郁周

（中石化股份公司金陵分公司計量管理中心，南京210033）

1 氣體的流量測量方法

石化企業(yè)需要測量的氣體通常有氮氣、空氣、蒸汽、乙炔、天然氣、氫氣、燃料氣等。傳統(tǒng)測量氣體的流量儀表種類繁多，使用較多的有孔板、噴嘴組成的差壓式流量計，渦街，熱值式質量流量計，氣體渦輪，超聲波，旋進旋渦等測量儀表。

1.1 差壓式流量計的測量方法

1.1.1 測量原理

根據(jù)伯努利方程、歐拉方程及雷諾數(shù)特性，推導出孔板流量計算公式［1］：

式中：qV——氣體的瞬時流量；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹性系數(shù)；Δp——節(jié)流元件前后的差壓；d——孔板的內徑；ρ1——節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度，kg／m3；β——孔板的直徑比。

由式（1）可知密度變化對流量的測量影響最大，介質組分恒定的混合氣體，標準密度不變，當工況條件溫度、壓力變化引起的工況密度與設計值的偏差，可采用氣態(tài)方程進行在線補償。

1.1.2 測量變組分氣體存在的問題

在進行物料平衡與能耗分析時，需進行體積量與質量的換算，密度是轉換中關鍵的參數(shù)之一。氣體組分發(fā)生變化引起了混合氣體密度的變化，只有配備在線色譜儀實時分析氣體的組分，才能準確計算出氣體的密度。由于在線色譜儀價格昂貴，在單一測量回路中配備在線色譜儀在工業(yè)運用中難以實現(xiàn)。同時C與ε也是密度函數(shù)，其變化對孔板的測量也會產(chǎn)生一定的影響。因此，組分變化對氣體的測量影響較大，測量的誤差取決于實際密度值與設計密度值的差異。

1.2 渦街流量計

1.2.1 測量原理

渦街流量計是根據(jù)“卡門渦街”原理研制成的一種振蕩型流量測量儀表，廣泛地運用于液體、氣體的流量測量。1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發(fā)表了關于流體振動頻率與流速關系的文章，斯特勞哈爾數(shù)表征了旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關系的相似準則。

當在流體中設置旋渦發(fā)生體（阻流體）時，從旋渦發(fā)生體兩側就會交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。

當渦街發(fā)生體為圓柱形體時，旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質的平均速度為v，表體通徑為D，有如下關系式：

式中：v1——旋渦發(fā)生體兩側平均流速，m／s；Sr——斯特勞哈爾數(shù)；d——旋渦發(fā)生體迎面寬度；K——旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比。

由此推導出介質的體積流量：

由式（2）可知，渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，只與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸和Sr有關。

1.2.2 測量變組分氣體存在的問題

由式（3）可知，運用渦街流量計進行氣體流量的測量要比孔板具有一定的優(yōu)勢，對于組分相對恒定的氣體，只要采用理想氣體的補償公式就可以修正由于工況條件偏離設計值而產(chǎn)生的測量誤差。由于無法準確測量組分變化時的真實密度，在質量換算過程中會產(chǎn)生較大的誤差。

1.3 熱值式質量流量計

熱值式質量流量計是基于流動氣體的對流傳熱特性，在特定的穩(wěn)定溫度場中，通過測量氣體流動過程中產(chǎn)生的溫度關系來測量氣體質量流量的儀表，也廣泛地運用于純凈干燥氣體的測量［2］。

熱值式質量流量計按傳感器的加熱形式分為恒功率型與恒溫差型，其工作原理如圖1所示。

圖1 熱值式質量流量計工作原理注：1——傳感器；2——繞組；3——測量管；4——轉換器；5——恒流電源；6——放大器

1.3.1 測量原理

如圖1所示，通過在管壁上的電熱絲繞組向傳感器管內流動的氣體輸入一定的熱量，用于測量上游側的溫度，同時與其相對稱、且阻值相等的繞組，用于測量下游側的溫度。當氣體靜止不動時，溫度分布如圖1虛線所示，相對于測量管中心的上下游是對稱的，電橋處于平衡狀態(tài)；當流體流動時，流體將上游的部分熱量帶給下游，導致溫度分布變化如圖1實線所示，由電橋測出兩組線圈電阻值的變化，求得兩組線圈平均溫度差ΔT。按下式導出質量流量qm：

式中：qm——氣體的質量流量；cp——被測氣體的摩爾定壓熱容；A——測量管繞組（即加熱系統(tǒng)）與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導系數(shù)；K——儀表常數(shù)。

一定氣體的cp為常數(shù)，對于不同氣體，cp不同：

式中：M——摩爾質量；Cpo——理想氣體的摩爾定壓熱容；Rm——通用氣體常數(shù)；i——氣體分子運動的自由度數(shù)。

由式（5）可知，摩爾定壓熱容與壓力、溫度無關，僅與分子自由度和氣體常數(shù)有關，對于不同氣體cp不同，對于組分恒定的氣體，由于cp恒定能準確測量氣體的質量流量。

1.3.2 測量變組分氣體存在的問題

由于氣體的摩爾定壓熱容cp隨著氣體組分的變化而變化，流量計的輸出信號值不僅是被測氣體流速的函數(shù)，同樣也是組分的函數(shù)，在無法準確測量組分變化值的情況下，運用熱值式質量流量計只能測量單一組分或介質組分恒定的干燥氣體。濕氣體中所含水分對溫度傳導影響最大，熱值式質量流量計不適宜測量瓦斯等濕氣體。

1.4 科氏力質量流量計

科氏力質量流量計性能可靠、測量精度高、可直接測量流體的質量，已在液體介質的流量測量過程中得到廣泛運用，尤其是廣泛運用于油品的貿(mào)易交接計量。近年來隨著質量流量計測量技術的不斷發(fā)展，尤其是數(shù)字濾波與微信號處理（MVD）技術的發(fā)展，科氏力質量流量計已開始運用于氣體測量，但測量燃料氣等變組分氣體的流量在業(yè)界還沒有得到共識。下面就科氏力質量流量計測量變組分氣體的方法進行探討。

1.4.1 測量原理

流體在做直線運動的同時處于一個旋轉體系中，產(chǎn)生的與質量流量成正比的科里奧利力，科里奧利力的大小與流體質量的大小成正比，運用這一原理制成的質量流量計是一種直接式質量流量儀表［3］。

為模擬旋轉體系，筆者讓流量傳感器中的流量管由電磁線圈驅動，以固有頻率進行振動，當流體流入流量管時，接受流量管的垂直運動，在流量管向上振動的半個周期內，流體反抗管子向上運動對其垂直動量的增加而對流量管施加一個向下的力。在出口處，流體對流量管施加一個向上的力以反抗管子向上振動而對其垂直動量減少，使流量管產(chǎn)生扭曲，在振動的另外半個周期，流量管向下振動，扭曲方向相反，這一扭曲現(xiàn)象稱之為科里奧利現(xiàn)象，如圖2所示。

根據(jù)牛頓第二定律：流量管扭曲量的大小完全與流經(jīng)流量管的質量流量的大小成正比：

式中：Fc——科里奧利力向量；Δm——運動物體的質量；ω——角速度向量；v——流體流速的向量。

安裝于流量管兩側的電磁信號檢測口用于檢測振動管的振動相位差。質量流量的大小由兩個信號的相位差來決定。當流體不流動時，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩邊電磁信號是同相位的；當流體流過流量管發(fā)生流量管的扭曲，從而導致兩個檢測信號的相位差，該相位差直接正比于流過的質量流量。瞬時質量流量越大，F(xiàn)c就越大，此時振動管扭曲產(chǎn)生的位移也越大，如圖3所示測出該時間差就能換算出質量流量。

1.4.2 在氣體測量中的難點與解決方案

a）運用科里奧力原理進行測量，傳感器測量管中單位體積質量的值越大，振動管的扭曲產(chǎn)生的兩側檢測信號的相位差就越大，也就越易測量。當質量流量計運用于氣體測量時，由于流過測量管的單位氣體的質量較小，測量管產(chǎn)生的相位差也相當小，給信號的檢測帶來了困難。

b）一般相同口徑被測氣體的流速是液體流速的幾十甚至幾百倍，由于流量管按固有頻率進行振動，高速流過流量管的氣體會對測量管的振動產(chǎn)生多次諧波，影響了信號的穩(wěn)定性與可靠性，表現(xiàn)出儀表的重復性產(chǎn)生較大的飄移。

針對上述問題，各大儀表商加強了技術的研發(fā)與投入力度，隨著MVD技術的運用，有效地解決了氣體測量中小質量高流速出現(xiàn)的檢測問題。

為了驗證科氏力質量流量計在氣體測量中的準確性，分別在國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站、江蘇省氣體流量檢定站對進口和國產(chǎn)質量流量計進行標定，分別用空氣、天然氣作為檢定介質，系統(tǒng)地考核在不同工作壓力、不同天然氣組分條件下的測量精度，結果顯示進口質量流量計測量精度達到0.32%，國產(chǎn)質量流量計測量精度達到1.5%，完全滿足變組分氣體的測量要求。

2 項目實施

金陵石化公司各生產(chǎn)裝置的爐用燃料氣由于組分變化較大，運用孔板這一傳統(tǒng)的測量方法一直無法準確測量。隨著企業(yè)精細化管理的不斷深入，對計量數(shù)據(jù)準確性的要求越來越迫切。為了解決加熱爐燃料消耗的計量難題，筆者對該公司的三個生產(chǎn)裝置加熱爐的燃料氣計量表進行改造，安裝了質量流量計進行測量，同時與孔板測量數(shù)據(jù)進行比對以考核實施效果。

煉化企業(yè)加熱爐的燃料氣不僅組分變化較大，而且還帶有微量的水蒸氣與輕烴，當環(huán)境溫度較低時，水蒸氣與部分輕烴會從燃料氣中析出?？剖狭|量流量計在進行流量測量時，如果被測介質是氣液兩相流，即使被測液體介質中含氣量或被測氣體介質中帶液量比較少，均會影響質量流量計的測量精度。為解決該問題，筆者把儀表測量回路安裝在燃料氣分液罐后，同時表體朝上安裝，有效地解決了這一問題。通過RS－485接口把流量計的流量、溫度、密度信號與上位機進行通信，有效地監(jiān)控整個測量過程，為數(shù)據(jù)的分析提供了依據(jù)。

對于氣體中水蒸氣含量較多，分液罐的氣液分離效果不理想的場所，建議質量流量計以旗式方式安裝，這樣可避免殘液滯留表體對測量的影響。

3 實施效果

流量計投用后，為了準確比對質量流量計與孔板的測量數(shù)據(jù)，通過實測爐用燃料氣的組分計算出燃料氣的實際密度，并對孔板測量數(shù)據(jù)進行修正，發(fā)現(xiàn)修正后的孔板數(shù)據(jù)與質量流量計的數(shù)據(jù)基本相符，實施效果顯著，見表1所列。

表1 3臺質量流量計與相對應孔板測量數(shù)據(jù)比對

續(xù) 表 1

4 結束語

對于介質組分恒定的混合氣體，采用孔板、噴嘴、渦街流量計、氣體渦輪流量計、超聲波流量計、旋進旋渦流量計等組成的測量系統(tǒng)，工況條件發(fā)生變化時，當采用理想氣體狀態(tài)方程如進行密度修正，即可準確測量；對于熱值式質量流量計用于測量組分恒定的干燥氣體則無需對介質的溫度與壓力進行補償就可準確測量氣體的質量流量；但對于組分變化較大的氣體，上述測量方法無法進行準確測量，而科氏力質量流量計對于變組分氣體的測量已顯示出優(yōu)越的性能。

但科氏力質量流量計也有其局限性。對于口徑較小的國產(chǎn)質量流量計，由于性價比較高，在實際應用中具有較好的應用前景，但對于口徑較大的質量流量計，由于價格昂貴，給其應用帶來了一定難度。因此，對于工作壓力大于0.1MPa，儀表口徑小于DN150的變組分氣體的測量，用科氏力質量流量計進行測量效果最佳。

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