質(zhì)量流量測量中關(guān)于密度問題的探討

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.