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    質(zhì)量流量測量中關(guān)于密度問題的探討

    2012-10-31 02:48:46
    化工與醫(yī)藥工程 2012年5期
    關(guān)鍵詞:科氏渦街差壓

    張 靜

    (中國石化集團上海工程有限公司,上海 200120)

    工業(yè)生產(chǎn)中測量流量用的流量計除質(zhì)量流量計外都是直接測量體積流量的體積式流量計,獲取質(zhì)量流量需要通過密度進行換算。因此,如何消除由介質(zhì)密度變化帶來的誤差,是質(zhì)量流量檢測的關(guān)鍵所在。

    當(dāng)介質(zhì)的組分比較單一和穩(wěn)定時,液體的密度基本不變;氣體的密度與溫度壓力有關(guān),比如:飽和蒸汽密度與溫度有關(guān),過熱蒸汽、空氣、氮氣、氧氣等氣體密度與溫度和壓力都相關(guān)。在工程上有很成熟的解決辦法,在第1節(jié)中將具體闡述。

    但當(dāng)介質(zhì)(尤其是氣體)組成比較復(fù)雜、變化很大時,組成變化對密度的影響大大超過了溫度、壓力對密度的影響。如:在石油加工生產(chǎn)過程中,石油氣介質(zhì)的組成變化很大,有時密度變化范圍可達0.155 4~2.032 1 kg/m3,最大測量誤差就將達百分之幾十,這是不允許的[1]。在第2、3節(jié)中將針對這個問題探討可行的解決辦法。

    1 介質(zhì)組成穩(wěn)定時,常用的質(zhì)量流量測量方法

    1.1 用科氏質(zhì)量流量計直接測量

    科氏質(zhì)量流量計可以直接檢測質(zhì)量流量,不涉及密度的問題,簡單又準(zhǔn)確,還可通過質(zhì)量流量計算介質(zhì)密度,當(dāng)密度計使用。但投資很高,尤其大管徑情況下,十幾萬到幾十萬不等。

    1.2 用常用流量計配合溫度、壓力補償

    這種方法的原理是通過測量溫度、壓力來校正流體密度,從而計算質(zhì)量流量。精度不如質(zhì)量流量計,但投資比較小,在大管徑情況下尤其實用。精度要求不高的情況下,是主流方法。常用流量計有差壓式流量計(如:孔板、文丘里、噴嘴、均速管等)、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。

    2 介質(zhì)組分變化很大時,質(zhì)量流量測量方法探討

    我們先來看看原理上可行的幾種方法,再分析其在工程上的可行性。

    2.1 用科氏質(zhì)量流量計直接測量

    科氏質(zhì)量流量計通用性很強,精度高、反應(yīng)快。缺點是價格昂貴,且能夠用于測量密度較低介質(zhì)的理想可選產(chǎn)品較少;管徑在DN300以上的生產(chǎn)廠家較少。

    2.2 用音叉式密度計測量密度,配合常用流量計

    這種方法的投資與質(zhì)量流量計相當(dāng),但是密度計型號選擇少,兩臺儀表串聯(lián)也會降低精度。雖然理論上可行,但考慮到性價比,不推薦用于工程上的質(zhì)量流量測量。

    2.3 用分析儀計算混合密度,配合常用流量計

    分析儀精度高,但反應(yīng)時間以分鐘計,并且價格非常高要幾十萬。當(dāng)需要精確測量流體中各組分,并且對反應(yīng)時間要求不嚴(yán)格時可以使用,如檢測產(chǎn)品質(zhì)量、參與工藝流程控制等。但不推薦用于工程上的質(zhì)量流量測量。

    2.4 用渦街流量計和孔板差壓流量計串聯(lián),配合流量演算器測量氣體質(zhì)量流量

    用這個方法計算質(zhì)量流量與氣體密度無關(guān),只與渦街流量計的輸出頻率和孔板流量計的差壓輸入信號有關(guān)系。精度不如質(zhì)量流量計,但價格方面有很大優(yōu)勢。并且孔板、渦街流量計都是很成熟的儀表,故障率低、維護量少。

    九十年代初,茂名石化公司煉油廠用這種方法測瓦斯質(zhì)量流量來控制能耗,并且與實驗室分析儀所得數(shù)據(jù)進行多次比較,誤差在可接受范圍內(nèi)。該系統(tǒng)投用三年時間一直運行穩(wěn)定良好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠[2]。

    第3節(jié)將詳細闡述此法的理論依據(jù)。

    3 用渦街流量計和孔板串聯(lián),配合流量演算器測量氣體質(zhì)量流量的理論依據(jù)

    原理框圖如圖所示[1]。

    圖 渦街孔板串聯(lián)測量組分變化的氣體質(zhì)量流量原理圖

    推理過程[2]如下:

    渦街流量傳感器數(shù)學(xué)模型為:

    式中:qm— 質(zhì)量流量;

    K — 渦街流量傳感器的流量系數(shù);

    ρ — 流體密度;

    f — 渦街流量傳感器輸出頻率。

    孔板差壓流量計數(shù)學(xué)模型為:

    式中:K1— 孔板差壓流量計的流量系數(shù);

    ρ1— 流體密度;

    Δp — 差壓。

    由于氣體通過孔板流量計時會有一定壓損,如果將渦街流量計串孔板在后面,氣體密度會有所改變,所以,將渦街串在孔板前面,這樣ρ=ρ1。注意孔板還要滿足一定的直管段要求。

    將式(2)的平方除以式(1)得

    渦街流量計的流量系數(shù)K與漩渦發(fā)生體寬度、斯特羅哈爾系數(shù)、管道截面積有關(guān)系,由廠家在儀表制造完成后在標(biāo)定臺位上確定,可以看作常數(shù)??装宀顗毫髁坑嫷牧髁肯禂?shù)K1在標(biāo)定臺位上通過實流標(biāo)定可得到,也可以看作常數(shù)。

    另外,也可以通過質(zhì)量流量qm反推密度ρ。由渦街流量傳感器數(shù)學(xué)模型式(1)和式(3)可得

    將所有常量合并為一個常數(shù)置入演算器,儀表就能從孔板差壓流量計的差壓Δp和渦街流量計的輸出頻率f計算流體質(zhì)量流量qm和密度ρ。這一方法尤其適合氣體組分變化頻繁、變化幅度大并且管徑大的情況。

    4 結(jié)論

    科氏質(zhì)量流量計是測量質(zhì)量流量最理想的選擇,但價格昂貴。常用流量計加溫度、壓力補償,在介質(zhì)組成穩(wěn)定而且精度要求不很高的情況下是一種較為經(jīng)濟實用的方法。本文中提到的渦街流量計和孔板串聯(lián)的方法,非常適合組分變化大的氣體質(zhì)量流量測量,在精度要求不高并且管徑大的情況下性價比要比科氏質(zhì)量流量計高。具體比較見下表。

    表 測量質(zhì)量流量的幾種解決方法比較

    [1] 紀(jì)綱. 流量測量儀表應(yīng)用技巧[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010,58-59,74.

    [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(2):56-57.

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