔徑數據對節流元件進行應用計算，反算并修正對應實際操作工況的差壓變送器量程，然后再進行相對準確的溫度壓力補償運算。

4 結束語

通過對氣體、飽和蒸汽、過熱蒸汽差壓式流量計溫度壓力補償運算的推導和梳理，明確了部分DCS 廠家提供的通用溫度壓力補償運算公式中的流量單位及適用范圍，并給出不適用于通用溫度壓力補償運算公式的飽和蒸汽介質流量的補償運算公式。通過正確選擇溫度壓力補償公式和流量單位，將提高差壓式流量計的測量準確度、減小測量偏差。