高純氣體流量測量中的儀表選型

徐偉清

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

高純氣體在各行各業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)都有廣泛的用途，它通常由空氣分離工藝制取，氣態(tài)高純氣體經(jīng)管道或鋼瓶集裝格輸送給用戶，液態(tài)產(chǎn)品用槽車運(yùn)輸給用戶。在用管道輸送高純氣體的流程中，貿(mào)易交接計(jì)量通常為氣體流量計(jì)，流量計(jì)的公稱通徑從50 mm到幾百毫米。多數(shù)交接量大、結(jié)算金額高的交接點(diǎn)，往往是供需雙方各裝1套流量計(jì)，從而做到公平計(jì)量，萬無一失。

關(guān)于高純氣體流量計(jì)的選型，由于測量對象的特點(diǎn)和傳統(tǒng)習(xí)慣，大多選用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，該類流量計(jì)具有下列特點(diǎn)[1-2]：

1)穩(wěn)定性和可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)和更換簡單、方便。

2)流量測量范圍寬。

3)測量準(zhǔn)確度能滿足氣體貿(mào)易交接的需要。

4)計(jì)量檢定方便。大多采用幾何檢定法進(jìn)行檢定，操作簡單而且費(fèi)用較省。有的供方(或需方)要求在經(jīng)過幾何法檢定之后，再用實(shí)流檢定法檢定一次。實(shí)踐證明，如果1套流量計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是合格的，則實(shí)流檢定結(jié)果也會是合格的。

5)價(jià)格相較于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)便宜很多。

6)量程比窄是孔板流量計(jì)的一大缺點(diǎn)，但是近年來蓬勃發(fā)展雙量程孔板流量計(jì)，能將其量程比擴(kuò)大到33倍，而且達(dá)到1.0%不確定度，從而彌補(bǔ)了該缺陷[3-4]。

1 高純氣體的特點(diǎn)及其對流量測量的影響

高純氣體的純度極高，組分的變化完全可以忽略不計(jì)，因此，氣體的密度除了受溫度、壓力及壓縮系數(shù)影響之外，無其他因素。而且因?yàn)楦呒儦怏w無灰塵、無水滴、無油污，為高純氣體流量的準(zhǔn)確測量創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。

用差壓式流量計(jì)測量蒸汽流量時(shí)，必須將氣相的差壓信號轉(zhuǎn)換成凝結(jié)水的差壓信號。該轉(zhuǎn)換如果處理不當(dāng)，會引入些許測量誤差。另外，當(dāng)蒸汽進(jìn)入飽和狀態(tài)后，由于管道內(nèi)兩相流的存在，也會增加一定的測量誤差，當(dāng)然，兩相流對渦街流量計(jì)的影響更大。而當(dāng)被測流體為高純氣體時(shí)，由于流體是干燥的，完全不存在兩相流和氣相轉(zhuǎn)液相的問題，所以，達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度更有保證。

2 高純氣體測量案例

2.1 測量案例一

福建某公司向鄰近另一家公司供氣的管網(wǎng)如圖1所示。供方在上游管道上裝了3套FDId型雙量程標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)用于貿(mào)易交接計(jì)量，需方在下游裝了3套與上游相同型號規(guī)格的流量計(jì)用于監(jiān)測。

圖1 某公司向用戶供氣管網(wǎng)示意

6套流量計(jì)投運(yùn)后，F(xiàn)IQ03和FIQ04之間，F(xiàn)IQ05和FIQ06之間，24 h累積流量差值小于0.5%；FIQ01和FIQ02之間，24 h累積流量差值略大于1%，經(jīng)現(xiàn)場檢查后的原因是FIQ01的差壓變送器由于用水實(shí)流檢定時(shí)水未排盡，高低壓室內(nèi)有殘存的水。將殘存的水排盡后，上下游流量計(jì)示值差回到0.5%以內(nèi)。

2.2 測量案例二

青海某單晶硅廠將氧氣、氮?dú)夂蜌錃夥謩e通過DN50，DN50和DN80管道送到下游的光纖廠。為了貿(mào)易交接，供方在上游安裝了3套FDId型雙量程差壓流量計(jì)，需方則在下游安裝了3套用于監(jiān)測的流量計(jì)，為了節(jié)省投資，選用了熱式質(zhì)量流量計(jì)(TMF)。

該6套流量計(jì)投入運(yùn)行后，3路氣體的24 h累積流量都表現(xiàn)為上游大下游小，差值約為6%～10%。其中氫氣流量差值最大。

由于上下游計(jì)量結(jié)果差值較大，而且計(jì)量數(shù)據(jù)用于財(cái)務(wù)結(jié)算，所以雙方對此差值都非常關(guān)注。供方認(rèn)為，上游的雙量程差壓流量計(jì)準(zhǔn)確度高，量程比大，而且經(jīng)過政府授權(quán)機(jī)構(gòu)檢定合格，所以計(jì)量結(jié)果是可信的。而需方認(rèn)為，該廠選用的熱式質(zhì)量流量計(jì)盡管價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度為1.5級，而且有出廠合格證書，計(jì)量結(jié)果也應(yīng)是準(zhǔn)確的。雙方爭執(zhí)不下，于是咨詢了專業(yè)人士。技術(shù)原因分析如下。

3 熱式質(zhì)量流量計(jì)在高純氣體流量測量中的應(yīng)用

3.1 熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理

熱式質(zhì)量流量計(jì)按檢測件的結(jié)構(gòu)分類，有熱分布型和基于金氏定律的浸入型。在管徑較大時(shí)，用的都是后者。

金氏定律浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)又分溫差測量法和功率消耗測量法。兩種測量方法雖不同，但都有2根鉑熱電阻，分別置于氣流中的2根金屬細(xì)管內(nèi)，其中一根熱電阻測量氣流溫度為θ1，另一根熱電阻經(jīng)功率恒定的電能加熱到溫度θ2，流量為0時(shí)，溫差Δθ=θ2-θ1最大，隨著質(zhì)量流量qm的增大，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測得Δθ就可計(jì)算出qm。消耗功率P、溫差Δθ與qm之間的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：K1，K2——與檢測件幾何形狀及所測氣體物性如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容c、黏度等有關(guān)的系數(shù)。K3——與雷諾數(shù)有關(guān)的系數(shù)[5-6]。

溫差測量法就是P為固定值，通過測量Δθ求得qm；功率消耗測量法則是改變P使Δθ為定值，從而由P求得qm。系數(shù)的值是每臺儀表在所測不同氣體時(shí)所特有的，因此浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)要用待測的實(shí)際氣體逐臺校準(zhǔn)。浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)原理如圖2所示。

圖2 浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)原理示意

3.2 熱式質(zhì)量流量計(jì)誤差分析

上游流量計(jì)的準(zhǔn)確度是±1.0%[4]，下游流量計(jì)的準(zhǔn)確度為±1.5%，兩者差異并不大，但是仔細(xì)分析后會發(fā)現(xiàn)其中原因。

熱式質(zhì)量流量計(jì)由于其工作原理和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，準(zhǔn)確度常用引用誤差或者示值誤差與引用誤差相結(jié)合的方法來表示[5-6]。例如熱式質(zhì)量流量計(jì)市場份額居首位的Fluid Components International LLC(FCI)公司的ST98型熱式質(zhì)量流量計(jì)，該流量計(jì)量程比為10∶1或20∶1，誤差E計(jì)算如式(2)所示。

E=±(1.0%qm1+0.5%qmFS)

(2)

式中：qm1——質(zhì)量流量實(shí)際值；qmFS——質(zhì)量流量滿度值。

當(dāng)流量為滿度值時(shí)，E=±1.5%qm1；當(dāng)流量為10%qmFS時(shí)，最大誤差就達(dá)±6.0%qm1。如果流量更小，則最大誤差變得更大。而雙量程差壓流量計(jì)，從參考文獻(xiàn)[4]中的圖4可知，在qm1=3%qmFS和qm1=17.3%qmFS時(shí)，準(zhǔn)確度仍能達(dá)到±1.0%qm1[4]，從而使上下游2套流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)較大差異。

3.3 替代法標(biāo)定引入的誤差

從熱式質(zhì)量流量計(jì)的標(biāo)定、檢定方法剖析，查找用于氫氣流量測量的上下游2套計(jì)量儀表存在計(jì)量偏差的原因。

對于高純氫氣，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是穩(wěn)定且已知的，所以用差壓式流量計(jì)測量其流量，能得到與測量氮?dú)夂脱鯕庀嗤臏?zhǔn)確度。但是，用熱式質(zhì)量流量計(jì)測量氫氣流量時(shí)，出現(xiàn)另一個(gè)差異。即熱學(xué)特性的差異。

眾所周知，熱式質(zhì)量流量計(jì)在出廠前要經(jīng)過實(shí)流逐臺標(biāo)定，在送計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定時(shí)，也都要實(shí)流檢定。對于熱式質(zhì)量流量計(jì)來說，氣體的種類是多種多樣的，不可能為每一種氣體都建流量標(biāo)定裝置。為了解決該問題，一般采用替代法標(biāo)定、檢定。

GB/T 20727—2006《封閉管道中流體流量測量 熱式質(zhì)量流量計(jì)》/ISO14511： 2001規(guī)定，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)可使用和(或)類似于待測過程氣體的替代氣體校準(zhǔn)熱式質(zhì)量流量計(jì)。然后用K系數(shù)進(jìn)行修正或數(shù)值計(jì)算，轉(zhuǎn)換成待測過程氣體和(或)使用工況下的條件[5-6]。文獻(xiàn)[5]中認(rèn)為，可直接用空氣標(biāo)定，然后用K系數(shù)修正。實(shí)驗(yàn)證明，不確定度[5，8]大約增加2%。文獻(xiàn)[5]給出的幾種氣體的轉(zhuǎn)換系數(shù)見表1所列。

表1 幾種氣體的轉(zhuǎn)換系數(shù)

某制造廠提供的熱式質(zhì)量流量計(jì)換算系數(shù)見表2所列。

表2 某制造廠熱式質(zhì)量流量計(jì)換算系數(shù)

該表格的最后一行特別強(qiáng)調(diào)： 不同資料來源，數(shù)據(jù)會有差異。

采用該方法校準(zhǔn)流量計(jì)其實(shí)是不得已而為之。表1和表2中所列出的換算系數(shù)，反映了待用氣體的熱學(xué)特性與空氣的差異。對于案例二中所涉及的3種流體中，氮?dú)夂脱鯕獾臒釋W(xué)特性與空氣差異較小，因?yàn)榭諝獾闹饕煞菥褪堑獨(dú)夂脱鯕?，故采用換算方法引入的附加誤差理應(yīng)較小。但是氫氣與空氣相比差異就大了，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的7倍，氫氣的密度只有空氣的7.1%，摩爾定壓比熱容cp更是相差了13倍。這些差異都會給換算帶來較大的誤差。除此之外，流體的溫度和壓力也會給投入運(yùn)行的熱式質(zhì)量流量計(jì)的零點(diǎn)和量程帶來附加誤差。

3.4 過程溫度和壓力對熱式質(zhì)量流量計(jì)的影響

根據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，需要在實(shí)際工作溫度、壓力條件下，用實(shí)際測量的氣體，進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。關(guān)于溫度、壓力對量程的影響，GB/T 20727—2006規(guī)定，必須有標(biāo)準(zhǔn)表提供工況條件下的參比測量值，才能進(jìn)行比對，然后進(jìn)行調(diào)整。而要找符合要求的標(biāo)準(zhǔn)表，往往是困難的。

上述影響都會為熱式質(zhì)量流量計(jì)帶來較大的誤差。例如有一家生產(chǎn)銷售工業(yè)氣體的德國公司，定期為客戶用鋼瓶集裝格送氦氣，重車和空車均過秤，重車與空車的質(zhì)量差即為本次送貨量。而用戶端則用外國產(chǎn)熱式質(zhì)量流量計(jì)作為計(jì)量手段，兩個(gè)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)每次送檢重新投入使用后，熱式質(zhì)量流量計(jì)都要出現(xiàn)20%左右的誤差(總量)。因此懷疑該誤差是由氦氣與空氣密度的誤差及兩者熱學(xué)特性的誤差引起的。而檢定機(jī)構(gòu)又是在空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)檢定，然后換算得到的計(jì)量結(jié)果。因此，用熱式質(zhì)量流量計(jì)測量該類氣體時(shí)，要特別注意。

3.5 精確度較高的熱式質(zhì)量流量計(jì)

國外某品牌熱式質(zhì)量流量計(jì)具有以下特性： 讀數(shù)精確度為±0.5%，可修改管道尺寸，可切換氣體種類，量程比為100∶1。

粗看這是一款精確度極高，量程比極寬，可適用于各種管徑，還適用于不同氣體的萬能流量計(jì)。但仔細(xì)研究其所列的精確度的補(bǔ)充說明后發(fā)現(xiàn)： 原來0.5級精確度是引用誤差，其量程比100倍在流量為1%qmFS時(shí)，允許誤差較高。所以作為用戶或自控設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該研究具體指標(biāo)背后的應(yīng)用條件。

由于熱式質(zhì)量流量計(jì)自身固有特性的存在，難免使其在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)較大誤差，案例二中下游的用氣單位不得不第二次投資，將3臺流量計(jì)也換成FDId型雙量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，才使上下游計(jì)量結(jié)果基本相符，從而結(jié)束長達(dá)一年之久的紛爭。

很多年以來，熱式質(zhì)量流量計(jì)在光纖、半導(dǎo)體等行業(yè)具有非常好的業(yè)績。在光纖、半導(dǎo)體工廠，幾百、上千臺小通徑熱式質(zhì)量流量計(jì)長期可靠運(yùn)行，而且測量準(zhǔn)確度也獲得用戶好評。而在該應(yīng)用實(shí)例中，實(shí)際效果卻并不理想，究其原因是由于測量任務(wù)的差異。在光纖廠、半導(dǎo)體工廠中大面積使用的熱式質(zhì)量流量計(jì)是用于過程控制，對流量測量準(zhǔn)確度和量程比，都要求不高。而在上述案例中，測量目的是計(jì)量收費(fèi)，對測量準(zhǔn)確度和量程比都要求非常高，尤其是在相對流量很小時(shí)，測量準(zhǔn)確度不能滿足使用要求。因此出現(xiàn)上下游的計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)顯著的差異。

4 結(jié)束語

高純氣體具有組分穩(wěn)定，無塵、無水滴、無油污的特點(diǎn)，為流量測量和流量計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件。在高純氣體的流量測量中，雙量程孔板流量計(jì)以其固有的特點(diǎn)，占有顯著的優(yōu)勢。在以計(jì)量收費(fèi)為目的應(yīng)用中，更是如此，其測量準(zhǔn)確度達(dá)±1.0%，量程比達(dá)33倍。

在以計(jì)量收費(fèi)為目的的應(yīng)用中，熱式質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用效果欠佳，這是因?yàn)閷y量準(zhǔn)確度和量程比的要求較高。所以在設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)做好周密的調(diào)查研究工作，明確測量對象以及測量目的以及對測量準(zhǔn)確度和量程比的要求，盡可能選擇工作穩(wěn)定可靠，精確合理、維護(hù)方便、投資節(jié)省的測量儀表，以防失誤。