一種變組分氣體流量計(jì)的研究

宋文其，葉 明，余厚林，馬瑞民，紀(jì)波峰，紀(jì) 綱

（1.揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇 南京210048；2.中國石油海洋工程有限公司，天津300270；3.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海200070）

在氣體質(zhì)量流量測量任務(wù)中，被測流體絕大多數(shù)為組分穩(wěn)定的氣體，因?yàn)榻M分穩(wěn)定，所以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度穩(wěn)定，這樣就可以利用式（1）計(jì)算其工況條件下的密度[1]，用于密度補(bǔ)償。

式中：ρf——工況條件下流體密度，kg/m3；ρN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，kg/m3；pf——工況條件下氣體絕對(duì)壓力，MPa；pN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體絕對(duì)壓力，MPa；TN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體熱力學(xué)溫度，K；Tf——工況條件下氣體熱力學(xué)溫度，K；ZN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)，一般ZN=1.000 0；Zf——工況條件下氣體壓縮系數(shù)，查表或計(jì)算得到。

對(duì)于體積式流量計(jì)，則可用式（2）計(jì)算質(zhì)量流量[2]qm：

式中：qVf——工況條件下體積流量，m3/h。

但是，如果氣體的組分在不停地變化，就不能用式（1）和式（2）的方法計(jì)算qm[3]。為了解決該問題，人們選用科氏力質(zhì)量流量計(jì)測量變組分氣體質(zhì)量流量[4]，但該類儀表價(jià)格太高，很多用戶承擔(dān)不了。為此，研發(fā)價(jià)格相對(duì)便宜的儀表就成為當(dāng)務(wù)之急。

1 渦街流量計(jì)工作原理及校驗(yàn)

1.1 工作原理

在氣體流量測量中，渦街流量計(jì)已經(jīng)應(yīng)用得十分普遍，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、線性度、脈沖信號(hào)輸出等優(yōu)點(diǎn)，可以避免信號(hào)的傳送而引起的誤差。同時(shí)，渦街流量計(jì)具有良好的耐振性，使其具有很好的抗干擾性能。但也有其局限性，它只能測量工況條件下的體積流量，而無法測量流體密度。筆者利用旋渦發(fā)生體前后的壓差，計(jì)算工況條件下的流體密度，可以克服渦街流量計(jì)的局限性。

根據(jù)伯努利方程可推導(dǎo)出公式（3），即旋渦發(fā)生體前后的壓差與發(fā)生體出口處的流體密度成正比[5-6]。

式中：Δp——旋渦發(fā)生體前后的差壓，Pa；K——系數(shù)，由實(shí)流標(biāo)定得到，來自渦街流量傳感器制造廠提供的數(shù)據(jù)；v——測量管內(nèi)氣體流速，m/s。

將式（3）整理可得

利用式（4）就可計(jì)算ρf，其中v可根據(jù)渦街流量傳感器的輸出頻率和其測量管的幾何尺寸計(jì)算得到。而K則來自渦街流量傳感器制造廠提供的數(shù)據(jù)。例如橫河公司的DY型渦街流量傳感器，K=1.08。不同通徑的渦街流量傳感器，K會(huì)有一些差異，這會(huì)影響整套流量計(jì)的滿量程準(zhǔn)確度，可在整機(jī)實(shí)流校驗(yàn)中，根據(jù)滿量程誤差予以修正。

根據(jù)渦街流量傳感器輸出頻率f利用式（5）計(jì)算體積流量，即

式中：f——渦街流量傳感器輸出頻率，l/s；Kt——工況條件下流量系數(shù)，1/L。

則式（4）與式（5）相乘就得質(zhì)量流量：

式（3）中的v可由式（7）計(jì)算得到：

式中：A——渦街流量傳感器測量管截面積，m2。

為了提高質(zhì)量流量測量的精度，還需引入可膨脹性系數(shù)的自動(dòng)校正，以抑制高流速時(shí)質(zhì)量流量測量示值出現(xiàn)過大的正偏差。該項(xiàng)校正所用的數(shù)學(xué)模型既有別于標(biāo)準(zhǔn)孔板，也有別于噴嘴、文丘里管[7-8]。

FVC型變組分氣體質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和帶顯示的轉(zhuǎn)換器組成，其中傳感器由1臺(tái)橫河公司DY型渦街流量傳感器和1臺(tái)EJA型差壓變送器按規(guī)定的方法組合而成。

1.2 技術(shù)指標(biāo)及校驗(yàn)

FVC型變組分氣體質(zhì)量流量計(jì)成套放在正壓法空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上逐個(gè)部分校驗(yàn)，確保10∶1量程比范圍內(nèi)的±0.5%MV準(zhǔn)確度。校驗(yàn)時(shí)的操作壓力，盡量使空氣密度接近常用密度。從原理考慮，渦街流量傳感器只能達(dá)到1%的線性度，為了達(dá)到整套流量計(jì)的±0.5%MV準(zhǔn)確度，就必須借助于先進(jìn)的在線校正技術(shù)。DN80 FVC型變組分氣體質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)流檢定記錄[3]見表1所列。

1.3 流量計(jì)示值準(zhǔn)確度的現(xiàn)場驗(yàn)證

該變組分氣體質(zhì)量流量計(jì)投入運(yùn)行后要保證測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵是：儀表出廠前的配套校驗(yàn)、現(xiàn)場按照規(guī)程合理安裝及配套使用。而儀表投入運(yùn)行后還需要接受用戶對(duì)流量示值的驗(yàn)證，該工作的本質(zhì)是對(duì)流量示值準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3.1 對(duì)流量計(jì)零點(diǎn)示值的驗(yàn)證

通常對(duì)流量計(jì)示值準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證的方法有多種，其中對(duì)流量計(jì)零點(diǎn)示值進(jìn)行驗(yàn)證最簡單，只要將總閥關(guān)閉（如果工藝專業(yè)允許），觀察流量計(jì)顯示值。該流量計(jì)是以渦街流量傳感器為基礎(chǔ)的，因而測量管內(nèi)流體流速無需降到零，其輸出頻率已經(jīng)進(jìn)入切除區(qū)，所以在零點(diǎn)驗(yàn)證中不會(huì)出現(xiàn)問題。

1.3.2 對(duì)零點(diǎn)之外流量示值的驗(yàn)證方法

對(duì)零點(diǎn)之外流量顯示值進(jìn)行驗(yàn)證最簡單易行的方法是：對(duì)ρf示值進(jìn)行驗(yàn)證。如式（2）和式（5）所示，由于Kt已知，因此在現(xiàn)場測量出f，就可知qVf的值。這樣，只要驗(yàn)證ρf的準(zhǔn)確性，就可證明qm的準(zhǔn)確性。

儀表顯示的流體密度值，可用成分分析儀器測得混合氣體組分值，經(jīng)下式計(jì)算得到理論密度，然后進(jìn)行比較[9-10]，求得示值誤差。

式中：φ1，…，φm——各組分的體積分?jǐn)?shù)；ρ1，…，ρm——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各組分密度。

工況條件下ρf的理論計(jì)算值在忽略壓縮系數(shù)影響后為

經(jīng)上述方法計(jì)算即可驗(yàn)證ρf的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

變組分氣體質(zhì)量流量測量具有一定的難度，用渦街流量計(jì)測量工況條件下的體積流量，再用旋渦發(fā)生體前后的壓差，推算發(fā)生體前流體密度，相乘得到質(zhì)量流量，然后放在正壓法空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上校驗(yàn)，可保證0.5級(jí)準(zhǔn)確度，多種通徑儀表在現(xiàn)場投運(yùn)表明，該方法穩(wěn)定可靠，節(jié)省投資。