孔板測(cè)氣體及蒸汽流量溫壓補(bǔ)償方案探討

李文忠

（中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266500）

0 引言

煉化企業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用節(jié)流式差壓流量計(jì)來(lái)測(cè)量氣體及蒸汽介質(zhì)流量，其基本流量方程式為：

式中 qm——被測(cè)介質(zhì)實(shí)際操作條件下的質(zhì)量流量

qv——表示被測(cè)介質(zhì)實(shí)際操作條件下的體積流量

α——流量系數(shù)

ε——膨脹系數(shù)

d——節(jié)流元件開孔直徑

ΔP——節(jié)流元件前后差壓

ρ——被測(cè)介質(zhì)實(shí)際操作條件下的密度。從上式可以看出，差壓式流量計(jì)測(cè)量出的流量大小與節(jié)流元件前后差壓及被測(cè)介質(zhì)的密度相關(guān)。

由于氣體及蒸汽介質(zhì)的密度受溫度、壓力參數(shù)變化的影響很大，實(shí)際操作時(shí)氣體及蒸汽介質(zhì)的溫度、壓力與設(shè)計(jì)條件下的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)有較大偏差。因此，為提高節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量精度，需要對(duì)氣體及蒸汽介質(zhì)流量測(cè)量進(jìn)行相應(yīng)的溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算。

1 部分DCS 廠家提供的流量計(jì)溫度、壓力補(bǔ)償運(yùn)算方案

部分DCS 廠家提供的實(shí)用節(jié)流式差壓流量計(jì)溫度、壓力補(bǔ)償運(yùn)算方案如下：

式中Fi——檢測(cè)流量；

F0——溫壓補(bǔ)償后的流量；

p——實(shí)測(cè)介質(zhì)壓力，kPa

ps——設(shè)計(jì)介質(zhì)壓力，kPa

t——實(shí)測(cè)介質(zhì)溫度，℃

ts——設(shè)計(jì)介質(zhì)溫度，℃

式（1）可簡(jiǎn)化為F0=Fi。其中，F(xiàn)i為檢測(cè)流量，F(xiàn)0為溫壓補(bǔ)償后的流量，P 為實(shí)測(cè)介質(zhì)絕對(duì)壓力，Ps為設(shè)計(jì)介質(zhì)絕對(duì)壓力，T為實(shí)測(cè)介質(zhì)絕對(duì)溫度，Ts為設(shè)計(jì)介質(zhì)絕對(duì)溫度。

DCS 廠家資料說(shuō)明中，明確了該溫度、壓力補(bǔ)償公式適用于氣體和蒸汽介質(zhì)。

通常氣體介質(zhì)的節(jié)流元件計(jì)算中采用的是標(biāo)準(zhǔn)狀況體積流量單位為“Nm3/h”，蒸汽介質(zhì)采用的是質(zhì)量流量單位“kg/h”。如果采用上述同一個(gè)溫壓補(bǔ)償運(yùn)算公式，是否存在密度運(yùn)算偏差？對(duì)于氣體介質(zhì)和蒸汽介質(zhì)，正確的溫壓補(bǔ)償公式應(yīng)該如何確定？

2 節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量氣體介質(zhì)流量

工程設(shè)計(jì)中通常把氣體介質(zhì)當(dāng)做理想氣體進(jìn)行節(jié)流裝置計(jì)算選型，流量單位選擇標(biāo)準(zhǔn)狀況：

體積流量“Nm3/h”（0 ℃，0.101 325 MPa）。

2.1 氣體介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)密度轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)條件下的操作密度

理想氣體狀態(tài)方程式為PV=nRT，根據(jù)該方程式推導(dǎo)得出設(shè)計(jì)條件密度ρs與標(biāo)準(zhǔn)狀況密度ρn運(yùn)算關(guān)系為。其中，n 指標(biāo)準(zhǔn)狀況下的變量參數(shù)，s 指設(shè)計(jì)條件下的變量參數(shù)。

2.2 流量的計(jì)算（流量單位為“m3/h”）

（1）設(shè)計(jì)條件下，體積流量運(yùn)算關(guān)系為qs=qn×，體積流量測(cè)量運(yùn)算關(guān)系為qs=αε×。因此，設(shè)計(jì)條件下轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量測(cè)量運(yùn)算關(guān)系式：

2.3 氣體介質(zhì)溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算公式

將上式與DCS 廠家給出的溫度壓力補(bǔ)償公式進(jìn)行對(duì)比，可以明確：①?gòu)S家給出的溫度壓力補(bǔ)償公式用于氣體介質(zhì)溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算時(shí)是有嚴(yán)格條件限制的，即只能用于節(jié)流裝置計(jì)算時(shí)流量單位采用標(biāo)準(zhǔn)體積流量的情況；②如果節(jié)流裝置計(jì)算時(shí)流量單位采用體積流量則需要根據(jù)式進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算。

3 節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽介質(zhì)流量及補(bǔ)償運(yùn)算

工程設(shè)計(jì)中蒸汽介質(zhì)分為兩種，即飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽，節(jié)流裝置計(jì)算選型時(shí)流量單位選擇質(zhì)量流量“kg/h”。

3.1 飽和蒸汽流量測(cè)量及補(bǔ)償運(yùn)算

飽和蒸汽的密度與壓力或溫度之間是單值函數(shù)關(guān)系，即通過(guò)壓力或溫度查飽和蒸汽熱力學(xué)參數(shù)表得出的密度數(shù)據(jù)是一致的。由于飽和蒸汽的物理性質(zhì)與理想氣體差別很大，因此不能采用通用的氣體介質(zhì)溫壓補(bǔ)償公式，飽和蒸汽流量測(cè)量公式如下：

由于壓力變送器測(cè)量精度優(yōu)于溫度傳感器，因此實(shí)際應(yīng)用中常采用壓力變送器方案對(duì)密度進(jìn)行修正和補(bǔ)償運(yùn)算（表1）。

表1 飽和水蒸汽密度與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

正常運(yùn)行過(guò)程中，由于飽和蒸汽的實(shí)際操作工況已基本穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的操作工況和確定的節(jié)流元件孔徑數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)流元件進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算，反算并修正對(duì)應(yīng)實(shí)際操作工況的差壓變送器量程，并根據(jù)實(shí)際操作工況對(duì)照選擇不同壓力范圍下密度與壓力的計(jì)算公式代入，即可對(duì)飽和蒸汽流量進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的補(bǔ)償運(yùn)算。

3.2 過(guò)熱蒸汽流量測(cè)量及補(bǔ)償運(yùn)算

過(guò)熱蒸汽的密度受壓力和溫度兩個(gè)自變量共同影響，實(shí)際操作條件與設(shè)計(jì)條件偏差較小的前提下，實(shí)際應(yīng)用中可以簡(jiǎn)單地把過(guò)熱蒸汽看做近似理想氣體，因此可按照氣體介質(zhì)質(zhì)量流量公式進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算。

上式與DCS 廠家給出的溫度壓力補(bǔ)償公式進(jìn)行對(duì)比，可以明確：廠家給出的溫度壓力補(bǔ)償公式可以用于過(guò)熱蒸汽流量的簡(jiǎn)單溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算，單位選擇質(zhì)量流量。

正常運(yùn)行過(guò)程中，由于過(guò)熱蒸汽的實(shí)際操作工況已基本穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的操作工況和確定的節(jié)流元件孔徑數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)流元件進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算，反算并修正對(duì)應(yīng)實(shí)際操作工況的差壓變送器量程，然后再進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)氣體、飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽差壓式流量計(jì)溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算的推導(dǎo)和梳理，明確了部分DCS 廠家提供的通用溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算公式中的流量單位及適用范圍，并給出不適用于通用溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算公式的飽和蒸汽介質(zhì)流量的補(bǔ)償運(yùn)算公式。通過(guò)正確選擇溫度壓力補(bǔ)償公式和流量單位，將提高差壓式流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度、減小測(cè)量偏差。