秦 雯

（中國石化石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050000）

1 前言

瓦斯計量在煉化系統(tǒng)中十分重要，測量瓦斯的計量表種類也眾多，流量計選型就成為瓦斯計量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。瓦斯的主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微，量的惰性氣體，如氦和氬等。瓦斯對空氣的相對密度是0.554，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg。然而煉油廠的瓦斯組分十分復(fù)雜而且變化是隨機(jī)的，沒有任何規(guī)律，變化的幅度也較大。因此給瓦斯計量工作帶來了很大的困難，本文著重介紹了幾種常用的瓦斯計量儀表的原理，并進(jìn)行了比較。

2 瓦斯計量表的主要形式及功能比較：

（1）節(jié)流裝置：差壓式流量計測量氣體質(zhì)量流量基本公式為：

式（1）中ρ1為氣體在工作條件下正端取壓口處的密度kg/m3。

氣體組份變化后，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量與各自變量的關(guān)系公式，推導(dǎo)過程很繁瑣，但得到的結(jié)論卻很簡單。

式（2）中qvn為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，Nm3/h；qvnd為未經(jīng)密度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，Nm3/h。

上式計算時在流量演算器（模塊）中完成的。其中，ρnd、Pd、Td的數(shù)值可由孔板計算書查得，然后寫入儀表的菜單。Pf和Tf是實測值。Zd是Td、Pd、Tc、（臨界溫度）和Pc（臨界壓力）的函數(shù)，在流量演算器中計算得到。Zd是 Tf、Pf、Tc和 Pc的函數(shù)，也在流量演算器中得到。對于變組分氣體，ρn也是變量，即氣體組分變化時，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度也相應(yīng)變化。式中ρ1的不僅隨溫度、壓力變化，還隨組份變化。

（2）TDS型智能旋進(jìn)流量計：其工作原理為：當(dāng)沿著軸向流動的流通進(jìn)入流量計傳感器入口時，螺旋形葉片強(qiáng)迫流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，于是在漩渦發(fā)生體中心產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘里管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流使漩渦流加速，當(dāng)漩渦流進(jìn)擴(kuò)散段后，因回流作用強(qiáng)迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉(zhuǎn)。此時漩渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線性。兩個壓電傳感器檢測的微弱電荷信號同時經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形后變成兩路頻率與流速成正比的脈沖信號，積算儀中的處理電路對兩路脈沖信號進(jìn)行相位比較和判別，剔除干擾信號，而對正常的流量信號進(jìn)行計數(shù)處理。流量計中的微處理器按照氣態(tài)方程進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，并自動進(jìn)行壓縮因子修正。

通過流量計測得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯密度計算出質(zhì)量。

（3）熱式質(zhì)量流量計。熱式質(zhì)量流量計的工作原理：在一根小口徑薄壁測量管的外壁上，對稱繞制兩個具有較高溫度系數(shù)的電阻線圈，并與另外兩個電阻組成一直流電橋。電阻線圈既是加熱元件又是測溫元件。當(dāng)無氣體通過時，上下游電阻絲溫差為零，當(dāng)有氣體流過時，上游溫度下降，下游溫度上升，產(chǎn)生溫差。溫差的存在使得上下游電阻絲產(chǎn)生一電阻差，從而達(dá)到計量。

眾所周知，在相同的溫度和壓力下，1mol不同氣體占用相同的體積。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（壓力為1atm和溫度為0℃）任何1mol氣體都占有體積V0=22.41L。摩爾量為M的m克氣體占有標(biāo)準(zhǔn)體積V=mV0M,而質(zhì)量流量qm=m/t，所以

傳感器輸出信號與氣體摩爾熱容和標(biāo)準(zhǔn)體積流量的乘積成正比。當(dāng)氣體摩爾熱容恒定時，輸出信號與氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量成正比。

理想氣體的比熱容和摩爾熱容不隨溫度、壓力而變化，實際氣體的比熱容和摩爾熱容受溫度、壓力的影響，但變化比較小。不同氣體的比熱容和摩爾熱容不相同。

（4）科氏質(zhì)量流量計。流體在振管中流動時能產(chǎn)生于流體質(zhì)量流量成正比的科里奧利力。質(zhì)量流量計以科氏力為基礎(chǔ)，在傳感器內(nèi)部有兩根平行的U型振管，中部裝有驅(qū)動線圈，兩端裝有拾振線圈，變送器提供的激勵電壓加到驅(qū)動線圈上時，振動管作往復(fù)周期振動，介質(zhì)流經(jīng)傳感器的振動管，就會在振管上產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，使兩根振管扭轉(zhuǎn)振動，安裝在振管兩端的拾振線圈將產(chǎn)生相位不同的兩組信號，這兩個信號差與流經(jīng)傳感器的流體質(zhì)量流量成比例關(guān)系。計算機(jī)解算出流經(jīng)振管的質(zhì)量流量。不同的介質(zhì)流經(jīng)傳感器時，振管的主振頻率不同，據(jù)此解算出介質(zhì)密度。安裝在傳感器器振管上的鉑電阻可間接測量介質(zhì)的溫度當(dāng)速度為零時，U型管只有上下振動而不受科里奧利力的作用。當(dāng)有流體通過U型管時，U型檢測管在上下振動時將受到科里奧利力的作用。由于U型管的兩臂中流動方向相反，受到科里奧利力的方向也相反，形成了一對力矩T作用，使U型管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角。

即質(zhì)量流量與檢測管扭轉(zhuǎn)角θ成正比。在U型管兩側(cè)的振動中心設(shè)置傳感器A和傳感器B，則傳感器A和B檢測到的信號將存在一相位差△φ，在時間域內(nèi)存在一時間差△t，顯然，這時間差△t與扭轉(zhuǎn)角θ成正比。因為檢測管在振動中心位置時垂直方向的線速度為Lω，所以時間差△t=2Rθ/Lω，得

由式（4）可以看出，只要測出兩傳感器A和B的信號時間差△t（也就是相位差△φ），就可以測得質(zhì)量流量qm，而與流體的物性參數(shù)和測試條件無關(guān)。

通過上述的幾種測量方法，可以看出節(jié)流裝置、渦街流量計、旋進(jìn)式流量計所測流量均為標(biāo)況體積流量，然后根據(jù)瓦斯的標(biāo)況密度計算出瓦斯的質(zhì)量，瓦斯標(biāo)況密度均為常數(shù)。然而通過長時間的觀察和計算，我廠的瓦斯組份變化復(fù)雜且頻繁，致使瓦斯的標(biāo)況密度并非一成不變，其變化范圍可達(dá)0.1554~2.0321kg/Nm3。這時，如果仍然將流體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度當(dāng)作常數(shù)來處理，最大測量誤差就將達(dá)百分之幾十。不同組份的氣體其摩爾熱容和傳熱系數(shù)不同，當(dāng)組份變化較大時，因摩爾熱容和傳熱系數(shù)的變化，因此選用熱式質(zhì)量流量計也會對流量測量帶來較大的誤差。

3 結(jié)語

瓦斯系統(tǒng)選用科氏力質(zhì)量流量計，科氏質(zhì)量流量計測量不受介質(zhì)密度組份變化的影響，直接用質(zhì)量流量平衡數(shù)據(jù)，避免了密度變化帶來的誤差。適合我單位組份變化復(fù)雜的瓦斯計量，并且在測量質(zhì)量的同時，科氏質(zhì)量流量計還可以測量介質(zhì)的密度，間接測量介質(zhì)的溫度，亦可作為瓦斯系統(tǒng)的能耗核算的參考。

目前在我廠瓦斯系統(tǒng)中已逐步應(yīng)用為科氏質(zhì)量流量計，已經(jīng)更換科氏質(zhì)量流量計11臺，科氏質(zhì)量流量計在我廠瓦斯系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于摸索階段，就目前的瓦斯能耗核算來看科氏質(zhì)量流量計測量變組分瓦斯質(zhì)量相對于節(jié)流裝置、旋進(jìn)式流量計、熱式質(zhì)量流量計等較為準(zhǔn)確，且科氏質(zhì)量流量計的日常維護(hù)量也明顯少于節(jié)流裝置、渦街流量計等。

[1]紀(jì)綱.流量測量儀表應(yīng)用技巧(第二版)[M].北京：北京工業(yè)出版社，2009.

[2]袁慶青.瓦斯質(zhì)量流量及其密度測量[J].化工自動化及儀表，1994.

[3]蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2001.