變組分氣體質量流量計的應用與現場驗證

宋文其，紀波峰，紀綱

(1． 揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 210048；2． 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

石化等行業的干氣，交接點處質量流量往往達到每小時幾十噸，對其進行準確計量具有重要意義。但其組分每時每刻都是在變化的，不能采用恒定組分氣體質量流量的測量方法，例如帶溫壓補償的標準孔板流量計或渦街流量計[1]。科里奧利質量流量計準確度可達到±0.5%[2]，但是價格較高，尤其是管徑較大規格的價格更高，而且在流體靜壓很低時也不宜選用。某公司研發的FVC型渦街-差壓變組分氣體質量流量計(以下簡稱FVC流量計)，解決了該難題。

FVC流量計，采用渦街流量傳感器測量傳感器出口處的工況條件下的體積流量，用旋渦發生體前后差壓，計算流量計出口側的氣體密度，經計算得到質量流量。該方法不僅簡單可靠，可測流速范圍大，而且準確度高。

1 FVC流量計工作原理

1.1 儀表結構

FVC流量計由傳感器和流量計算機(二次表)組成。其中，傳感器由DY型渦街流量傳感器和測量旋渦發生體前后差壓的智能差壓變送器兩部分組成。差壓變送器具有HART通信功能。

1.2 基本關系式

傳感器出口側工況條件下的體積流量qVf[3]計算，如式(1)所示：

qVf=3.6f/Kf

(1)

式中：f——渦街流量傳感器輸出頻率，l/s；Kf——工況條件下流量系數，1/L。

旋渦發生體前后的差壓與發生體出口處的流體密度成正比[4]，計算如式(2)所示：

(2)

式中： Δp——旋渦發生體前后的差壓，Pa；k——系數，由實流標定得到，純數；vf——工況條件下測量管內氣體流速，m/s；ρf——工況條件下流體密度，kg/m3。

將式(2)整理可得式(3)：

(3)

從定義可導出測量管內氣體流速與體積流量的關系[3]，如式(4)所示：

vf=qVf/A

(4)

式中：A——測量管流通截面積，m2。

將式(1)代入式(4)得式(5)：

(5)

將式(5)代入式(3)并整理得式(6)：

(6)

將式(1)與式(6)相乘就得質量流量qm，如式(7)所示：

(7)

1.3 非線性校正

從式(7)可看出，qm和Δp之間以及qm與f之間都是線性關系，這對提高系統準確度是有益的，如果Kf和k都真正是一個常數，則系統準確度就可達到很高，但是Kf和k并不是理想的常數。實驗表明，式(1)中的Kf要受到流過測量管的流體雷諾數ReD影響，如果不對這種影響進行校正，則渦街流量傳感器只能達到0.75%～1.0%的線性度[3-5]。因此，FVC流量計配有流量計算機，可在計算機中按照經驗模型進行校正。

在式(3)和式(7)中，k的非線性主要是受氣體的可膨脹性影響。因為氣體流過旋渦發生體時，在發生體前后產生的Δp是變化的，所以會產生永久性壓損，傳感器出口處的流體靜壓p2必然比進口處靜壓p1要低一些，該處流體靜壓的降低導致氣體膨脹，從而引起k隨著v的增大而有些許增大，增大的幅值與氣體的等熵指數κ以及壓損比Δp/p1有關，此項補償也在流量計算機中按照經驗公式進行補償[6-8]。其中，Δp由差壓變送器測得，p1是流量計算機采用HART通信的方法從差壓變送器中獲取。

上述的兩項補償所依據的模型要做到100%是困難的，殘存的瑕疵都會引起流量測量誤差，因此流量計在出廠前還有一個實流校準工序，可將校準暴露出來的誤差用10段折線法進行恰到好處的修正，從而使整機±0.5%MV的準確度得到保證[9]。

1.4 信號傳送方法

流量傳感器、變送器與流量計算機之間傳送信號，如果采用模擬信號傳送方式，則會損失大約0.1%FS的精度；如果采用數字通信的方法傳送，則完全不損失精度；采用頻率信號傳送，也不損失精度。FVC流量計采用HART通信的方法傳送差壓信號，采用脈沖計數的方法接受渦街傳感器送出的代表流速的脈沖信號，從而做到完全不損失精度[10]。

2 FVC流量計主要技術指標

FVC流量計性能優良，主要技術指標包括： 工作壓力不大于6.4 MPa，允許傳感器在微靜壓管道中使用；最高流速為80 m/s；量程比范圍為1∶10～1∶20，與工況條件下的氣體密度有關；最大允許誤差為讀數值的±0.5%；傳感器允許振動為2g；傳感器防爆等級為ExdⅡCT6或本安。

3 設計與計算

FVC流量計設計的主要難點是公稱通徑的選擇。因為儀表通徑選的太大，不僅使投資顯著增加，而且使可測最小流量顯著增大，不利于小流量的測量；如果儀表通徑選得太小，則在最大流量條件下，流過流量傳感器的氣體流速就有可能大于允許的上限流速，從而使誤差陡然增大。

通常情況下，對于采用橫河DY型渦街流量傳感器作為流速測量部件的FVC流量計，因其最高流速允許達到80 m/s，其公稱通徑可比工藝管道公稱通徑小1～3檔。以干氣測量為對象，舉例說明計算方法。工藝管道為DN400，標準狀況下最大流量為2.7×104m3/h，溫度為20 ℃，表壓為0.4 MPa，最低表壓為0.25 MPa，該流量計安裝在用氣方，出現最大流量時，儀表安裝處出現最低壓力，所以，FVC流量計工況條件下的最大體積流量qVfmax計算以qVnmax，t和pmin為條件。令壓縮系數Z=1，計算如式(8)所示：

7 787(m3/h)

(8)

式中：qVfmax——工況條件下最大體積流量，m3/h；pn——標準狀態下絕對壓力，0.101 325 MPa；pmin——最小絕對壓力，MPa；t——流體溫度，℃；qVnmax——標準狀況下最大體積流量，m3/h。

計算流速為80 m/s條件下對應的測量管內徑，如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

顯然，選用DN200儀表是合適的。在該實例中，渦街流量傳感器的公稱通徑比工藝管道公稱通徑小3檔。

另外，對于過程壓力較低的測量對象，壓力損失也是需要關注的。在該案例中，標準狀態下氣體密度值為0.72 kg/m3；在p=pmin時，ρf=2.496 kg/m3；k值為1.08，最高流速以80 m/s計，則按式(2)計算可得： Δp=17.25(kPa)。考慮氣體流出流量傳感器后，靜壓會有一定程度的恢復，所以永久壓降應小于17.25 kPa。

4 計量檢定

FVC流量計在安裝投運前，一般都要進行計量檢定，所依據的是氣體質量流量計計量檢定規程，檢定的工況參數應盡量與實際使用的條件接近。檢定的目的一是滿足計量管理的需要，二是驗證制造廠出廠校驗(校準)結果。流體密度在一定范圍內變化，質量流量示值不應超出誤差范圍。

由于FVC流量計具有流體可膨脹性自動補償功能，而補償幅值又與流過傳感器的氣體κ以及Δp/p1有關[8-9]，所以檢定時應將流量計算機菜單中相應項目按實際情況予以設定。例如在空氣流量標準裝置上檢定，常用表壓為0.6 MPa，則可將菜單中的κ值設定為1.4，檢定完畢再將κ值恢復到出廠設置。

實際使用時，p1實際值是FVC流量計中流量計算機通過HART通信的方法從差壓變送器中讀取的，而流量計算機中的“手動設定壓力”作為后備冗余，也是必不可少的。

由于每一套氣體流量標準裝置都有誤差，而且檢定時的工況條件與出廠校驗時也會有差異，故檢定得到的誤差數據與出廠校驗結果會有差異，但最終結果不能超出誤差范圍。

5 安裝與調試

5.1 安裝方式

FVC流量計的傳感器主要由橫河的DY型渦街流量傳感器和EJA110型差壓變送器組成，而這兩種儀表均具有良好的耐振性，所以允許安裝管道有輕度振動，振動加速度為2g時不影響正常測量。

FVC流量計最好安裝在水平管道上，差壓變送器置于水平管道的上方。這時，流體中即使含有懸浮在氣體中的微小液滴，也不會引起導壓管堵塞而影響正常測量。

儀表安裝完畢，就可對差壓變送器校零，然后開表投運。讀出流量計算機原始數據畫面中的來自渦街流量傳感器的脈沖頻率，除以Kf得工況條件下的體積流量，二次表顯示的體積流量值應與計算值相同，顯示的差壓值應與差壓變送器液晶表頭顯示的差壓值也相同。

5.2 調試方法

用戶最關心的問題是質量流量示值的準確度。根據qm=ρfqVf，其中qVf在上文中已驗證其準確度，則只需判斷ρf的準確度即可驗證流量示值的準確性。

驗證ρf示值的準確度，簡單易行的方法是對當前的混合氣進行取樣分析，然后按式(11)計算混合氣標準狀態密度，再根據取樣時的氣體溫度和壓力按式(12)計算ρf并進行比對[11]。

ρn=φ1ρ1+φ2ρ2+…+φm-1ρm-1+φmρm

(11)

式中：ρn——標準狀態混合氣體密度，kg/m3；φ1， …，φm——各組分的體積分數；ρ1， …，ρm——標準狀態下各組分密度，kg/m3。

工況條件下混合氣體理論密度ρf在忽略壓縮系數影響后[9]為

(12)

式中：pf——工況條件下渦街流量傳感器出口絕對壓力，MPa；Tn——標準狀態熱力學溫度，K；Tf——工況條件下流體熱力學溫度，K。

6 結束語

采用變組分氣體質量流量計，優勢有如下幾方面：

1)針對變組分氣體其組分每時每刻都是變化的，采用FVC氣體質量流量計測量，方法簡單可靠，從而解決了變組分氣體質量流量測量的難題。

2)由于渦街流量傳感器量程比大，從而使FVC流量計也具有較大的量程比，而且在微靜壓對象中也能正常測量。

3)測量管內流體ReD對渦街流量傳感器的流量系數線性度有一定影響，氣體的可膨脹性也會引起流量測量誤差。在流量計算機中對這兩種影響均按數學模型進行補償，并在出廠前的實流校準中，用10段折線法進行適當地修正，從而使±0.5%MV的準確度得到保證。

4)渦街流量傳感器測量管內氣體流速，最高允許80 m/s，設計選型時，一般可將儀表的公稱通徑縮小1～3檔(按上限流速選定)，從而節省投資。

5)由于FVC流量傳感器耐振性能良好，所以安裝現場有輕度振動也不影響正常測量，而且只要正確安裝，氣體帶有微量液滴，也不影響正常測量。