劉勇輝，楊光濤

蘭州寰球工程公司自控室，甘肅蘭州 730060

氣體及蒸汽溫度壓力補(bǔ)償

劉勇輝，楊光濤

蘭州寰球工程公司自控室，甘肅蘭州 730060

石油化工對(duì)能源計(jì)量方面的要求越來(lái)越高，對(duì)氣體蒸汽的溫度壓力補(bǔ)償就非常有必要性。在各種情況采取各種相應(yīng)的公式進(jìn)行補(bǔ)償顯得尤為重要。而且對(duì)于溫度壓力補(bǔ)償?shù)陌惭b位置的確定也是非常具有現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)氣體和蒸汽的溫度、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的公式進(jìn)行詳細(xì)闡述。對(duì)溫壓補(bǔ)償?shù)木燃皽囟葔毫ρa(bǔ)償儀表的安裝位置進(jìn)行了說(shuō)明。

氣體；蒸汽；溫度壓力補(bǔ)償計(jì)算；注意事項(xiàng)；安裝位置

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)能源計(jì)量方面的要求越來(lái)越高。在石油化工項(xiàng)目中，能源消耗很大，對(duì)計(jì)量氣體及蒸汽等流量的精度和可靠性要求也越來(lái)越高。

1 需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償?shù)脑蚍治?/h2>

我們知道流體的質(zhì)量直接受密度的影響。因此流體的密度是測(cè)量流量主要控制的參數(shù)之一。對(duì)于液體，是不可壓縮的流體，與壓力無(wú)關(guān)，溫度升高，密度降低。當(dāng)介質(zhì)為氣體等可壓縮的流體介質(zhì)時(shí)，我們采用狀態(tài)方程對(duì)密度進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)壓力不太高，溫度不太低時(shí)可，按理想氣體處理，否則按真實(shí)氣體狀態(tài)方程處理。我們以理想狀態(tài)方程進(jìn)行分析，

式中：

M為摩爾質(zhì)量；

ρ為密度，kg/m3；

P為氣體的壓強(qiáng)，Pa；

R為比例系數(shù)（理想氣體是固定的），J/（mol·K）；

T為溫度，K。

從公式（1）可以看出介質(zhì)的密度是由介質(zhì)的壓力、溫度及摩爾質(zhì)量及其介質(zhì)本身的特性決定的比例系數(shù)組成的函數(shù)。在裝置實(shí)際生產(chǎn)中，壓力、溫度等參數(shù)不可避免的波動(dòng)，壓力、溫度的變化會(huì)使介質(zhì)的密度隨之而發(fā)生變化，產(chǎn)生附加誤差的主要原因之一則是由此引起的物性參數(shù)的變動(dòng)。

因此在高精度要求時(shí)時(shí)，需要對(duì)氣體或蒸汽流量進(jìn)行溫度壓力進(jìn)行補(bǔ)償。需流量計(jì)前后加裝壓力檢測(cè)儀表和溫度檢測(cè)儀表，通過(guò)這種手段將壓力、溫度等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入控制室常規(guī)儀表進(jìn)行溫壓補(bǔ)償來(lái)修正密度，來(lái)減小測(cè)量誤差。

2 氣體的溫度壓力補(bǔ)償

O2，N2，H2及其混合空氣、天燃?xì)?、焦?fàn)t氣、煤氣等介質(zhì)在工程中是我們經(jīng)常遇見(jiàn)的，在通常工況下的溫度、壓力下都可視為理想氣體，測(cè)量誤差一般都在工程允許的精度范圍。我們通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程的補(bǔ)償來(lái)表示理想氣體流量的密度。根據(jù)理想氣體在不同的介質(zhì)和工況而采取不同的補(bǔ)償方式而確定補(bǔ)償?shù)牧髁肯到y(tǒng)。

2.1 理想氣體的流量補(bǔ)償計(jì)算

我們通過(guò)理想氣體可以推算出流量的補(bǔ)償計(jì)算公式是：F=K·Fi,其中K是由介質(zhì)設(shè)計(jì)的溫度、壓力及實(shí)際測(cè)量的溫度壓力等參數(shù)組成的函數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況的不同，分為以下3種情況：

1 ）溫度壓力補(bǔ)償

溫度和壓力均補(bǔ)償是對(duì)于流量測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。適用于氣體、天然氣、煤氣等流量的測(cè)量，特別是適用于廠級(jí)計(jì)量及外供需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的計(jì)量?jī)x表。

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測(cè)量值；

Pb為參考?jí)毫Γ↘pa）；

Pi為壓力測(cè)量值（Kpa）；

Tb為參考溫度值（℃）；

Ti為溫度測(cè)量值（℃）。

2 ）溫度補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償適用于在實(shí)際操作條件下氣體壓力幾乎不變化，溫度變化較大的場(chǎng)合采用；

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測(cè)量值；

Tb為參考溫度值（℃）；

Ti為溫度測(cè)量值（℃）。

3 ）壓力補(bǔ)償

壓力補(bǔ)償適用于實(shí)際操作條件下氣體溫度幾乎不變化，壓力變化較大的場(chǎng)合采用；

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測(cè)量值；

Pb為參考?jí)毫Γ╧Pa）；

Pi為壓力測(cè)量值（kPa）。

2.2 實(shí)際舉例

以烏海焦?fàn)t氣項(xiàng)目為例對(duì)補(bǔ)償進(jìn)一步說(shuō)明。操作條件：介質(zhì)為焦?fàn)t煤氣，工作壓力為21.5kPa，工作溫度為20℃，設(shè)計(jì)壓力（參考?jí)毫Γ?5kPa,設(shè)計(jì)溫度為25℃，在溫度壓力補(bǔ)償之前的流量為8t/h，計(jì)算補(bǔ)償后的流量值。

將已知條件代入公式（2）：

相對(duì)誤差:δ=0.5%

說(shuō)明：

1 ）從以上實(shí)例可以看出，溫度壓力的變化對(duì)流量的測(cè)量產(chǎn)生的影響。實(shí)際工程中我們?cè)诹髁績(jī)x表的附近增加溫度、壓力變送器送進(jìn)控制室二次儀表進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算；2）式中的壓力值的單位必須是Kpa，如果是別的單位必須換算為kPa；3）以上流量補(bǔ)償公式中的壓力、溫度值適用于溫度壓力儀表正常工作，當(dāng)溫度、壓力儀表出現(xiàn)錯(cuò)誤或壓力溫度信號(hào)進(jìn)系統(tǒng)（PLC、DCS或記錄儀）時(shí)，本公式不適應(yīng)。若出現(xiàn)故障繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)償，則補(bǔ)償后的流量值是不變的。繼續(xù)補(bǔ)償后的流量參與控制或聯(lián)鎖，可能會(huì)產(chǎn)生安全事故。

如果測(cè)量的流量關(guān)鍵、參與聯(lián)鎖，編程時(shí)考慮當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，補(bǔ)償流量自動(dòng)轉(zhuǎn)化為實(shí)際流量，不再用補(bǔ)償公式。

3 水蒸汽流量的補(bǔ)償

蒸汽分為濕蒸汽、飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽。

對(duì)于過(guò)熱蒸汽計(jì)量，密度也是溫度壓力的函數(shù)，但不能套用理想氣體狀態(tài)方程公式進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)檫^(guò)熱蒸汽隨溫度壓力區(qū)間的不同，函數(shù)關(guān)系不同，很難用一個(gè)簡(jiǎn)單或統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示密度。

采用以下兩種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3.1 查表法

把水蒸汽密度表數(shù)據(jù)輸入控制系統(tǒng)DCS、PLC等，根據(jù)實(shí)際工況下的溫度壓力值，從表中直接查出相應(yīng)的密度值。

3.2 公式法

1 ）濕蒸汽密度

式中：ρ為濕蒸汽密度（kg/m3）w為水蒸汽密度（Kg/m3）

X為干度

2 ）干飽和蒸汽密度：

表1

3 ）過(guò)熱蒸汽密度（莫里爾狀態(tài)方程）

V為比容（m3/kg）；

P為壓力（MPa）；

T為溫度（K）。

3.3 流量公式的確定

由于蒸汽在實(shí)際應(yīng)用中常常采用節(jié)流裝置作為測(cè)量元件，則流量公式以常用測(cè)量蒸汽的節(jié)流元件類(lèi)型儀表（孔板、A+K）為例，當(dāng)在蒸汽測(cè)量中用節(jié)流元件作為傳感元件時(shí)，流量公式為：

式中：

qm為質(zhì)量流量（Kg/s）；

C為流出系數(shù)，選定節(jié)流件及并確定取壓方式后流出系數(shù)是雷諾數(shù)和直徑比β的函數(shù)C=f(ReD，β)；

ε為可膨脹系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式：ε=1-（0.3707+0.3184β4）·

[（1-）]0.935來(lái)求取，K為已知蒸汽的等商指數(shù)；

d節(jié)流件開(kāi)孔直徑，m；

ρ1被測(cè)流體密度，kg/m3；

ΔP為差壓值，Pa。

β為節(jié)流裝置開(kāi)孔直徑和管道的直徑比

利用查表法或公式計(jì)算法計(jì)算出水蒸氣的密度ρ1，代入公式（6）中，即可求出蒸汽的流量值。

4 進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償注意事項(xiàng)

1 ）采用單元組合儀表即原來(lái)就有流量回路的基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，壓力和溫度變送器必須選用絕對(duì)型的；2）進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償?shù)亩蝺x表最好采用含有微處理器的儀表，此時(shí)選用的壓力變送器及溫度變送器可以是一般型或絕對(duì)型。

經(jīng)過(guò)實(shí)際的使用，通過(guò)溫度壓力補(bǔ)償密度的相對(duì)誤差差距非常大無(wú)溫度壓力補(bǔ)償?shù)膬x表測(cè)量誤差總的相對(duì)誤差為±11.21%；

當(dāng)采用溫度壓力補(bǔ)償儀表測(cè)量的總的相對(duì)誤差為：1.033%。

5 溫度壓力補(bǔ)償儀表的安裝位置

按照盡可能反映流量測(cè)量點(diǎn)的真實(shí)溫度和壓力，所以盡量靠近孔板，但由于溫度是插入管道內(nèi)的元件，會(huì)對(duì)流量測(cè)量造成影響，所以溫度應(yīng)放在測(cè)量點(diǎn)的下游（相對(duì)上游對(duì)直管段倍數(shù)要求?。?。而壓力應(yīng)為上游，未經(jīng)過(guò)孔板壓降前的壓力P在FE前，但是放在后面要注意放在壓力完全恢復(fù)的位置后面，需較長(zhǎng)距離（無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），這時(shí)候壓力已經(jīng)不具代表性。（流體過(guò)縮頸，會(huì)加速減低壓力，等流過(guò)一段，壓力會(huì)恢復(fù)，速度會(huì)減緩。對(duì)于這一點(diǎn)規(guī)范GB/T 2624.1-2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿(mǎn)管流體流量第1部分：一般原理和要求》第5.4 條（密度、壓力和溫度的確定），位置是壓力在上游；溫度在下游也有據(jù)可查。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，選用測(cè)量氣體還有渦街、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等，可參考孔板的溫度壓力補(bǔ)償?shù)奈恢?，以最接近介質(zhì)的溫度壓力為原則。

6 結(jié)論

總之，選擇合適正確的溫度壓力補(bǔ)償公式，并在實(shí)際工程中正確安裝，才能在氣體或蒸汽計(jì)量上獲得準(zhǔn)確的流量。

[1]石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).3版：991-1002.

[2]汪玉忠.氣體和過(guò)熱蒸汽流量測(cè)量的溫度與壓力補(bǔ)償[J].自動(dòng)化儀表，1992，13(12）：4-10.

[3]張小勤.用差壓式流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量時(shí)溫度壓力溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)及探討[J].純堿工業(yè)，2006(1).

TE65

A

1674-6708（2012）69-0070-02