氣體及蒸汽溫度壓力補償

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

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

氣體；蒸汽；溫度壓力補償計算；注意事項；安裝位置

0 引言

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

1 需要進行溫度壓力補償?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量流量主要控制的參數(shù)之一。對于液體，是不可壓縮的流體，與壓力無關(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，我們采用狀態(tài)方程對密度進行計算。當(dāng)壓力不太高，溫度不太低時可，按理想氣體處理，否則按真實氣體狀態(tài)方程處理。我們以理想狀態(tài)方程進行分析，

式中：

M為摩爾質(zhì)量；

ρ為密度，kg/m3；

P為氣體的壓強，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)。在裝置實際生產(chǎn)中，壓力、溫度等參數(shù)不可避免的波動，壓力、溫度的變化會使介質(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。

因此在高精度要求時時，需要對氣體或蒸汽流量進行溫度壓力進行補償。需流量計前后加裝壓力檢測儀表和溫度檢測儀表，通過這種手段將壓力、溫度等標(biāo)準(zhǔn)信號送入控制室常規(guī)儀表進行溫壓補償來修正密度，來減小測量誤差。

2 氣體的溫度壓力補償

O2，N2，H2及其混合空氣、天燃氣、焦?fàn)t氣、煤氣等介質(zhì)在工程中是我們經(jīng)常遇見的，在通常工況下的溫度、壓力下都可視為理想氣體，測量誤差一般都在工程允許的精度范圍。我們通過理想氣體狀態(tài)方程的補償來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償方式而確定補償?shù)牧髁肯到y(tǒng)。

2.1 理想氣體的流量補償計算

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

1 ）溫度壓力補償

溫度和壓力均補償是對于流量測量精度要求高的場合。適用于氣體、天然氣、煤氣等流量的測量，特別是適用于廠級計量及外供需要進行經(jīng)濟核算的計量儀表。

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測量值；

Pb為參考壓力（Kpa）；

Pi為壓力測量值（Kpa）；

Tb為參考溫度值（℃）；

Ti為溫度測量值（℃）。

2 ）溫度補償

溫度補償適用于在實際操作條件下氣體壓力幾乎不變化，溫度變化較大的場合采用；

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測量值；

Tb為參考溫度值（℃）；

Ti為溫度測量值（℃）。

3 ）壓力補償

壓力補償適用于實際操作條件下氣體溫度幾乎不變化，壓力變化較大的場合采用；

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測量值；

Pb為參考壓力（kPa）；

Pi為壓力測量值（kPa）。

2.2 實際舉例

以烏海焦?fàn)t氣項目為例對補償進一步說明。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)計壓力（參考壓力）為15kPa,設(shè)計溫度為25℃，在溫度壓力補償之前的流量為8t/h，計算補償后的流量值。

將已知條件代入公式（2）：

相對誤差:δ=0.5%

說明：

1 ）從以上實例可以看出，溫度壓力的變化對流量的測量產(chǎn)生的影響。實際工程中我們在流量儀表的附近增加溫度、壓力變送器送進控制室二次儀表進行補償計算；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)錯誤或壓力溫度信號進系統(tǒng)（PLC、DCS或記錄儀）時，本公式不適應(yīng)。若出現(xiàn)故障繼續(xù)進行補償，則補償后的流量值是不變的。繼續(xù)補償后的流量參與控制或聯(lián)鎖，可能會產(chǎn)生安全事故。

如果測量的流量關(guān)鍵、參與聯(lián)鎖，編程時考慮當(dāng)出現(xiàn)故障時，補償流量自動轉(zhuǎn)化為實際流量，不再用補償公式。

3 水蒸汽流量的補償

蒸汽分為濕蒸汽、飽和蒸汽和過熱蒸汽。

對于過熱蒸汽計量，密度也是溫度壓力的函數(shù)，但不能套用理想氣體狀態(tài)方程公式進行計算，因為過熱蒸汽隨溫度壓力區(qū)間的不同，函數(shù)關(guān)系不同，很難用一個簡單或統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系來表示密度。

采用以下兩種方法來解決這個問題。

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

由于蒸汽在實際應(yīng)用中常常采用節(jié)流裝置作為測量元件，則流量公式以常用測量蒸汽的節(jié)流元件類型儀表（孔板、A+K）為例，當(dāng)在蒸汽測量中用節(jié)流元件作為傳感元件時，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)，通過試驗來確定，一般采用經(jīng)驗公式：ε=1-（0.3707+0.3184β4）·

[（1-）]0.935來求取，K為已知蒸汽的等商指數(shù)；

d節(jié)流件開孔直徑，m；

ρ1被測流體密度，kg/m3；

ΔP為差壓值，Pa。

β為節(jié)流裝置開孔直徑和管道的直徑比

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

4 進行溫度壓力補償注意事項

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

經(jīng)過實際的使用，通過溫度壓力補償密度的相對誤差差距非常大無溫度壓力補償?shù)膬x表測量誤差總的相對誤差為±11.21%；

當(dāng)采用溫度壓力補償儀表測量的總的相對誤差為：1.033%。

5 溫度壓力補償儀表的安裝位置

按照盡可能反映流量測量點的真實溫度和壓力，所以盡量靠近孔板，但由于溫度是插入管道內(nèi)的元件，會對流量測量造成影響，所以溫度應(yīng)放在測量點的下游（相對上游對直管段倍數(shù)要求小）。而壓力應(yīng)為上游，未經(jīng)過孔板壓降前的壓力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，需較長距離（無實驗數(shù)據(jù)），這時候壓力已經(jīng)不具代表性。（流體過縮頸，會加速減低壓力，等流過一段，壓力會恢復(fù)，速度會減緩。對于這一點規(guī)范GB/T 2624.1-2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第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。

在實際工程設(shè)計中，選用測量氣體還有渦街、轉(zhuǎn)子流量計等，可參考孔板的溫度壓力補償?shù)奈恢茫宰罱咏橘|(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償公式，并在實際工程中正確安裝，才能在氣體或蒸汽計量上獲得準(zhǔn)確的流量。

[1]石油化工自動控制設(shè)計手冊.3版：991-1002.

[2]汪玉忠.氣體和過熱蒸汽流量測量的溫度與壓力補償[J].自動化儀表，1992，13(12）：4-10.

[3]張小勤.用差壓式流量計測量蒸汽流量時溫度壓力溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)及探討[J].純堿工業(yè)，2006(1).

TE65

A

1674-6708（2012）69-0070-02