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 气体偏差对流量计测量的影响
发布时间:2017-10-26

0引言
  用标准节流装置测量气体流量,其准确度影响因素,包括直管段长度、一次测量元件运行状况、现场变送器安装使用、仪表量程合理与否、温压补偿参数正确性都是非常重要的因素。
  气体具有可压缩性,在气体流量测量过程中,流量与气体密度紧密关联;而气体密度又是温度和压力(简称温压)的函数。所以要获取准确的气体流量,需要进行温压补偿。
1节流式差压流量计的构成及工作原理
1.1节流装置流量测量系统构成
  节流装置(孔板流量计)、导压管、差压变送器和流量二次表(DCS系统)组成了孔板式节流装置流量测量系统(简称流量测量系统)。
1.2节流孔板的工作原理
  充满管道的流体流经管道内的节流装置,在节流件附近造成局部收缩,流速增加,在其上、下游两侧产生静压力差。
在已知有关参数的条件下,根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量[1]。其基本公式如下:

c-流出系数无量纲
qm-质量流量kg/s
qv-体积流量m3/s
β-直径比d/D无量纲
d-工作条件下节流件直径
D-工作条件下上游管道内径
ρ流体的密度Kg/m3
ε可膨胀性系数无量纲
ΔP差压值。
  在以上公式中,β和d是常数,C和ε在一定流量范围内也可以看作是常数,因此上式可以简化为:

  在工况一定的情况下,即流体介质密度不变时,流体的流量与差压成平方根关系。
2气体流量测量的温压补偿要求及公式推导
2.1气体流量测量的温压补偿要求
  由于流量测量装置的设计过程中,提供的设计温度、压力与实际运行的工作温度、压力有一定的差异,或者由于工艺条件造成流体温度、压力波动较大,致使测出的流量不能真实反映其工作状态下的实际流量。当被测介质为气体时,温度、压力对密度的影响就会更大,要获得较精准的结果则需要进行补偿。
  通常测量气体的温度和压力要比测量介质密度更易实现,在高温高压条件下,难以直接测量出气体的密度,必须根据密度与压力、温度的关系ρ=f(t,p)进行运算处理,利用参数压力P、温度T来代替密度ρ的变化量进行补偿,而压力P、温度T可以通过安装在孔板前后的压力变送器、温度仪表检测取得。
2.2气体流量测量的温压补偿公式推导
  用于过程控制的气体测量目前主要采用孔板式节流装置进行流量测量的方式[2]。其流量基本方程式为:

  其中Qm为被测流体的质量流量,Qv为被测流体的体积流量,△P为差压变送器输出的差压值,ρ为被测流体的密度。
在测气体的孔板计算书中,设计者一般提供孔板测量的最大流量Qmax(单位一般是Nm3/h)、最大差压△Pmax、设计温度T0、设计压力P0、设计密度ρ0,假设被测介质在标准状况下的密度为ρN
则有:


  其中:Pf为工况下的压力,Tf为工况下的温度。注意:计算时需采用绝对压力,绝对温度。
将(7)代入(6)式:

3气体流量测量应用举例
3.1问题引出的背景
  某厂加氢裂化装置循环氢机组入口流量参与机组的喘振控制,所以流量测量准确性显得尤为重要,但开工初期发现循环氢压缩机入口流量指示超量程。
  根据设计提供的孔板计算原始数据(见表1,修改前),按ISO5167标准法兰取压的计算软件对孔板的计算结果进行核算,得到的差压量程及孔径尺寸与制造厂家提供的数据一致,但循环氢机组的入口流量指示超量程情况依然未能解决。
  再次对孔板计算书进行复核,发现机组循环氢介质标准密度设置为纯氢的物性0.0899kg/m3、操作密度为10.5692kg/m3。即原设计者把纯氢密度替代循环氢介质密度作为孔板计算参数,造成了差压设置的偏差。

3.2循环氢系统的介质特征
  加氢裂化工艺在反应过程中需要耗氢,系统中提供了过量的氢气参与反应,经过反应后,未反应的富裕氢气从反应器出来,经过降温并与油分离后,进入循环氢压缩机升压。
  循环氢实际上是富氢气体,除了氢气外,含有碳化合物、硫化氢等组分,又称混氢,纯氢与混氢的密度有较大的差异。
3.3问题处置
  由于孔板已经安装到位投入使用,不具备更换条件。因此根据正常操作条件下混氢密度27.2194kg/m3以及实际孔板的尺寸,来反推导差压变送器的实际量程。通过计算,循环氢入口流量的差压量程由原来的8KPa修改为16.19KPa。变送器量程经重新设置后流量指示在量程范围内重获显示。
  经过密度重设后尽管在量程范围内可显示,但数值的正确性仍存在较大偏差,究其原因是气体流量测量未进行正确的温压补偿,程序设定温压补偿公式中仍取用纯氢密度计算得到的补偿系数不准确,流量与实际工况必定有较大偏差。
4流量准确性影响分析
4.1初始密度设置偏差的影响分析
  从加氢裂化装置循环氢机组的入口流量指示超量程问题中发现原设计介质密度设置偏离。循环氢介质操作密度从10.5692kg/m3改为27.2194kg/m3后,计算得出变送器最大量程由原来的8KPa改为16.19KPa,而对应最大流量350000Nm3/h的工程量不变。根据公式:

  由此可见,在孔板测得同样差压的情况下,8KPa量程所对应流量值指示值是量程为16.19KPa所对应流量值指示的1.422倍,流量指示偏大。原始介质密度设置的不恰当导致流量计算出现较大误差,且因变送器量程根据原始密度选型设置偏小而不能满足实际测量要求。
4.2温压补偿C系数偏差影响分析
  加氢裂化循环机机组入口流量的温压补偿方式,机组制造商给出一个补偿系数C,提供的C值为518138.53,但未给出此系数来源,推导过程及设定的边界条件。因此,上例中差压量程修改后,流量指示还是存在较大偏差,必须对系数C进行调整,以下为C系数调整的推算过程。

  温压补偿C系数与流量呈线性关系,由于原先C值设置错误造成的流量误差达到30.0%。
4.3介质组分波动影响分析
  采用温度、压力补偿方法测量气体体积流量,是基于介质组份稳定或组份变化很小的一般气体,可对流体密度影响予以忽略,对测量示值的影响也即可忽略。但对于组份波动变化较大的气体,流体密度影响将增大,如仍将某一组分的流体状态密度当作常数来处理,最大测量误差就不可忽视。
  在加氢裂化循环氢系统运行过程中,循环氢组分除氢气外,含有碳化合物、硫化氢等组分,混氢组分发生着动态变化。表2为从混氢组份50个随机样本中选取数据,通过计算获得氢气百分含量为最大值、平均值、最小值时所对应的密度分别为:19.54kg/m3、26.615kg/m3、34.790kg/m3,密度存在着较大波动。

  对50个样本数进行数据统计,结果为:组分变化造成密度变化曲线如图1,图2描述了±10%密度变化的样本数为66%。
  从图1可看出,密度在20~40范围内变化。由此引出新的疑惑:尽管对气体有温压补偿纠偏,但气体组分存在波动,为了量化组分波动的影响情况,对影响的幅度进行计算。从设计提供的孔板计算用密度为27.2194kg/m3作为基准,按最小密度19.54kg/m3、最大密度34.790kg/m3来计算流量的误差情况:

  假设除介质密度变化外,K、△P都不变
则:

下的设计体积流量值。
  当实际密度ρ2为19.54kg/m3,设计密度ρ1为27.2194kg/m3时:
Q2=1.18Q1
  同样,当实际密度ρ2为34.790kg/m3,设计密度1为27.2194kg/m3时:
Q2=0.884Q1
  从图2情况看,组分变化引起密度在设计基准密度上下10%范围内波动的情况占66%,按密度上下变化为10%计算,分别是:
Q2=0.954Q1
和Q2=1.054Q1
  当实际密度ρ2比设计密度ρ1小时,实际体积流量比指示的流量大。当实际密度ρ2比设计密度ρ1大时,实际体积流量比指示的流量小。
4.4各因素影响程度的比较
4.4.1影响程度比较
  由于采用错误的介质密度,造成流量测量误差最大达40%;
  按错误的温压补偿系数计算得到的流量与实测值之间的误差达到30%;
  调整校正温压补偿系数后,介质组分变化可能造成的流量测量误差约达10%~20%;一般情况下,组份引起的测量误差可以控制在5%以内。
4.4.2体会
  现阶段要做到在线进行密度补偿暂时不具备条件,但相对于设置偏离导致的计量误差,取平均组份的密度作为计量基准,可较大幅度降低计量偏差。
  在实际工作过程中,有必要对设计提供的数据的合理性进行复核验证,类似加氢裂化循环氢介质密度取值错误导致的流量指示误差完全可以避免,而由于组份变化对流量测量的误差目前没有合适的解决办法,当组份变化不大时,流量误差仍属可控。
5结语
  在气体流量测量系统中,温压补偿是其中一个不可缺少的环节,在实际的生产过程中,往往因设计参数的不确定性,提供的孔板计算原始参数与实际工况存在较大的偏差,学会计算调整差压,复核验证并得到正确的补偿系数在实际工作非常重要。

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