渦街流量計氣體測量誤差的分析與修正

蔣瑞 祁維軍 楊一仁 季安順 曹文強

作者簡介：蔣瑞（1974-），高級工程師，從事自動化儀表、DCS、PLC系統(tǒng)的應(yīng)用和技術(shù)管理工作。

通訊作者：祁維軍（1986-），工程師，從事自動化儀表維護和技術(shù)管理工作，xuefei759@163.com。

引用本文：蔣瑞，祁維軍，楊一仁，等.渦街流量計氣體測量誤差的分析與修正[J].化工自動化儀表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 青海云天化國際化肥有限公司高壓天然氣流量計FT2005自投用以來，一直存在較大偏差，針對這一現(xiàn)狀，基于儀表設(shè)計參數(shù)和實際運行參數(shù)的對比，分析產(chǎn)生偏差的原因；從運行工況下儀表量程轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的確定，推算出該工況的補償系數(shù)（或流量系數(shù)）；從工況的補償計算等方面提出渦街流量計偏差修正措施和流量補償方案。實際應(yīng)用表明：這種措施可以有效解決因設(shè)計參數(shù)和實際運行參數(shù)不符引起的渦街流量計測量值偏差問題。

關(guān)鍵詞? 溫壓補償? 渦街流量計? 高壓天然氣? 計量誤差? 流量系數(shù)? 修正系數(shù)? 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換? 參數(shù)設(shè)定

中圖分類號? TH814? ? ? 文獻標志碼? B? ? ? 文章編號? 1000-3932（2023）06-0000-00

青海云天化國際化肥有限公司（以下簡稱青海云天化）是一家以天然氣為原料的化肥以及多品種復(fù)合肥生產(chǎn)一體化大型生產(chǎn)企業(yè)，建有年產(chǎn)20萬噸合成氨和40萬噸尿素裝置各兩套，因此天然氣的準確測量和控制是保證生產(chǎn)過程安全運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。目前，青海云天化生產(chǎn)過程的天然氣計量主要以標準孔板為主，其中高壓天然氣的計量儀表FT2005采用橫河渦街DY-200系列流量計（4臺），自投產(chǎn)以來，F(xiàn)T2005一直存在較大測量偏差，在生產(chǎn)負荷較大時，相對誤差在-600～700 kg/h，影響了能源計量工作的有效開展和核算，分析和解決高壓天然氣計量誤差的工作迫在眉睫。因此，筆者分析FT2005渦街流量計在天然氣計量過程產(chǎn)生誤差的原因，提出針對渦街流量計運行參數(shù)設(shè)定、補償系數(shù)的推算等修正措施。

1? 渦街流量計工作原理

在工控領(lǐng)域，流量儀表是應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，其測量原理和計量形式繁多，其中渦街流量計是氣體、液體、蒸汽等工藝介質(zhì)常用的測量方式。

青海云天化的生產(chǎn)裝置區(qū)距天然氣門站較近，共敷設(shè)有PN2.5 MPa和PN10.0 MPa兩條天然氣總管，分別引至兩套天然氣轉(zhuǎn)化裝置區(qū)。在管網(wǎng)壓力較高時，采用高壓天然氣生產(chǎn)，以降低電力消耗。天然氣控制流程如圖1所示。

圖1中的FT2005采用橫河DY-200系列渦街流量計，實現(xiàn)高壓天然氣流量的計量與控制。因渦街流量計測量的是體積流量，要實現(xiàn)質(zhì)量流量的準確測量，除了正確選型、規(guī)范安裝調(diào)試外，還必須充分考慮關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定和溫壓補償措施。據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在流量儀表出現(xiàn)測量不準確的問題中，60%以上來自儀表選型不夠合理或不正確，其余是儀表安裝不規(guī)范、參數(shù)選用不合理造成的，因此流量測量是一種強烈依賴于使用條件的測量儀表，一旦流體條件和狀態(tài)發(fā)生大的變化，就會影響儀表測量的準確性，甚至影響儀表正常使用。

渦街流量計作為體積流量的檢測儀表，是基于流體在充滿管道狀態(tài)，且流體雷諾數(shù)ReD保持在一定范圍（橫河產(chǎn)品ReD=2×104～7×106）的使用條件。渦街流量計產(chǎn)生的頻率信號f與通過測量管道的體積流量qv成線性關(guān)系（即f=qv·Kt，其中，Kt為流量系數(shù)），并且不受介質(zhì)物性的影響，因此這種特性也是渦街流量計在體積流量測量時的一大特點。其測量原理在此不做贅述。

2? FT2005運行參數(shù)的對比與誤差原因分析

根據(jù)渦街流量計的工作原理可知，目前FT2005流量計是以質(zhì)量流量進行計量的，渦街流量計在自身生產(chǎn)質(zhì)量合格的前提下，存在誤差的可能原因有兩個方面：

a. 安裝不規(guī)范，存在流體狀態(tài)的改變，偏離流量計理想工作狀態(tài)過大而產(chǎn)生測量誤差；

b. 流量計選型過程設(shè)計的工藝參數(shù)與實際運行狀態(tài)參數(shù)存在較大偏離，導(dǎo)致儀表設(shè)定參數(shù)和測量過程線性轉(zhuǎn)換關(guān)系不一致帶來誤差。

其中，原因a產(chǎn)生的誤差規(guī)律性不強，基本無法消除，只能通過規(guī)范安裝加以改善，是儀表專業(yè)主要排查和研究的關(guān)鍵所在；而原因b則可以通過重新核算參數(shù)加以修正。工控過程中，常采用DCS等強大的計算功能實現(xiàn)誤差的補償和修正，以實現(xiàn)流量參數(shù)的準確測量。

下面就青海云天化FT2005流量計的設(shè)計參數(shù)和運行參數(shù)進行對比，并進行修正參數(shù)的核算。

FT2005渦街流量計的設(shè)計工況和實際工況基本參數(shù)匯總于表1，其中，以實際組分分析天然氣成分：CH4 99.2%，C2H6 0.11%，N2 0.63%，CO2 0.05%為準；天然氣標況參數(shù)取P0=101.325 kPa、TO=0 ℃、超壓因子FZ=1.0473進行壓縮系數(shù)、標況和工況密度的計算。計算過程參考SY/T 6143—1996《天然氣流量的標準孔板計量方法》進行標況和工況狀態(tài)參數(shù)的計算，在此不作詳細推導(dǎo)。

2.1? FT2005實際工況下流體雷諾數(shù)的核算

已知條件：

a. 介質(zhì)為天然氣，組分CH4 99.2%，C2H6 0.11%，N2 0.63%，CO2 0.05%；

b. 工藝管徑D=203 mm；

c. 設(shè)計狀態(tài)下流體粘度μs=1.2×10-5 Pa·s，其余參數(shù)見表1。

最小量流量時的流體雷諾數(shù)ReDmin的計算式為：

ReDmin===4.76×104? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

最大量流量時的流體雷諾數(shù)ReDmax的計算式為：

ReDmax===1.31×106? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

由上述計算可知，在裝置最大、最小生產(chǎn)負荷條件下，渦街流量計FT2005運行時流體雷諾數(shù)符合其正常工作要求（ReD=2×104～7×106），因此不存在由雷諾數(shù)造成的計量偏差問題。

2.2? FT2005實際工況量程范圍和流量系數(shù)的推算

設(shè)計工況與實際工況工作范圍的推算是核實渦街流量計正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是校正流量計偏差常用的方法之一[1]。

目前，常見的渦街流量計輸出有頻率信號和模擬電流信號兩種，所以檢測單元間的信號轉(zhuǎn)換是渦街流量計必不可少的環(huán)節(jié)。通常有兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程：

a. 通過旋渦發(fā)生體單位體積流體量所產(chǎn)生的旋渦個數(shù)（流量系數(shù)）Kt，與發(fā)生體輸出頻率f的線性轉(zhuǎn)換；

b. 輸出頻率f與測量輸出電流I的線性轉(zhuǎn)換。

渦街流量計設(shè)計狀態(tài)的流量系數(shù)Kdt和量程上限對應(yīng)的最大頻率fmax（Hz）參數(shù)，生產(chǎn)商一般不給用戶開放，所以在用戶實現(xiàn)量程修改、介質(zhì)變更、體積流量與質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換等不同使用場景時，特別是實際工況與設(shè)計工況偏差較大，而渦街流量計自身沒有溫度、壓力補償功能時，需進行設(shè)計工況到實際工況的量程推算，找出正確的量程轉(zhuǎn)換關(guān)系和工況偏差系數(shù)才可進行修正。由于發(fā)生體輸出頻率與測量輸出信號的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系是固有的，相同質(zhì)量的流體在流過發(fā)生體時，若實際工況與設(shè)計工況下修正前、后的滿度體積流量分別為qvdmax和qv max，則它們的體積流量與對應(yīng)密度成反比關(guān)系（qv max/qvd max=/，其中，設(shè)計工況密度），經(jīng)狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換后存在式（3）的關(guān)系，即可求取實際工況滿度體積流量和對應(yīng)流量系數(shù)Kt，實現(xiàn)FT2005設(shè)定參數(shù)的修正。轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示，左圖橫坐標為某一流量對應(yīng)的輸出頻率，具體值生產(chǎn)商未公開，但不影響計算過程的正確性。

具體計算（）如下：

其中，Pd為設(shè)計壓力；Tj為實際過程溫度；Zd為設(shè)計狀況的壓縮系數(shù)；Pj為實際過程壓力；Td為設(shè)計溫度； Zj為實際工況下的壓縮系數(shù)。

設(shè)計工況滿刻度的體積流量：

實際工況滿刻度的體積流量：

實際工況下的流量系數(shù)：

修正后標況滿度體積流量：

2.3? 典型測量點的驗證

依據(jù)修正后的流量轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，修正前、后流量百分數(shù)之比等于修正前后的量程之比。若修正前公司生產(chǎn)負荷示值=18250 kg/h時，則對應(yīng)修正后的體積流量為 ，有：

即：

可得修正后體積流量示值為26 368.4 Nm3/h，修正前后該點對應(yīng)偏差Δe為+705.8 kg/h，與實際運行時生產(chǎn)消耗核算的計量誤差基本吻合。

3? 溫壓補償和儀表參數(shù)的確定

3.1? 溫壓補償方案

根據(jù)渦街流量計的測量原理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程可知，在測量不可壓縮流體或用戶要求輸出為工況體積流量時，渦街流量計是不需要溫壓補償?shù)?，且與介質(zhì)工況狀態(tài)無關(guān)。但在測量氣體標況體積流量或質(zhì)量流量時，由于氣體的可壓縮性因素影響，是需要溫壓補償?shù)?。因為FT2005流量計選型時自身不帶在線溫度壓力補償功能，且以質(zhì)量流量進行計量，為了避免工況變化對測量產(chǎn)生影響，需設(shè)置為標況體積流量測量方式，溫壓補償和質(zhì)量流量的轉(zhuǎn)換功能由DCS實現(xiàn)。

根據(jù)上述推算過程可知，渦街流量計偏離設(shè)計狀態(tài)的補償系數(shù)（流量系數(shù)）qc為測量值）。

3.2? 儀表修正參數(shù)的確定

根據(jù)上述修正過程可知，修正后的儀表運行狀態(tài)已發(fā)生了變化，所以需對原設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整。結(jié)合儀表輸出方式的改變和儀表設(shè)定參數(shù)的要求，具體修改內(nèi)容匯總于表2，其余參數(shù)保持原設(shè)計不變。

注：表中僅列出由于狀態(tài)修正發(fā)生變化的設(shè)定參數(shù)，其余參照該流量計使用說明書核對調(diào)整；流量系數(shù)參數(shù)值選擇算式[6]計算結(jié)果Kt=0.58715，滿刻度流量參數(shù)值選擇算式[7]的=35441.8 Nm3/h；表中溫度、壓力取流量計使用過程的平均值

4? 投運效果

FT2005流量計修正前，在生產(chǎn)負荷較大時，與脫硫后轉(zhuǎn)化爐天然氣投氣量FT-103/104進行比較，相對誤差約300～700 kg/h，平均誤差×100%=+2%，長期不能滿足計量精度要求，對能源計量核算和消耗管理產(chǎn)生較大影響。

FT2005流量計進行修正后正式投入生產(chǎn)，同時采用DCS對測量信號進行溫壓補償措施（補償基準溫度、壓力采用表1實際值），目前實際運行數(shù)據(jù)與FT-103/104偏差已降至-110～168 kg/h，詳見表3，從不同負荷對比誤差看，測量數(shù)據(jù)相對誤差有±1.0%，對生產(chǎn)和消耗控制起到了很好的指導(dǎo)。

5? 結(jié)束語

渦街流量計常用的測量修正方法較多，由于不同品牌流量計的測量軟件構(gòu)成和對用戶參數(shù)開放程度不完全相同，需根據(jù)軟件構(gòu)成和對用戶參數(shù)的開放程度進行具體分析，找出產(chǎn)生偏差的關(guān)鍵因素加以修正。筆者通過儀表設(shè)計參數(shù)和實際運行參數(shù)的比對，分析了產(chǎn)生計量偏差的原因。通過實際工況下對渦街流量計量程轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的確定，推算出了該工況的（流量系數(shù)）補償系數(shù)；從工況的補償計算等方面提出了計量偏差的修正措施和流量補償方案，對處理類似儀表問題有一定的借鑒意義。

參? 考? 文? 獻

[1] 劉志森.基于數(shù)值模擬的寬量程比渦街流量計的研究[D].泉州：華僑大學(xué)，2019.

（收稿日期：2023-03-30，修回日期：2023-04-12）