變組分氣體流量測量方法的探討

郁周

（中石化股份公司金陵分公司計(jì)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?dú)?、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(jì)，渦街，熱值式質(zhì)量流量計(jì)，氣體渦輪，超聲波，旋進(jìn)旋渦等測量儀表。

1.1 差壓式流量計(jì)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(dǎo)出孔板流量計(jì)算公式［1］：

式中：qV——?dú)怏w的瞬時(shí)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(nèi)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(zhì)組分恒定的混合氣體，標(biāo)準(zhǔn)密度不變，當(dāng)工況條件溫度、壓力變化引起的工況密度與設(shè)計(jì)值的偏差，可采用氣態(tài)方程進(jìn)行在線補(bǔ)償。

1.1.2 測量變組分氣體存在的問題

在進(jìn)行物料平衡與能耗分析時(shí)，需進(jìn)行體積量與質(zhì)量的換算，密度是轉(zhuǎn)換中關(guān)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(shí)時(shí)分析氣體的組分，才能準(zhǔn)確計(jì)算出氣體的密度。由于在線色譜儀價(jià)格昂貴，在單一測量回路中配備在線色譜儀在工業(yè)運(yùn)用中難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)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(shí)際密度值與設(shè)計(jì)密度值的差異。

1.2 渦街流量計(jì)

1.2.1 測量原理

渦街流量計(jì)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(yùn)用于液體、氣體的流量測量。1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)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(guān)系的相似準(zhǔn)則。

當(dāng)在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體）時(shí)，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)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(dāng)渦街發(fā)生體為圓柱形體時(shí)，旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)的平均速度為v，表體通徑為D，有如下關(guān)系式：

式中：v1——旋渦發(fā)生體兩側(cè)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(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。

由此推導(dǎo)出介質(zhì)的體積流量：

由式（2）可知，渦街流量計(jì)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(guān)。

1.2.2 測量變組分氣體存在的問題

由式（3）可知，運(yùn)用渦街流量計(jì)進(jìn)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(bǔ)償公式就可以修正由于工況條件偏離設(shè)計(jì)值而產(chǎn)生的測量誤差。由于無法準(zhǔn)確測量組分變化時(shí)的真實(shí)密度，在質(zhì)量換算過程中會產(chǎn)生較大的誤差。

1.3 熱值式質(zhì)量流量計(jì)

熱值式質(zhì)量流量計(jì)是基于流動(dòng)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(dòng)過程中產(chǎn)生的溫度關(guān)系來測量氣體質(zhì)量流量的儀表，也廣泛地運(yùn)用于純凈干燥氣體的測量［2］。

熱值式質(zhì)量流量計(jì)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(zhì)量流量計(jì)工作原理注：1——傳感器；2——繞組；3——測量管；4——轉(zhuǎn)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(nèi)流動(dòng)的氣體輸入一定的熱量，用于測量上游側(cè)的溫度，同時(shí)與其相對稱、且阻值相等的繞組，用于測量下游側(cè)的溫度。當(dāng)氣體靜止不動(dòng)時(shí)，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(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如圖1實(shí)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(dǎo)出質(zhì)量流量qm：

式中：qm——?dú)怏w的質(zhì)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(dǎo)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(zhì)量；Cpo——理想氣體的摩爾定壓熱容；Rm——通用氣體常數(shù)；i——?dú)怏w分子運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)。

由式（5）可知，摩爾定壓熱容與壓力、溫度無關(guān)，僅與分子自由度和氣體常數(shù)有關(guān)，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(zhǔn)確測量氣體的質(zhì)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(jì)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(zhǔn)確測量組分變化值的情況下，運(yùn)用熱值式質(zhì)量流量計(jì)只能測量單一組分或介質(zhì)組分恒定的干燥氣體。濕氣體中所含水分對溫度傳導(dǎo)影響最大，熱值式質(zhì)量流量計(jì)不適宜測量瓦斯等濕氣體。

1.4 科氏力質(zhì)量流量計(jì)

科氏力質(zhì)量流量計(jì)性能可靠、測量精度高、可直接測量流體的質(zhì)量，已在液體介質(zhì)的流量測量過程中得到廣泛運(yùn)用，尤其是廣泛運(yùn)用于油品的貿(mào)易交接計(jì)量。近年來隨著質(zhì)量流量計(jì)測量技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是數(shù)字濾波與微信號處理（MVD）技術(shù)的發(fā)展，科氏力質(zhì)量流量計(jì)已開始運(yùn)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(zhì)量流量計(jì)測量變組分氣體的方法進(jìn)行探討。

1.4.1 測量原理

流體在做直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一個(gè)旋轉(zhuǎn)體系中，產(chǎn)生的與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力，科里奧利力的大小與流體質(zhì)量的大小成正比，運(yùn)用這一原理制成的質(zhì)量流量計(jì)是一種直接式質(zhì)量流量儀表［3］。

為模擬旋轉(zhuǎn)體系，筆者讓流量傳感器中的流量管由電磁線圈驅(qū)動(dòng)，以固有頻率進(jìn)行振動(dòng)，當(dāng)流體流入流量管時(shí)，接受流量管的垂直運(yùn)動(dòng)，在流量管向上振動(dòng)的半個(gè)周期內(nèi)，流體反抗管子向上運(yùn)動(dòng)對其垂直動(dòng)量的增加而對流量管施加一個(gè)向下的力。在出口處，流體對流量管施加一個(gè)向上的力以反抗管子向上振動(dòng)而對其垂直動(dòng)量減少，使流量管產(chǎn)生扭曲，在振動(dòng)的另外半個(gè)周期，流量管向下振動(dòng)，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(zhì)量流量的大小成正比：

式中：Fc——科里奧利力向量；Δm——運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量；ω——角速度向量；v——流體流速的向量。

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

1.4.2 在氣體測量中的難點(diǎn)與解決方案

a）運(yùn)用科里奧力原理進(jìn)行測量，傳感器測量管中單位體積質(zhì)量的值越大，振動(dòng)管的扭曲產(chǎn)生的兩側(cè)檢測信號的相位差就越大，也就越易測量。當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)運(yùn)用于氣體測量時(shí)，由于流過測量管的單位氣體的質(zhì)量較小，測量管產(chǎn)生的相位差也相當(dāng)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(jìn)行振動(dòng)，高速流過流量管的氣體會對測量管的振動(dòng)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(fù)性產(chǎn)生較大的飄移。

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

為了驗(yàn)證科氏力質(zhì)量流量計(jì)在氣體測量中的準(zhǔn)確性，分別在國家原油大流量計(jì)量站成都天然氣流量分站、江蘇省氣體流量檢定站對進(jìn)口和國產(chǎn)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，分別用空氣、天然氣作為檢定介質(zhì)，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(jié)果顯示進(jìn)口質(zhì)量流量計(jì)測量精度達(dá)到0.32%，國產(chǎn)質(zhì)量流量計(jì)測量精度達(dá)到1.5%，完全滿足變組分氣體的測量要求。

2 項(xiàng)目實(shí)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(yùn)用孔板這一傳統(tǒng)的測量方法一直無法準(zhǔn)確測量。隨著企業(yè)精細(xì)化管理的不斷深入，對計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求越來越迫切。為了解決加熱爐燃料消耗的計(jì)量難題，筆者對該公司的三個(gè)生產(chǎn)裝置加熱爐的燃料氣計(jì)量表進(jìn)行改造，安裝了質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量，同時(shí)與孔板測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對以考核實(shí)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(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，水蒸氣與部分輕烴會從燃料氣中析出?？剖狭|(zhì)量流量計(jì)在進(jìn)行流量測量時(shí)，如果被測介質(zhì)是氣液兩相流，即使被測液體介質(zhì)中含氣量或被測氣體介質(zhì)中帶液量比較少，均會影響質(zhì)量流量計(jì)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(shí)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(jì)的流量、溫度、密度信號與上位機(jī)進(jìn)行通信，有效地監(jiān)控整個(gè)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(zhì)量流量計(jì)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(shí)施效果

流量計(jì)投用后，為了準(zhǔn)確比對質(zhì)量流量計(jì)與孔板的測量數(shù)據(jù)，通過實(shí)測爐用燃料氣的組分計(jì)算出燃料氣的實(shí)際密度，并對孔板測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，發(fā)現(xiàn)修正后的孔板數(shù)據(jù)與質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)基本相符，實(shí)施效果顯著，見表1所列。

表1 3臺質(zhì)量流量計(jì)與相對應(yīng)孔板測量數(shù)據(jù)比對

續(xù) 表 1

4 結(jié)束語

對于介質(zhì)組分恒定的混合氣體，采用孔板、噴嘴、渦街流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等組成的測量系統(tǒng)，工況條件發(fā)生變化時(shí)，當(dāng)采用理想氣體狀態(tài)方程如進(jìn)行密度修正，即可準(zhǔn)確測量；對于熱值式質(zhì)量流量計(jì)用于測量組分恒定的干燥氣體則無需對介質(zhì)的溫度與壓力進(jìn)行補(bǔ)償就可準(zhǔn)確測量氣體的質(zhì)量流量；但對于組分變化較大的氣體，上述測量方法無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量，而科氏力質(zhì)量流量計(jì)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(zhì)量流量計(jì)也有其局限性。對于口徑較小的國產(chǎn)質(zhì)量流量計(jì)，由于性價(jià)比較高，在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景，但對于口徑較大的質(zhì)量流量計(jì)，由于價(jià)格昂貴，給其應(yīng)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(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量效果最佳。

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