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        雙量程差壓式流量計實現全量程高精度測量

        2010-02-27 02:26:56
        化工與醫(yī)藥工程 2010年2期
        關鍵詞:測量

        于 杰

        (中國石化集團上海工程有限公司,上海 200120)

        1 前言

        流量計的量程比,對于各種流量計都是指最大流量和最小流量之比,即量程比為3∶1~3.5∶1左右。當量程比擴大了,就很難保證該儀表選型樣本所保證的儀表精度。但現場實際情況卻往往存在量程比為10∶1,特別當該流量計又用于計量用途時更需要精確。雙量程差壓式流量計從理論到實際解決了這一個長期困擾的問題。

        2 原理

        現在,差壓式流量計在流量測量中使用得仍然很普遍。這是因為這種流量計具有穩(wěn)定性佳,耐振性好,抗干擾能力強,使用和檢定方便等優(yōu)點,但其相對流量較小時,測量精度低,甚至進入小流量信號切除,使供方利益受損。

        節(jié)流式差壓流量計的一般表達式[1]:

        式中:qm—質量流量,kg/s;

        C——流出系數;

        β—直徑比,β=d/D;

        d —工作條件下節(jié)流件的孔徑,m;

        D —工作調節(jié)下上游管道內徑,m;

        式中:qm—質量流量,kg/h;

        這一關系式如果用圖1表示,則更為明了、形象。

        從公式和曲線可看出,在流量較大時,節(jié)流裝置送出的差壓信號幅值較大,所以可測量得較準,但流量較小時,節(jié)流裝置送出的差壓信號幅值很小,例如:在10%FS流量時,差壓信號只有滿量程的1%。差壓式流量計測量如此小的流量,精度就較低。

        圖1 qm = f (ΔP)曲線

        解決這一問題的方法是用大小兩桿秤,在流量大的時候用大秤,在流量小的時候用小秤。雙量程差壓式流量計就是根據這一原理設計的。所謂雙量程差壓流量計即指一個節(jié)流裝置采用兩臺差壓變送器。

        使用雙量程差壓式流量計的檢測裝置可用標準孔板、多孔孔板(A+K平衡流量計)等一個雙量程節(jié)流一次元件,采用兩臺差壓變送器。其中一臺差壓變送器測量上限較高,另一臺差壓變送器測量上限很小,一般只有3 kPa或更小,兩路信號同時送入智能化二次儀表,進行計算、判斷和自動切換,得到流量值,從而將大流量和小流量都計算得很準。

        3 問題

        要實現雙量程差壓流量測量還需解決以下問題:

        3.1 雷諾數(ReD)補償

        由雷諾數的表達式可知[2],管道內流動流體的雷諾數與流體的流量成正比。

        式中:ReD— 與D有關的雷諾數;

        qm— 質量流量,kg/s;

        μ — 流體的動力粘度, Pa · s;

        D — 管道內徑,m。

        所以,流體流量在廣闊的范圍內變化時,雷諾數也在較大的范圍內變化。而差壓式流量計的流出系數又是雷諾數的函數,因此,需對流出系數進行在線補償,才能保證全量程的測量精確度。

        以GB 2624-2006中的表達式為例進行分析[2]。

        式(4)所示為標準孔板(角接取壓)流出系數C表達式。

        式中:C — 流出系數;

        β— 直徑比;

        ReD— 與D有關的雷諾數。

        式(6)所示的關系如果用圖表示,更加直觀和形象[3](見圖2)。

        圖2 典型標準孔板流出系數隨雷諾數變化曲線(β= 0.6)

        在圖2中,隨著雷諾數ReD的減小,流出系數C逐漸增大。在雙量程差壓流量計的低量程段,往往就處于曲線的迅速升高段,如果不進行補償,必將導致流量示值明顯偏低。

        3.2 可膨脹性系數( ε)校正

        可膨脹性系數的表達式仍以GB2624-2006為例。式(5)所示為標準孔板表達式。

        ΔP — 差壓,Pa;

        P1— 節(jié)流件正端取壓口流體靜壓力,Pa(A);

        κ— 等熵指數。

        在雙量程差壓式流量計中,流體流量在廣闊的范圍內變化,相應的差壓信號變化幅度更大。例如:流量變化20倍,相應的差壓變化就達到400倍,這種變化引起 值的變化很可觀,對其進行在線校正,意義比C的補償更大。

        4 應用

        據上海同欣自動化儀表公司(原上海寶科自動化儀表研究所)的FDId型儀表針對以上問題做出兩項改進:

        其一:引入了雷諾數(ReD)補償。

        其二:進行了可膨脹系數(ε)校正。

        從而在實際流量偏離常用流量時,能獲得與常用流量時相當的系統精度。同時該儀表采用一體化結構,從而消除差壓信號在長距離傳遞中所存在的失真。

        同欣公司承諾,這種流量計用來測量蒸汽流量時,能達到下列指標:

        量程比:30:1;

        系統精確度:±1.5%;

        可測范圍:1~100%;

        保證精度范圍:3~100%;

        流體溫度:≤560℃;

        流體壓力:≤6.4 MPa;

        全量程溫度、壓力補償。

        根據同欣公司介紹,這種儀表已在天津石化、上海高橋石化、張家港恒通熱電、張家港永興熱電、寧波熱電、上海焦化、山東渤海實業(yè)等十多個單位投入正常運行。

        圖3 FDId500雙量程流量計在某石化廠實際運行曲線

        圖3所示圖例是一臺FDId500(DN500)雙量程流量計在某石化廠的實際運行曲線。數據采集歷史曲線圖中的1、2、3、4四根曲線,分別是蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽密度和蒸汽質量流量。其中,質量流量測量上限為100 t/h(對應差壓100 kPa),在讀數線所對應的時刻,質量流量讀數為0.93 t/h,這時,低量程差壓變送器(帶開平方)輸出電流約為4.86 mA。從而將原本已進入小信號切除區(qū)域的流量予以可靠顯示。

        5 小結

        雙量程差壓流量計已應用于多個領域,并在實際應用中產生理想的效果。鑒于雙量程差壓流量計技術的不斷發(fā)展與改進,經濟準確地實現大量程比的測量已不是難事。

        [1] ISO5167-2(2003E) Measurement of fluid by means of pressure differential devices inserted in circular-corss section conduits running full-part2: orifice Plates.

        [2] GB 2624-2006 流量測量節(jié)流裝置. 用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量.

        [3] 王建忠, 紀綱. 差壓式流量計范圍度問題的研究[J]. 自動化儀表2005(8): 4~6, 9.

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