宋文其，紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1． 揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇 南京 210048；2． 上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070)

石化等行業(yè)的干氣，交接點(diǎn)處質(zhì)量流量往往達(dá)到每小時(shí)幾十噸，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量具有重要意義。但其組分每時(shí)每刻都是在變化的，不能采用恒定組分氣體質(zhì)量流量的測(cè)量方法，例如帶溫壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)或渦街流量計(jì)[1]?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.5%[2]，但是價(jià)格較高，尤其是管徑較大規(guī)格的價(jià)格更高，而且在流體靜壓很低時(shí)也不宜選用。某公司研發(fā)的FVC型渦街-差壓變組分氣體質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱FVC流量計(jì))，解決了該難題。

FVC流量計(jì)，采用渦街流量傳感器測(cè)量傳感器出口處的工況條件下的體積流量，用旋渦發(fā)生體前后差壓，計(jì)算流量計(jì)出口側(cè)的氣體密度，經(jīng)計(jì)算得到質(zhì)量流量。該方法不僅簡(jiǎn)單可靠，可測(cè)流速范圍大，而且準(zhǔn)確度高。

1 FVC流量計(jì)工作原理

1.1 儀表結(jié)構(gòu)

FVC流量計(jì)由傳感器和流量計(jì)算機(jī)(二次表)組成。其中，傳感器由DY型渦街流量傳感器和測(cè)量旋渦發(fā)生體前后差壓的智能差壓變送器兩部分組成。差壓變送器具有HART通信功能。

1.2 基本關(guān)系式

傳感器出口側(cè)工況條件下的體積流量qVf[3]計(jì)算，如式(1)所示：

qVf=3.6f/Kf

(1)

式中：f——渦街流量傳感器輸出頻率，l/s；Kf——工況條件下流量系數(shù)，1/L。

旋渦發(fā)生體前后的差壓與發(fā)生體出口處的流體密度成正比[4]，計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中： Δp——旋渦發(fā)生體前后的差壓，Pa；k——系數(shù)，由實(shí)流標(biāo)定得到，純數(shù)；vf——工況條件下測(cè)量管內(nèi)氣體流速，m/s；ρf——工況條件下流體密度，kg/m3。

將式(2)整理可得式(3)：

(3)

從定義可導(dǎo)出測(cè)量管內(nèi)氣體流速與體積流量的關(guān)系[3]，如式(4)所示：

vf=qVf/A

(4)

式中：A——測(cè)量管流通截面積，m2。

將式(1)代入式(4)得式(5)：

(5)

將式(5)代入式(3)并整理得式(6)：

(6)

將式(1)與式(6)相乘就得質(zhì)量流量qm，如式(7)所示：

(7)

1.3 非線性校正

從式(7)可看出，qm和Δp之間以及qm與f之間都是線性關(guān)系，這對(duì)提高系統(tǒng)準(zhǔn)確度是有益的，如果Kf和k都真正是一個(gè)常數(shù)，則系統(tǒng)準(zhǔn)確度就可達(dá)到很高，但是Kf和k并不是理想的常數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，式(1)中的Kf要受到流過測(cè)量管的流體雷諾數(shù)ReD影響，如果不對(duì)這種影響進(jìn)行校正，則渦街流量傳感器只能達(dá)到0.75%～1.0%的線性度[3-5]。因此，F(xiàn)VC流量計(jì)配有流量計(jì)算機(jī)，可在計(jì)算機(jī)中按照經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行校正。

在式(3)和式(7)中，k的非線性主要是受氣體的可膨脹性影響。因?yàn)闅怏w流過旋渦發(fā)生體時(shí)，在發(fā)生體前后產(chǎn)生的Δp是變化的，所以會(huì)產(chǎn)生永久性壓損，傳感器出口處的流體靜壓p2必然比進(jìn)口處?kù)o壓p1要低一些，該處流體靜壓的降低導(dǎo)致氣體膨脹，從而引起k隨著v的增大而有些許增大，增大的幅值與氣體的等熵指數(shù)κ以及壓損比Δp/p1有關(guān)，此項(xiàng)補(bǔ)償也在流量計(jì)算機(jī)中按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行補(bǔ)償[6-8]。其中，Δp由差壓變送器測(cè)得，p1是流量計(jì)算機(jī)采用HART通信的方法從差壓變送器中獲取。

上述的兩項(xiàng)補(bǔ)償所依據(jù)的模型要做到100%是困難的，殘存的瑕疵都會(huì)引起流量測(cè)量誤差，因此流量計(jì)在出廠前還有一個(gè)實(shí)流校準(zhǔn)工序，可將校準(zhǔn)暴露出來的誤差用10段折線法進(jìn)行恰到好處的修正，從而使整機(jī)±0.5%MV的準(zhǔn)確度得到保證[9]。

1.4 信號(hào)傳送方法

流量傳感器、變送器與流量計(jì)算機(jī)之間傳送信號(hào)，如果采用模擬信號(hào)傳送方式，則會(huì)損失大約0.1%FS的精度；如果采用數(shù)字通信的方法傳送，則完全不損失精度；采用頻率信號(hào)傳送，也不損失精度。FVC流量計(jì)采用HART通信的方法傳送差壓信號(hào)，采用脈沖計(jì)數(shù)的方法接受渦街傳感器送出的代表流速的脈沖信號(hào)，從而做到完全不損失精度[10]。

2 FVC流量計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

FVC流量計(jì)性能優(yōu)良，主要技術(shù)指標(biāo)包括： 工作壓力不大于6.4 MPa，允許傳感器在微靜壓管道中使用；最高流速為80 m/s；量程比范圍為1∶10～1∶20，與工況條件下的氣體密度有關(guān)；最大允許誤差為讀數(shù)值的±0.5%；傳感器允許振動(dòng)為2g；傳感器防爆等級(jí)為ExdⅡCT6或本安。

3 設(shè)計(jì)與計(jì)算

FVC流量計(jì)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)是公稱通徑的選擇。因?yàn)閮x表通徑選的太大，不僅使投資顯著增加，而且使可測(cè)最小流量顯著增大，不利于小流量的測(cè)量；如果儀表通徑選得太小，則在最大流量條件下，流過流量傳感器的氣體流速就有可能大于允許的上限流速，從而使誤差陡然增大。

通常情況下，對(duì)于采用橫河DY型渦街流量傳感器作為流速測(cè)量部件的FVC流量計(jì)，因其最高流速允許達(dá)到80 m/s，其公稱通徑可比工藝管道公稱通徑小1～3檔。以干氣測(cè)量為對(duì)象，舉例說明計(jì)算方法。工藝管道為DN400，標(biāo)準(zhǔn)狀況下最大流量為2.7×104m3/h，溫度為20 ℃，表壓為0.4 MPa，最低表壓為0.25 MPa，該流量計(jì)安裝在用氣方，出現(xiàn)最大流量時(shí)，儀表安裝處出現(xiàn)最低壓力，所以，F(xiàn)VC流量計(jì)工況條件下的最大體積流量qVfmax計(jì)算以qVnmax，t和pmin為條件。令壓縮系數(shù)Z=1，計(jì)算如式(8)所示：

7 787(m3/h)

(8)

式中：qVfmax——工況條件下最大體積流量，m3/h；pn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對(duì)壓力，0.101 325 MPa；pmin——最小絕對(duì)壓力，MPa；t——流體溫度，℃；qVnmax——標(biāo)準(zhǔn)狀況下最大體積流量，m3/h。

計(jì)算流速為80 m/s條件下對(duì)應(yīng)的測(cè)量管內(nèi)徑，如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

顯然，選用DN200儀表是合適的。在該實(shí)例中，渦街流量傳感器的公稱通徑比工藝管道公稱通徑小3檔。

另外，對(duì)于過程壓力較低的測(cè)量對(duì)象，壓力損失也是需要關(guān)注的。在該案例中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度值為0.72 kg/m3；在p=pmin時(shí)，ρf=2.496 kg/m3；k值為1.08，最高流速以80 m/s計(jì)，則按式(2)計(jì)算可得： Δp=17.25(kPa)。考慮氣體流出流量傳感器后，靜壓會(huì)有一定程度的恢復(fù)，所以永久壓降應(yīng)小于17.25 kPa。

4 計(jì)量檢定

FVC流量計(jì)在安裝投運(yùn)前，一般都要進(jìn)行計(jì)量檢定，所依據(jù)的是氣體質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量檢定規(guī)程，檢定的工況參數(shù)應(yīng)盡量與實(shí)際使用的條件接近。檢定的目的一是滿足計(jì)量管理的需要，二是驗(yàn)證制造廠出廠校驗(yàn)(校準(zhǔn))結(jié)果。流體密度在一定范圍內(nèi)變化，質(zhì)量流量示值不應(yīng)超出誤差范圍。

由于FVC流量計(jì)具有流體可膨脹性自動(dòng)補(bǔ)償功能，而補(bǔ)償幅值又與流過傳感器的氣體κ以及Δp/p1有關(guān)[8-9]，所以檢定時(shí)應(yīng)將流量計(jì)算機(jī)菜單中相應(yīng)項(xiàng)目按實(shí)際情況予以設(shè)定。例如在空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢定，常用表壓為0.6 MPa，則可將菜單中的κ值設(shè)定為1.4，檢定完畢再將κ值恢復(fù)到出廠設(shè)置。

實(shí)際使用時(shí)，p1實(shí)際值是FVC流量計(jì)中流量計(jì)算機(jī)通過HART通信的方法從差壓變送器中讀取的，而流量計(jì)算機(jī)中的“手動(dòng)設(shè)定壓力”作為后備冗余，也是必不可少的。

由于每一套氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置都有誤差，而且檢定時(shí)的工況條件與出廠校驗(yàn)時(shí)也會(huì)有差異，故檢定得到的誤差數(shù)據(jù)與出廠校驗(yàn)結(jié)果會(huì)有差異，但最終結(jié)果不能超出誤差范圍。

5 安裝與調(diào)試

5.1 安裝方式

FVC流量計(jì)的傳感器主要由橫河的DY型渦街流量傳感器和EJA110型差壓變送器組成，而這兩種儀表均具有良好的耐振性，所以允許安裝管道有輕度振動(dòng)，振動(dòng)加速度為2g時(shí)不影響正常測(cè)量。

FVC流量計(jì)最好安裝在水平管道上，差壓變送器置于水平管道的上方。這時(shí)，流體中即使含有懸浮在氣體中的微小液滴，也不會(huì)引起導(dǎo)壓管堵塞而影響正常測(cè)量。

儀表安裝完畢，就可對(duì)差壓變送器校零，然后開表投運(yùn)。讀出流量計(jì)算機(jī)原始數(shù)據(jù)畫面中的來自渦街流量傳感器的脈沖頻率，除以Kf得工況條件下的體積流量，二次表顯示的體積流量值應(yīng)與計(jì)算值相同，顯示的差壓值應(yīng)與差壓變送器液晶表頭顯示的差壓值也相同。

5.2 調(diào)試方法

用戶最關(guān)心的問題是質(zhì)量流量示值的準(zhǔn)確度。根據(jù)qm=ρfqVf，其中qVf在上文中已驗(yàn)證其準(zhǔn)確度，則只需判斷ρf的準(zhǔn)確度即可驗(yàn)證流量示值的準(zhǔn)確性。

驗(yàn)證ρf示值的準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)單易行的方法是對(duì)當(dāng)前的混合氣進(jìn)行取樣分析，然后按式(11)計(jì)算混合氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度，再根據(jù)取樣時(shí)的氣體溫度和壓力按式(12)計(jì)算ρf并進(jìn)行比對(duì)[11]。

ρn=φ1ρ1+φ2ρ2+…+φm-1ρm-1+φmρm

(11)

式中：ρn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混合氣體密度，kg/m3；φ1， …，φm——各組分的體積分?jǐn)?shù)；ρ1， …，ρm——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各組分密度，kg/m3。

工況條件下混合氣體理論密度ρf在忽略壓縮系數(shù)影響后[9]為

(12)

式中：pf——工況條件下渦街流量傳感器出口絕對(duì)壓力，MPa；Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)溫度，K；Tf——工況條件下流體熱力學(xué)溫度，K。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用變組分氣體質(zhì)量流量計(jì)，優(yōu)勢(shì)有如下幾方面：

1)針對(duì)變組分氣體其組分每時(shí)每刻都是變化的，采用FVC氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，方法簡(jiǎn)單可靠，從而解決了變組分氣體質(zhì)量流量測(cè)量的難題。

2)由于渦街流量傳感器量程比大，從而使FVC流量計(jì)也具有較大的量程比，而且在微靜壓對(duì)象中也能正常測(cè)量。

3)測(cè)量管內(nèi)流體ReD對(duì)渦街流量傳感器的流量系數(shù)線性度有一定影響，氣體的可膨脹性也會(huì)引起流量測(cè)量誤差。在流量計(jì)算機(jī)中對(duì)這兩種影響均按數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償，并在出廠前的實(shí)流校準(zhǔn)中，用10段折線法進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦拚?，從而使?.5%MV的準(zhǔn)確度得到保證。

4)渦街流量傳感器測(cè)量管內(nèi)氣體流速，最高允許80 m/s，設(shè)計(jì)選型時(shí)，一般可將儀表的公稱通徑縮小1～3檔(按上限流速選定)，從而節(jié)省投資。

5)由于FVC流量傳感器耐振性能良好，所以安裝現(xiàn)場(chǎng)有輕度振動(dòng)也不影響正常測(cè)量，而且只要正確安裝，氣體帶有微量液滴，也不影響正常測(cè)量。