概述

流體的質量流量測量是當前國內外流量技術研究的重要課題。目前, 化工和煉油生產過程中使用的流量計, 例如孔板、轉子、靶式、渦輪、電磁、容積和旋渦等流量計, 其工作原理均是測量單位時間內所流過被測介質的體

積量, 即體積流量。當流體的密度隨著溫度、壓力或成分的變化發生改變時, 將會導致流量測量產生較大的誤差。在密度有較大變化的場合, 為了準確測量流量, 目前一般采用以下三種措施。

( l) 采用直接式質量流量計進行測量;

( 2) 采用間接式質量流量計進行測量;

( 3) 采用溫度、壓力自動補償措施。

直接式質量流量計雖已有開發生產( 例如根據科里奧利效應制造的直接式質量流量計), 但由于品種規格少, 價格昂貴, 實際使用尚少。流量計與密度計組合的間接式質量流量計, 亦由于國產密度計在質量、品種和適用范圍存在較多問題, 從而在使用上受到限制。目前較多地采用溫度、壓力自動補償的方式。該方法必須建立密度與度、壓力之間關系的數學模型、根據溫度、壓力的測量信號予以補償修正。但在介質成分改變、或溫度、壓力變化范圍大, 或密度與溫度、壓力的關系呈非線性時, 自動補償的效果甚差或無能為力。

      1 9 9 0 年6 月, 我們在乙烯廠口徑為D N 1 5 o外送乙烯氣體管道上安裝了孔板流量計與氣體旋渦流量計, 將兩臺流量計的測量信號經電腦流量積算儀運算處理, 組成間接式質量流量測量系統測量乙烯氣體的質量流量。系統投運后, 對檢測情況作了詳細的分析對比,取得了較為滿意的效果, 提高了計量的準確度。

 

1、方法原理及運算數學模型 

      測量系統由孔板流量計、旋渦流量計及流量積算儀組成。兩臺流量計串聯安裝在同

一根管道上, 由于安裝距離很近( 中間保持必要的直管段), 因此所測量的是同一( 或幾乎接近) 操作條件下的介質流量。測量原理圖如圖1 所示。

     當有體積流量為Q, 密度為p 的流體通過兩臺流量計時, 孔板流量計的輸出信號x與PQ2成正比, 旋渦流量計的輸出信號y 與Q 成比例, 兩個信號進入運算顯示儀進行除法等運算處理后, 顯示質量流量、體積流量及介質密度等。

      對于孔板流量計：

 

對于輸出電流為4 ~ 20 m A 的差壓變送, 為器 其輸 出電流 I 與差壓 △P 的關系可表達

 

 

 

后來, 由于乙烯送出量增大, 儀表指示超出滿刻度, 將儀表差壓由2 .4 5 1 k8 P a( 2 5 0 0 m m H ZO ) 改為6 0.o o o k P a ( 6 1 2 0 m mH 2 0 ), 儀表滿刻度體積流量相應改為標準狀況下1 0 9 5 2.2 6m 3 / h, 質量流量為1 3 8 0 4

.2 3k g / h。

( 2 ) 差壓變送器: 采用R O S EM O U N T生產的1 1 5 1 型差壓變送器, 差壓60.o o o k P a ,輸出4~ 2 0 m A D C 。

( 3) 旋渦流量變送器: 采用合肥儀表廠生產的U A W l l o o 一D 3D I 一1 1 1 1壓電無法蘭型氣體旋渦流量變送器, 儀表系數1·0733P /L 。

(4 ) 流量積算顯示儀: 采用與有關單位合作試制的H Z 一4 型智能流量積算顯示儀。

顯示儀根據前述的數學模型進行運算處理,顯示瞬時質量流量、累積質量流量、工作狀態下體積流量、工作狀態下介質密度、差壓變送器電流、旋渦流量變送器頻率等參數。另外引入溫度、壓力信號、可以顯示流體的溫度和壓力。同時, 在現場流量計處安裝了標準壓力表和玻璃溫度計, 以測量流體的壓力和溫度。根據測定的壓力、溫度值, 查表確定在操作條件下乙烯氣體密度的標準值, 以便與儀表顯示值對照。

 

3、系統預估誤差及數據的分析對比

測量系統各組件經檢定調整后的實際預估誤差如下。

 

我們對檢測數據定時采樣記錄, 并作了對比分析。在對比分析時密度的標準值采用美國《化學工程》雜志公布的乙烯壓縮系數按氣體狀態方程式換算得到, 小范圍內的中間值采用線性內插法求得。質量流量的標準值因現場無可靠的參照標準, 無法直接提供標準值。

我們認為, 儀表顯示的工況下體積流量是由旋渦流量計測得的, 旋渦流量計經過了較為嚴格的實流標定和調整, 實際誤差不大,因而可以認為儀表顯示的體積流量是可信的, 將此體積流量乘以標準密度得到的質量流量值可以間接作為質量流量標準值的參照依據。當然, 由于旋渦流量計存在誤差, 導致質量流量標準參照值亦存在一定的誤差。另外, 從公式M 一Q p 可以看到, 當確保Q 測量準確時, P 的誤差亦可作為衡量M 誤差的參照依據。

 

從表1所列出的10 組分析數據對比, 可以看到, 儀表顯示的質量流量和密度與標準值之間的誤差均保持在士1% 以內。說明了本方法作為測量質量流量的一種手段是合理的、可行的。在提高各組件準確度的基礎上, 特別是實施整體標定調整時, 系統的準確度可以保持在較高的水平上。

 

4、提高測量準確度的途徑

       從上述分析可知, 本方法測量準確度取決于系統各組件的準確度。選用準確度高的組件, 各組件正確地按規范設計、加工、安裝和調整, 是提高系統準確度的有效措施。

       另外, 現場兩臺流量變送器在安裝時, 中間除保留必要的直管段長度外應盡量靠近,以便能在同一工況下( 或盡量接近同一工況下) 運行, 使兩個測量信號保持同步。

        在實際工作中, 節流件和管路條件往往不能符合正確的設計和安裝條件要求, 這些情況或因素對流量測量產生的誤差在很多情況下無法提出明確的修正值。因而在測量要求高的場合, 將系統整體組裝后在流量標準裝置上進行實流標定, 通過調整系數K 值,以提高測量的準確度。對于大口徑管道, 整體組裝標定有困難時, 除對旋渦等流量計標定外, 可增加對孔板孔徑及管道內徑的精確測量或標定。

 

5 評價

       通過較長時間的運行和測試, 系統運行正常, 數據顯示可靠, 較好地滿足了工藝生產對流量計量的要求。筆者認為, 該系統具有下列優點。

(1 ) 適用范圍廣, 配置各種適宜的儀表, 可用于各種不同種類、不同性狀和操作條件的質量流量測量。例如, 可測液體、氣體、蒸汽; 可測高、低粘度介質; 可測大流量、小流量等。特別是可以測量成分不明的流體。

( 2) 不需要根據測量介質特性建立不同的數學模型, 原理上可以達到完全補償。只要組件設計、加工、安裝、調整符合規范要求,或整體組裝進行實流標定, 測量準確度可保持在較高的水平上。

( 3) 系統構成比較簡單且可以充分利用現場原來安裝的儀表。由于采用一般常規儀表進行組合, 這些儀表比較成熟, 運行可靠, 使用和調校方便, 無需特殊儀器和設備。

(4 ) 投資費用低廉, 與溫度、壓力自動補償方法接近。