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小流量气体流量计 测量方法及安装应用

时间:2018/08/11来源:未知

摘 要: 先容了小流量气体流量测量装置的原理和应用背景, 建立了小流量气体测量系统。 采用两种实验方法, 即质量流量计串连孔板测量法和孔板配合差压测量法, 进行了测量,得到小流量拟合公式。 比较了不同实验方法的精度和特点。 结果表明, 第二种方法重复性好,测量精度高。
  在液体火箭发动机地面性能实验中, 需准确控制气体流量, 但经常会遇到气体流量较小, 超出现有流量计量程的情况。 因此, 需研究可靠的小流量测量方法。 音速节流孔板是测量流体流量和控制流体的一种重要方法, 广泛应用于大流量气体测量, 它基于临界流量原理, 即在来流的滞止压力 p0和滞止温度 T0一定时, 流量可以达到临界流量 (***大流量)。 大多数文献先容的孔板流量测量主要针对大流量气体, 对气体小流量的测量并不适用。 本文针对地面性能实验中小流量气体测量问题, 先容了小流量气体流量测量装置的设计原理与设计方法。

1、测量原理及系统组成:
1.1、基本原理:

  管路中气体一维定常等熵流动应满足以下假设:
  (1) 所有流动参数在管道的各个截面是均匀的;
  (2) 流动过程中流动参数的大小不随时间而改变;
  (3) 不考虑流动摩擦, 并且与外界绝热。 当气体通过节流孔板小孔时, 气流速度加快, 在节流孔处达到临界流, 其速度为该处的音速, 此时下游压力出现脉动, 小孔处的压力将维持不变, 气体流量保持恒定。

1.2、计算方法:
  在超临界状态下, 一维定常理想气体的流量按下式计算:
计算公式
  式中, m觶为气体质量流量; p0为孔板入口压力; T0为气体总温; A 为孔板小孔面积; R 为气体 常数; Cd为流量系数; K 为空气绝热指数。

1.3、系统组成:
  小流量气体流量测量装置的组成见图 1。 测量段由节流孔板、 球形接头、 外套螺母、 压力传感器接头、 温度传感器接头和直管段等组成。
图 1 系统测试原理图

图 1 系统测试原理图

2、实验方法:
2.1、质量流量计串连孔板测量方法:

  在实验中用质量流量计测量气体流量, 但实验室现有质量流量计下限量程为 20g/s, 为将其应用于小流量测量, 以水为介质, 在量程外对其进行了流量值标定。 结果表明: 质量流量计在1.7~20g/s 区间内精度较好 , 可用于小流量测量 。质量流量计用于气体流量测量时, 流量测量值不稳定。 为准确测量气体小流量, 采用孔板加测压的流量测量方法。 在空气管路中布置节流孔板,实验中保证孔板处于超临界状态, 通过调节上游的总压控制空气流量。 假设实验中需模拟 0.6MPa的背压, 为保证孔板始终处于超临界状态, 要求p0大于 1.5MPa; 根据超临界状态下流量公式 (1)计算得: 孔板的直径 d=0.753mm, 空气的流量和来流总压见表 1。
  图 2 为实验系统图。 空气由高压气源提供并经减压器后产生 3MPa 左右空气。 减压器下游布置截止阀, 调节来流总压。 截止阀下游布置质量流量计, 孔板上游布置压力传感器和温度传感器, 分别测量入口压力 p0和入口温度 T0。 孔板下游布置压力传感器监测背压, 保证实验中孔板始终处于超临界状态。 管路出口布置截止阀调节背压。 压力、 温度传感器和质量流量计与数采系统相连, 采样时间 5s, 采样率 10Hz。
表 1 实验工况参数

表 1 实验工况参数
图 2 孔板串联质量流量计测量小流量系统图

图 2 孔板串联质量流量计测量小流量系统图
  图 3 给出了孔板质量流量与来流总压关系的离散数据和拟合直线图。 从图中看出: 数据点分布比较分散。 这是由于质量流量计在额定量程外工作, 测量结果漂移较大。 采用该方法进行实验时, 数据的重复性差。 流量与压力的拟合关系式为: m觶=0.90532p0。
图 3 流量压力关系数据点分布及拟合直线图
图 3 流量压力关系数据点分布及拟合直线图

2.2、孔板配合差压法测量方法:
  由于在量程外使用质量流量计, 测量结果的可重复性差。 因此需研究其它测量方法。 孔板配合差压法是一种非常有效的测量方法。 该方法的思路是: 在管路中布置孔板, 使其工作在超临界状态, 在固定来流总压下将空气喷入容积已知的密闭容器, 通过测量实验前后容器内的差压 Δp,计算喷入容器内的空气质量为 dm=d P·VRT。 实验中控制空气喷射时间 t, 得到质量流量觶=dmt=d P·VRTt
图 4 给出了孔板配合差压法的实验系统图,
  在高压气源出口布置减压器, 产生 3MPa 左右的实验气源。 减压器下游布置截止阀, 调节来流总压。 截止阀下游布置孔板, 孔板上游布置压力传感器和温度传感器, 分别测量 p0和 T0。 孔板下游布置压力传感器监测背压, 保证实验中孔板始终处于超临界状态。 利用通断电磁阀控制气路通断。 由于通断电磁阀打开时孔板前后压力相等,系统随着流动进行逐渐达到稳定的超临界状态。为减少孔板启动过程造成的实验误差, 在通断电磁阀前布置排气电磁阀, 实验进行时首先打开排气电磁阀对大气排气, 工作 10s 后孔板已处于稳定的超临界状态, 此时关闭排气电磁阀, 打开通断电磁阀, 开始向密闭容器内充气。 10s 后关闭通断电磁阀, 实验结束。
  利用压力传感器和温度传感器监测容器内气体状态, 当压力和温度均达到稳定后, 测量容器内压升 Δp , 计算质量流量。 利用截止阀泄放容器内的高压气, 进行下一步实验。 压力、 温度传感器和质量流量计与数采系统相连, 采样时间10s, 采样率 10Hz。
  图 5 给出了孔板流量与来流总压关系的数据点分布和拟合直线图。 从图中看出: 实验数据点集中, 流量和压力间线性度好。 此外, 在多次标定实验中, 数据重复性很好。 得到的流量与压力拟合关系式为m觶=0.9422p0
图 4 孔板配合差压法测量小流量


图 4 孔板配合差压法测量小流量
图 5 流量-压力关系数据点分布及拟合直线图
图 5 流量-压力关系数据点分布及拟合直线图

  需要测量流量的气体种类繁多,本文讨论其中***常见的空气、城市煤气、天然气和组分变化的气体。可用来测量气体流量的仪表种类繁多,本文结合四种典型气体重点讨论差压式(含均速管)、涡街式、旋进旋涡式、超声式、气体涡轮、气体腰轮式流量计的应用。

1 压缩空气流量测量

压缩空气是企事业单位重要的二次能源,大多由电能或热能经压缩机转化而来。当空气压力值要求较低时,则由鼓风机产生。

在化工等生产过程中,有一种重要的工艺过程——氧化反应,它是以空气作原料,和另外某种原料在规定的条件下进行化学反应。空气质量流量过大和过小,都会对安全生产、产品质量和贵重原料的消耗产生关键影响。在这种情况下,空气流量测量度要求特别高,多半还配有自动调节。

锅炉和各种工业炉窑中的燃烧过程,其本质也是氧化反应,对助燃空气流量的测量,虽然准确度要求不像化工生产中的氧化反应那样高,但对环境保护和经济燃烧、节约燃料也有重要意义。

(1)压缩空气流量测量的特点

①振动大。安装在压缩厂房和鼓风机房的空气流量计都得考虑振动问题。这种振动主要来自压缩机和鼓风机,机器的振动通过空气管道或风管可以传到很远的地方。其中振动***大的要数往复式压缩机,大型往复式压缩机运行时产生的振动往往带动厂房和周围地面一起振动,对相关空气流量计的准确而可靠的运行带来威胁。它引发杠杆式差压变送器支点移动而使仪表产生示值漂移。振动导致涡街流量传感器产生同振动频率相对应的干扰信号,引起流量示值大幅度偏高。

②气体带水。压缩空气取自大气,而大气中总是含有一定数量的水蒸气。水蒸气的含量用水蒸气分压ρs表示。大气中的水蒸气饱和分压是大气温度的函数(见表3.5)。在雨天和雾天,室外大气中的水蒸气分压达到饱和程度,即相对湿度达到100%,这时将大气压缩就如同压迫吸足水的海绵,随着体积的缩小,就有相应数量的水析出。这是压缩空气所以带水的简单原理。在晴好的天气,大气相对湿度较低,但随着其被压缩,体积缩小到原来的几分之一后,水蒸气分压会相应升高,也有可能进入饱和状态而析出水滴。

用来测量压缩空气流量的较大口径孔板流量计,孔板前常有积水,要影响测量准确度。引压管线中常有一段水,导致差压变送器测到的差压同节流装置所产生的差压不一致。这些都是空气带水引起误差的常见原因。除此之外,由于城区大气中氮氧化物含量较高,使得压缩空气所含水滴呈酸性,引起环室表面腐蚀、管道内壁腐蚀,使其表面变得粗糙。腐蚀产生的氧化铁在一定条件下变干燥时,很容易从管内壁脱落而被气流带到孔板前,这也会对流量示值产生影响。所以在停车检修肘,应将这些粉状和块状的垃圾予以清除。

③脉动流。压缩机和鼓风机出口流体多数包含一定的脉动。例如往复式压缩机,表现为半波脉动,如图3.14所示。在现场可观察到压缩机和鼓风机的出口压力有明显摆动。其中正(定)排量鼓风机出口脉动频率较高,一般有几十赫兹,而往复式压缩机出口脉动频率较低,一般为几赫兹。流动脉动引起差压式流量计、涡街流量计等多种流量计示值偏高,引起浮子式流量计中的浮子上下跳动。消除和减弱流动脉动对流量计示值影响的常用方法有两个:一是在压缩机出口设置一只缓冲罐滤除脉动,而将流量计安装在缓冲器后面,实际上往复式压缩机的系统都是这样设计的;二是将流量计安装在远离脉动源的地方,这样可利用工艺管道的气容同其管阻构成低通滤波器衰减脉动。

(2)仪表选型

能够用来测量空气流量的仪表有多种,但是在现场实际使用的空气流量计,按其原理分,种类并不多。***主要的有玻璃浮于流量计、节流式差压流量计、涡街流量计和均速管流量计等。

①浮子流量计。浮子流量计在中型和小型实验装置上使用很广泛,这是因为浮子式流量计简单、直观、价格低廉,适合作一般指示。浮子流量计有玻璃锥管型和金属锥管型两大类,坡璃锥管型的不足之处是耐压不高和玻璃锥管易碎,另外,流体温度压力对示值影响大。一般可根据流体实际温度和压力按式(3.31)进行人工换算。式中由于引入ρn,在被测气体不为空气时,也可利用该公式进行换算。

式中 qv——实际体积流量, m3/h;

qvf——仪表示值,m3/h;

ρn——被测气体在标准状态下的密度, kg/m3

ρan ——空气在标准状态下的密度, kg/m3

Tn、Pn——气体在标准状态下的温度、压力;

Tf、Pf——气体在工作状态下的温度、压力。

②节流式差压流量计。节流式差压流量计在空气流量测量中有着悠久的历史。节流式差压流量计尽管有范围度窄、安装维护麻烦以及压力损失大等重大缺点,但在振动较明显的压缩机房、鼓风机房,它仍然是可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强的优选仪表。

用节流式差压流量计测量空气流量***重要的是要处理好节流件前积水、变送器高低压室内积水以及引压管线中积水问题。

a.节流件前积水问题。解决节流件前积水***简单的方法是在节流件的下部开疏液孔。

但是空气管道不像蒸汽管道那样清洁。在蒸汽管道中因为与管道内壁接触的是水蒸气,而水蒸气在发生过程中一般都经过除氧工序,因此蒸汽中基本不含氧,经长期使用的蒸汽管,其内壁可能仅沉积微量的灰色粉末,除此之外不会有铁锈。而空气管道内则全然不同,灰尘和氧化铁难以避免,有时疏液孔被堵死。在停车检修时拆下节流装置,发现节流件正端平面上有积水的痕迹,就是证据。

彻底消除节流件前积水的方法是将节流装置安装在垂直工艺管上,或改用圆缺孔板或偏心孔板。其中,偏心孔板不确定度较小,优于圆缺孔板。

b.差压变送器高低压室内积水问题。图3.15(a)所示是典型的节流式差压流量计信号管路安装图,在被测流体为温气体时,冷凝液理应不会进入差压变送器高低压室,但从现场反馈信息来看,实际情况是有时还会有微量水滴进入高低压室。变送器差压范围较低时,此微量水滴会引起仪表零点的明显漂移。有些差压变送器设计有两个排放口,打开下排放口就可将凝液顺利排出。但是早期变送器只有中部的一只排放口,打开此口无法将高低压室内的凝液排净,***后只得将变送器拆下,将凝液从信号输入口中倾倒出来。

高低压室内积液的现象,经进一步分析,应该是变送器上方的一段管路由于环境温度变化将信号管中的水蒸气冷凝而沿着信号管往下流入高低压室o

防止冷凝液流入高低压室***简单易行的方法是消除变送器上方的一段信号管路,将信号管路从下方引入变送器,如图3.15(b)所示,这样,即使高低压室内有微量冷凝液,也能依靠其自身重力沿着管路自动流回母管或沉降器。实践证明,这一方法是有效的。

c.引压管路内积水问题。在测量湿气体时,虽然安装信号管路己按照规程的要求保持坡度,可以避免冷凝液在信号管路内聚集,但在某些情况下,积水现象仍难以避免,其原因如下所述。

图3.16是环室取压节流装置安装在垂直工艺管道上时信号管路的规定安装方法。假定工艺管道中气体自下而上流动,那么负压信号管路中可以保证没有凝液,因为信号管路内的凝液能畅通无阻地流回工艺管道,而正压信号管情况就不同了。因为正压信号是从均压环

引出的,被测湿气体中的凝液充满节流装置的正端均压环空腔是毫无问题的(如图3.17所示),在正压管内气体压力同节流件正压端完全相等时,U形管两边液位高度相等。在此基础上,如果节流件正端压力上升,则将均压环空腔中的水压向信号管路,按照流体力学关系式可知,正压管内的压力比节流件正端压力低一些,其数值同U形管两边液位高度差相等,从而引起差压信号的传递失真。

清除信号管内积水的临时方法是扫线,依靠工艺管中的压力足够高的气体将积水冲走排到管外。但不久又依然如此。

彻底清除上面所述管路内积水的方法是将节流装置取压方法改为法兰lin (1in=0.0254m)取压或D-D/2径距取压。

图3.18所示的信号管路连接方法也是有关资料中的用于湿气体流量测量的典型连接方法。但是在大管径孔板流量计中,也存在一些问题。尤其是在雨天、雾天和大气湿度高的季节,空气中夹带的水较多,水滴自下而上撞击在节流件上,其中一部分进入均压环的全腔,进而流入沉降器,于是沉降器很容易被装满。现场巡回检查时,每天都可以排出很多水,如果遇上假日无人排污,就极有可能水满为患。

③涡街流量计。在无振动或无明显振动的场所,用涡街流量计测量空气流量,显著的优势是压损小、度较高、范围度较宽、维修工作量小。压电式涡街流量计能耐受O.2g的振动。在常压条件下,可测流速下限为6m/s。电容式涡街流量计,能耐受(0.5~l)g振动,在常压条件下,可测流速下限为4m/s。因此在振动大的场所两种涡街流量计都不适用。近几年来,一些企业在涡街流量计制造中引入了数字信号处理(DSP)技术,使仪表的抗振动性能有了大幅度提高,可测流速下限也有了显著改善。但应用中仍需注意现场的振动问题。

与蒸汽流量测量一样,受涡街流量计***大口径、***大工作压力和***高工作温度的制约,当口径大于400mm或流体压力高于4MPa(有的企业产品为6.4MPa)或流体温度高于420℃时,只能改用其他类型流量计。

④差压式均速管流量计。均速管流量计对大口径空气流量测量具有其独有的优势,价格便宜、简单可靠、安装维修方便是其显著的优点,是涡街流量计和节流式差压流量计的补充。其检测杆选择、阻塞系数计算等将在3.5节中讨论。

(3)湿空气干部分流量测量问题

①湿空气干部分流量测量的必要性。在化工生产的氧化反应过程中,一般是将空气送入反应器,而真正参与反应的仅仅是空气中的氧。由于空气中的氮和氧保持恒定比例,所以测量得到进入反应器的氮氧混合物流量,也就可以计算出氧的流量。但是压缩机和鼓风机从大气中吸入的空气除了氮氧成分之外(微量成分忽略不计),总是包含一定数量的水蒸气,而且水蒸气的饱和含量是随着其温度的变化而变化的。为了将氧化反应控制在理想状态,须对进入反应器的氮氧混合气流量进行测量,也即将进入反应器的空气中的水蒸气予以扣除,得到湿空气的干部分流量。这是湿气体中需要测量干部分流量的一个典型例子。

②湿空气密度的求取。湿空气由其干部分和所含的水蒸气两部分组成。标准状态下湿气体的密度可用式(3.32)计算

式中 ρn——湿空气在标准状态下(101.325kPa, 20℃)的密度, kg/m3

ρgn——湿空气在标准状态下干部分的密度, kg/m3

ρsn——湿空气在标准状态下湿部分的密度, kg/m3

工作状态下湿空气的密度可按式(3.33)计算。

式中 ρf——湿空气在工作状态下的密度, kg/m3

ρgf——湿空气在工作状态下干部分的密度, kg/m3

ρsf——湿空气在工作状态下湿部分的密度, kg/m3

ρgf和ρsf分别按式(3.34)和式(3.35)计算

式中ψf——工作状态下湿气体相对湿度, 0~100%;

Psfmax——工作状态下饱和水蒸气压力;

ρsf——工作状态下水蒸气密度, kg/m3

ρsfmax——工作状态下饱和水蒸气密度, kg/m3

Zf——干空气在工作状态下的压缩系数;

Zn——干空气在标准状态下的压缩系数;

其余符号意义同式(3.31)。

③不同原理流量计测量湿空气干部分流量时的计算公式

a.频率输出的涡街流量计。频率输出的涡街流量计用来测量湿空气流量时,其输出的每-个脉冲信号都代表湿空气在工作状态下的一个确定的体积值。这时,要计算湿空气中的干部分,只需在从工作状态下的体积流量换算到标准状态(101.325 kPa, 20aC)下体积流量时,从总压中扣除水蒸气压力,如式(3.36)所示。

式中 qvg——湿空气干部分体积流量, m3/h;

qvf——湿空气工作状态下体积流量,时/h;

f——涡街流量计输出频率, P/s(每秒脉冲数);

Kt——工作状态下流量系数, P/L。

b.模拟输出的涡街流量计。模拟输出的涡街流量计用来测量湿空气的干部分流量时, 只有工作状态(ρf、ψf、Tf、Zf)与设计状态(Pd、ψd、Td、Zd)一致时,无需补偿就能得到准确结果。如果有一个或一个以上变量不一致,可用式(3.37)进行补偿。

式中 Ai——涡街流量计模拟输出,%;

qmax——流量测量上限,m3/h;

Pd——设计状态湿空气绝压,kPa(MPa);

ψd——设计状态湿空气相对湿度;

ρsdmax——设计状态湿空气中饱和水蒸气压力,与Pd单位一致;

Td——设计状态湿空气温度, K;

Zd——设计状态湿空气压缩系数。

c.差压式流量计。用差压式流量计测量湿空气的干部分流量要进行两方面的计算。一个是工况变化引起的工作状态下湿气体密度的变化对测量结果的影响,另一个是扣除湿空气中的水蒸气并换算到标准状态下的体积流量。将式(3.34)和式(3.35)代入式(3.33)得

式中,符号意义同式(3.32)~式(3.35)。

湿空气的干部分流量可用式(3.39)计算

式中 q&v——湿空气的干部分流量实际值,m3/;

qv——湿空气的干部分流量计算值, m3/h;

其余符号意义同式(3.38)。

其中ρf由式(3.38)计算得到。

2 负压空气流量的测量

负压空气流量测量对象并不太多,常见于需要负压空气的生产流程,如卷烟的生产过程中。

负压空气同样是含能工质,对负压空气的耗量进行计量,以便进行能耗考核。

(1)负压空气流量测量的特点

①不允许流量测量引入明显的压力损失。负压空气的负压来自真空泵,很多台功率很大的真空泵所生成的负压只有负几十千帕,例如进口绝压为30kPa的真空泵,由强大动力转换成的负压只有-70kPa,如果负压管道上安装流量计后增大了阻力,产生较大的压损,将使动力损耗大大增加,这是与节能的宗旨背道而驰的。

②流量密度小,为仪表选型带来困难。

③流量计在负压管道上安装后,如果存在泄漏,很难察觉,在不知不觉之中,浪费了动力。

(2)流量计选型

由于上述个特点的约束,孔板流量计、涡轮流量计、容积式流量计等被否定掉。

由于上述第二个特点的约束,涡街流量计的选择也被否定掉了。因为在安装流量计处的管道内,绝压为30kPa的流体,其密度只有常压条件下空气密度的1/3,流体旋涡对传感器的推力相应变小,因此无法测量。

超声流量计,就个约束条件而言,是个很理想的选择,但需经过声阻抗校核,由于第二个特点的存在,具体测量点的声阻抗变得很小,以致产生阻抗匹配困难的问题。

所谓声阻抗(acoustic impedamce)是指介质对声波传递的阻尼和抵抗作用,它等于声压与介质容积位移速度之比。在超声流量测量中,声阻抗与声速成正比,与流体密度成正比,所以被测介质的绝压越低,声阻抗越小。

均速管差压流量计,其原理和结构将在3.5节讨论。对于负压空气流量测量的特点,均速管流量计是个很好的选择[1],但常用工况条件下的差压值需要计算,因为在流体密度较小工况条件下,差压值往往较小,如果在50Pa以下,仅表的稳定性将会变得不理想。

在均速管差压流量计中,有一种检测杆截面形状为"T"形的设计,其输出差压值约为普通菱形截面检测杆的2倍,能很好地解决这一问题[16]

图3-19所示是第三代T形均速管差压流量计的原理。其跨越整个管道的高压取压槽的设计,使得它有很好的抗堵性。一些杂质的吸附,不会带来大的测量误差。

在应用T形均速管测量负压空气流量时,往往配用3095MV多参数流量变送器(或其他型号的多变量变送器),这种变送器内置了0.065%度的差压变送器, 0.065%度的绝压变送器、温度变送器、高速CPU和大容量数据存储器,对流体流量进行实时、动态的完全补偿计算。

3 煤气流量的测量

在煤气生产、输送和分配各个环节有大量的煤气表,有的用于一般监视,有的用于贸易结算,其中用于贸易结算的计量系统,标准GB 17167规定了其度要求。

(1)煤气流量测量的特点

a.流体静压低、流速低,允许压损小,一般不允许用缩小管径的方法提高流速。

b.流体湿度高,有的测量对象还带少量水,在管道底部作分层流动。

c.有的测量对象氢含量高,流体密度小,用涡街流量计测量时,信号较弱。

d.煤气发生炉、焦炉等产出的煤气一般带焦油之类黏稠物,有的还带一定数量尘埃。

e.测量点位于压气机出口时,存在一定的流动脉动。

f.流体属易燃易爆介质,仪表有防爆要求。

g.从小到大各种管径都有。

h.***小流量与***大流量差异悬殊。

i.用于贸易结算的系统,计量度要求高;作为一般监视和过程控制的系统,度要求则低一些。

(2)标准规定的主要内容

2000年质量技术监督局发布了GB/T 18215.1《城镇人工煤气主要管道流量测量》部分采用标准孔板节流装置的方法,对煤气流量测量中的有关技术问题做了规定,其中:

①对流体的要求:"应是均匀的和单相(或可以认为是单相)的流体"。

②煤气在净化过程中都经过洗涤,因此一般水分含量都呈饱和状态,相对湿度为100%。

③用于贸易结算的测量系统准确度一般应优于2.5级。基本误差限以示值的百分比表示。

④煤气流量定义为湿气体中的干部分。

⑤测量结果以体积流量表示,并换算到标准状态。标准状态的定义除了一般取101.325kPa、20℃之外,还兼顾煤气行业的传统,也可取供需双方协商的其他温压和湿度。

⑥节流装置采用多管并联形式。

⑦在存在流动脉动的情况下,对测量平均流量提出了以下措施。

a.在管线上采用衰减措施,安装滤波器(由容器及管阻组成)。

b.仪表检测件尽量远离脉动源。

c.采用尽量大的β和Δp,在测量处减小管道直径。

d.管线、仪表支架安装牢固。

e.两根差压引压管阻力对称。

(3)仪表的类型与使用

可以用来测量气体的流量计有很多种,但测量煤气流量的理想仪表却几乎找不到,这主要是由煤气的特点所决定的。由于有焦油等黏稠物存在,旋转型的流量计使用困难。由于密度小、流速低,涡街流量计使用困难。由于富含水气以及气体组分有变化,热式流量计也不理想。***后还是已经使用几十年的差压式流量计唱主角。

①孔板差压流量计

a.可换孔板节流装置。国标GB/T 18215-2000规定的是标准孔板。如果测量点流体较脏,需采用可换孔板节流装置。这样在不停气的条件下,可对节流件进行清洗、检修、更换。可换孔板节流装置典型结构如图3.20所示。

b.圆缺孔板。圆缺孔板是专为脏污流体流量测量而设计的特殊孔板。其开孔是一个圆的一部分(圆缺部分),这个圆的直径为管道内径的98%。开孔的圆弧部分应定位,使其与管道同心,如图3.21所示。

当被测介质为湿气体而且管道水平布置时,管道底部有可能存在微量分层流动的液体,这时选用圆缺孔板能使液体从下半部的圆缺部分顺利通过节流件,而不会像标准孔板那样将液体阻挡在节流件前,以致积液,影响测量度。同样道理,当被测气体中含有粉尘时,由于粉尘密度比气体大得多,其中有些颗粒容易贴近管道底部被气流带走,选用圆缺孔板,颗粒也能顺利通过节流件,而不会像标准孔板那样颗粒在节流件前堆积。

在冶金行业,煤气流量测量对象较多,而且因为煤气含粉尘和水滴的情况也很普遍,所以圆缺孔板使用得十分普遍。

c.多管并联形式。多管(两管、三管或四管)并联形式的作用有三个,其一是扩大测量系统的范围度。由于管道中煤气流速一般都很低,因此,一台孔板流量计的范围度能达到3:1,那么,用一台大口径孔板与一台小口径孔板相配合,就能将范围度扩大为10:1。其二是实现在总管不停气的情况下拆洗节流装置,从而避开价格昂贵的可换孔板节流装置。当然,节流装置上下游必须装切断阀。其三是解决DN>1000管道的流量测量问题。例如用4副DN1000的节流装置并联使用,解决DN2000总管的流量测量。多管并联形式的缺点是设备数量和投资成倍增加。

d.煤气管排水和防冻。水平敷设的煤气管道,有时发现管道底部有水流动,必须在节流装置前装排水设施。简单又可靠的方法是利用水封实现自动排水,如图3.22所示。图中的液位差与压力有如下关系。

h=P/(gρ) (3.40)

式中 h——液位差, m;

ρ——煤气压力, Pa;

g——重力加速度, m/s2

ρ——水的密度, kg/m3

在冰冷季节,排水设施内甚至地上敷设的煤气管道的水都有可能会结冰,为防冻害,应采取防冻措施o

②均速管差压流量计。标准孔板差压流量计在煤气流量测量中有极为重要的地位,有悠久的使用历史。由于这一方法有丰富的实验数据,设计加工已经标准化,只要按标准进行设计、加工、安装、检验和使用,无需进行实流标定,就能达到规定的准确度,因而非常方便,并获得广泛应用。但是在管径较大时,一套可换孔板式节流装置价格相当可观,所以如果测量数据仅用于过程监测,度要求也不高,那么就可选用均速管差压流量计。

均速管差压式流量计在气体流量测量中应用成败的关键是引压管不要被水滴堵住。由于定型的均速管产品所带的切断阀多半为针型阀,通径较小而流体中的水气经冷凝变成水滴,如果针型阀处理得不好或引压管坡度欠合理,此液滴极易将通路封死。

差压式均速管输出的差压信号一般都很小。当流体为常温常压的空气时,如果流速为10m/s,只能达到62.5Pa的差压[15]。这样,一滴水滴将差压传送通道封住,就足以将此差压全部抵消掉。有的制造商将正负压切断阀改为通径较大的直通闸阀,为保证仪表的可靠使用创造了条件。均速管典型安装位置以及同差压计的连接如图3.23所示。

(4)用差压式流量计测量湿煤气干部分所用的公式

式(3.1)和图3.1所示的方法同样适用于煤气流量的测量。只是由于流体的性质不同,基本公式中ρl的求法不同。由于测量任务的不同,要从基本公式中的质量流量qm进一步计算湿煤气的干部分流量还必须补充其他公式[17]

①煤气密度计算公式

a.标准状态下湿煤气的密度ρN按式(3.41)计算。

式中 ρgN——湿煤气在标准状态下干部分的密度, kg/m3

ρsN——湿煤气在标准状态下湿部分的密度, kg/m3(由查表3.6得);

tN——标准状态温度,℃。

b.煤气在标准状态下干部分的密度ρgN用式(3.43)计算。

式中 Xi——煤气各组分的体积分数, %;

ρgN——煤气各组分在标准状态下的密度,kg/m3(由查表3.7得[2])。

c.工作状态下由煤气的密度按式(3. 44)计算。

式中 ρgl——湿煤气在工作状态下干部分的密度, kg/m3

ρs1——湿煤气在工作状态下湿部分的密度, kg/m3

ρgl和ρs1分别按式(3.45)和式(3.46)计算。

式中PN、Pl——标准状态和工作状态下气体压力, Pa;

ZN、Z1——标准状态和工作状态下气体压缩系数;

TN、Tl——标准状态和工作状态下气体温度, K;

ρslax——工作状态下饱和水蒸气压力[ρslax=f(tl)由Tl查表3.5得], Pa;

ρslmax——工作状态下饱和水蒸气密度, kg/m3 (pslmax=f(tl)由Tl查表3.5得);

Ψl——工作状态下湿煤气的相对温度(一般取100%)[4]

tl——节流件正端取压口平面处的流体面度, ℃。

将式(3.45)和式(3.46)代入式(3.44)得

②湿煤气工作状态下体积流量的计算

式中的符号与式(3.45)~式(3.47)相同。

③湿煤气工作状态质量流量的计算

求得qm和ρl后,就可利用式(3.1)计算节流装置。

④温度压力及ε1的补偿。气体温度和压力变化后,湿气体干部分在标准状态下的流量可用式(3.51)进行补偿[17]

式中,带"&"者为实际使用工况条件下的参数,不带"&"者为设计工况所对应的参数,在节流装置计算书中都能找到。

式(3.51)由于工况变化,ρ1已经从式(3.48)所表示的值变成式(3.52)所表示的值。

因此,将式(3.52)代入式(3.51)就可得到完整的补偿公式。

式中 q&VN——经过补偿的湿气体干部分体积流量, m3/h;

qVN——设计状态湿气体干部分体积流量,m3/h;

p&1——设计状态节流件正端取压口气体压力, MPa(实测值);

P&slmax——设计状态下饱和水蒸气压力, kPa(由T&1查表得);

P1——设计状态节流件正端取压口气体压力, MPa(查孔板计算书得);

Pslmax——设计状态下饱和水蒸气压力, kPa(由Tl查表得);

ε&1——工作状态流体可膨胀性系数[按式(8.3)计算得];

εl——设计状态流体可膨胀性系数(查孔板计算书得);

T1——设计状态气体热力学温度, K(T1=tl +273.16,查孔板计算书得);

T&1——工作状态气体热力学温度, K(由气体温度实测值换算得);

Z1——设计状态气体压缩系数(查孔板计算书得);

Z&1——工作状态气体压缩系数(设置或自动计算[17] ) ;

ρ1——设计状态节流件正端取压口气体密度, kg/m3(查孔板计算书得);

PN——标准状态气体压力,101.302KPa;

TN——标准状态气体热力学温度, K(TN=293.16K);

ZN——标准状态气体压缩系数(ZN=1.0000);

ρgN——标准状态干煤气密度, kg/m3

(5)孔板设计计算举例(节流件为标准孔板)。

(6)管道内壁积灰及其对测量的影响

①积灰普遍存在

a.上海某钢厂采用孔板流量计测量煤气发生炉出口煤气流量,由于煤气中粉尘含量较高,数年后,管道内壁生成一层沉积物,结垢如同沥青路面,质地坚韧、不易清理,是煤气中的煤焦油和粉尘在管道内壁日积月累形成的。

b.上海的另一家钢厂用差压式流量计测量煤气流量,由于担心孔板积灰后影响测量度,所以节流装置选用文丘里管,使用半年多后,发现流量示值逐渐偏高,于是在停车检修时对文丘里管拆开检查,发现文丘里管内壁积了一层含灰尘的焦油,就连流速***高的喉部也未幸免。但每年一次停车检修时,用溶液清洗干净后仍可继续使用。

c.重庆钢铁集团企业采用圆缺孔板测量高炉煤气流量,在使用数年将节流装置拆下清洗时发现,孔板圆缺部分高度的1/8~1/6被堆积物占据[18]

d.徐州某化工厂用均速管差压流量计测量煤气发生炉出口管(DN700)流量,使用一段时间后,发现流量示值逐渐升高,比物料平衡计算结果高百分之几。经检查发现,管道内壁结了一层厚度不等的沥青砂,水平管道下部内壁结得较厚,约30mm厚,管道上部内壁结得较薄,约10mm厚。

②处理方法之一。清除沉积物或更新管道能将沉积在流量计前后一定长度的管段内的沉积物和节流件表面的沉积物清除掉而又不损坏仪表,当然能恢复仪表的应有测量度。但是沉积物往往既硬又韧,不易清理,因此,如果有停车机会可将节流件前30D、节流件后15D的管道局部更新,当然是个好办法。

③处理方法之二。对沉积物引入的误差进行修正。

a.标准孔板差压式流量计。煤气中的焦油和粉尘在标准孔板表面及管道内壁的沉积可分两种情况。种情况是煤气中粉尘经彻底洗涤过滤的测量对象,孔板端面和管道内壁只薄薄地结了一层焦油。第二种情况是煤气中含有较多粉尘的测量对象,管道内壁结了一层厚度达数厘米的"沥青砂"。

对于前一种情况,钢管内壁被焦油站污后,对流动的煤气有一定的黏附作用,此作用引人多大的误差尚无标准规定,很难做出估算,但影响值肯定微小,以致可以忽略不计。管道内壁上的一层焦油虽然可能有2mm厚,但因煤气管道直径一般较大,例如公称直径为1000mm,因此对测量影响也很微小。

对于后一种情况,影响稍大些,它是通过直径比β变大导致流出系数C变化以及 变化[1],进而引起流量示值相应变化的。例如有一副DN1000标准孔板,β为0.7,在雷诺数ReD为2×105

=0.60677(以角接取压为例)

在管道内壁被均匀结了一层20mm厚的沉积物后,β增大为0.7365,令ReD仍为2×105,按相同的公式计算,C为0.60372,

所以结垢前流量系数

结垢后流量系数

结垢流量系数变化率为

由此引起的流量示值变化为-3.2%R。

b.文丘里管差压式流量计。文丘里管前后直管段内壁结沉积物,可以认为对测量结果无影响,因为其流出系数可看作与直径比无关,但喉部结垢引起的误差要比标准孔板大。例如有一副文丘里管,其DN为1000mm,喉部直径为700mm,喉部内壁结垢5mm后,其流通截面积约比原来减小2/70,则流量示值增大约2.86%R。

c.圆缺孔板差压式流量计。圆缺孔板前后直管段内壁沉积物对流量测量的影响主要包括两个部分,其一是使节流件开孔面积与管道截面积之比m发生变化对流量测量的影响,其二是因缺孔有效面积变小对流量测量的影响。前者影响与标准孔板相似。但在管道截面积缩小的同时,圆缺孔有效面积也缩小一些。因此m变化不大。例如有一副DN1000的圆缺孔板,m为0.49,管道内壁被均匀结了一层20mm厚的沉积物后,管道截面积减小为O.7238m2,而圆缺孔面积约减小为O.3547m2(将圆缺孔圆弧看作与管道圆弧相切),所以,β2仍为O.49。后者的影响较大,因为无沉积物时,开孔面积为O.3848m2,而沉积物厚度为20mm时,开孔有效面积为O.3547m2,约为无沉积物时的92.18%,因此仪表示值约偏高8.5%R。

实际计算时,因为圆缺孔半径为管道半径的0.98, 20mm厚的沉积层10mm阻挡了圆缺孔,所以实际影响只有8.5%的一半。

d.均速管差压式流量计

均速管流量计是由均速管测量管道内的平均流速,然后乘流通截面积,并扣除均速管插入管道部分的阻塞影响。均速管前后直管段内壁沉积物对流量测量的影响,如果忽略阻塞系数的微小变化,就可简单地看作流通截面积减小对流量示值的影响。

例如有一副均速管,管道内径为1000mm,管道内壁被均匀结了一层厚度为20mm的沉积物后,流通截面积从0.7854m2减小为O.7238m2,在实际流量不变的情况下,流速增大,因而仪表显示值相应增大,增大值为(0.7854-0.7238)/0.7238=8.5%R。

以上的分析和计算都是理想化的,实际情况要复杂得多,管内壁沉积物厚度不可能是均匀一致的,总是上面薄下面厚。但方法可以使用。

④对沉积物影响进行预测。由于大口径流量计拆开检查修理周期较长,如果次拆开检查时发现沉积物结得比较严重,而且未清除,可根据沉积物厚度计算流量影响值。如果流体条件不变,则未来一段时间沉积物继续增厚,流量影响值相应增大是必然的,于是就可从拆开检查时测得的沉积层厚度和沉积时间计算沉积速率,并令以后以相同的速率继续沉积,从而对未来的流量影响值进行预测。

4 天然气流量的测量

(1)天然气计量的发展趋势和主要方法

目前,国际天然气贸易计量分为体积计量、质量计量和能量计量三种。工业发达质量计量和能量计量两种方法都在使用。我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量,目前基本上以体积计量为主。

按有关标准规定,天然气的标准状态体积流量qvn以m3/s为单位,工作状态体积流量qvf以m3/s为单位;质量流量qm以kg/s为单位;能量流量以MJ/s为单位。

①天然气标准体积流量计算。标准状态体积流量qvn计算式为

式中 qvn——标准状态体积流量, m3/s;

qvf——工作状态体积流量,m3/s,体积流量计实测值;

qm——质量流量, kg/s,质量流量计实测值;

ρf——工作状态下的密度, kg/m3,实测或计算;

ρn——标准状态下的密度, kg/m3,实测或计算o

天然气在工作状态下的密度ρf按式(3.57)计算。

式中 Ma——干空气的摩尔质量,其值为28.9626kg/kmol;

R——通用气体常数,其值为O.00831451MPa ? m3 (kmol· K);

Za——标准状态下干空气的压缩因子,其值为O.99963;

Zn——标准状态下天然气的压缩因子,按GB/T 17747, 1~3标准计算;

Pf——工作状态下天然气的静压, MPa,压力实测值;

Tf——工作状态下天然气的热力学温度, K,温度实测值;

Zf——工作状态下天然气的压缩因子,按GB/T 17747, 1~3标准计算;

Gr——天然气的真实相对密度。

天然气在标准状态下的密度Pn的实用公式与式(3.57)相似,其中ρf、Tf、Zf用标准状态的Pn、Tn、Zn替代即可。

因此天然气标准体积流量qn的计算式还可写成

式中 qvf——含义同式(3.55);

Pf——工作状态压力, MPa,压力实测值;

Tf——工作状态热力学温度, K,温度实测值;

Zf——工作状态下天然气的压缩因子,按GB/T 17747,1~3标准计算;

pn——标准状态压力, MPa,其值为0.101325 ;

Tn——标准状态热力学温度, K,其值为293.15;

Zn——标准状态下天然气的压缩因子,按GB/T 17747,1~3标准计算。

②天然气质量流量计算。天然气的质量流量计算式为

式中 qm——天然气的质量流量, kg/s,除由式(3.59)计算外,也可由质量流量计直接测量;

qvf——含义同式(3.55) ;

ρf——含义同式(3.55)。

工作状态下的天然气密度ρf可用气体密度计在线进行天然气气流密度的实测,用实测值参与流量计算。如果用式(3.57)计算ρf值,应有工作状态下的静压Pf、热力学温度Tf和天然气组分分析数据Yi(组分摩尔分数),按相应的标准计算天然气的摩尔质量Mm和压缩系数Zf,***后才能计算出pf的值来。

③天然气能量流量计算。天然气的能量流量可以由标准体积流量或质量流量乘以发热量Hs来计算。以标准体积流量计算能量流量的计算式为

式中 En——天然气的能量流量, MJ/s;

qvn——天然气的标准体积流量,由式(3.55)或式(3.58)所得结果;

Hsnv——单位标准体积的高位发热量, MJ/m3,实测或计算。

以质量流量计算能量流量的计算式为

式中 En——含义同式(3.60);

qm——天然气的质量流量,由式(3.59)所得结果;

Hsnm——单位质量的高位发热量, MJ/s,实测或计算。

④发热量测量。天然气发热量可采用直接或间接的测量方法获得。对于管网系统,当使用直接测量不经济时,其结算用的发热量也可以用计算方法获得。两种方法都有在线和离线两种方式。

a.直接测量法。直接测量法可按GB 12206标准的要求进行。采用水流式热量计,由水流量稳定调节、天然气流量稳定调节和测量、水温气温测量、气体燃烧和水计量五部分组成。仪器的具体操作方法修正系数计算请参阅GB 12206-1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》。

b.间接测量法。间接测量法是采用GB/T 11062标准规定的方法测量天然气的发热量, 它是基于对天然气组分进行全分析,然后进行计算,各组分含量同各自发热量的乘积之代数和即为天然气的发热量。组分分析一般采用气相色谱法,具体操作方法请参阅GB/T13610-1992《天然气的组成分析——气相色谱法》。

⑤密度测量。天然气密度可以用天然气密度计在线直接测量,也可离线间接测量。

a.在线密度测量。在线密度测量是为了求得流过流量计的天然气质量流量。如果要求得到天然气的标准体积流量,还需得到标准状态下的天然气密度。

对于孔板流量计而言,若在线密度计的样气从上游取压孔取出,样气流入在线密度计,它应以特别低的流速流入,并保证对压力和差压的测量没有影响。

除旋转式容积流量计以外的其他流量汁,在线密度计宜安装在流量计下游,以避免流量计入口速度分布被干扰。

从取样口到在线密度计之间的连接管线应尽量短,连接件、管线应绝热保温,以减小环境温度对取样气的影响。

为确保在线密度计所测密度值与流经流量计的密度值相同,应将密度传感器的露出部分和流量计的上、下游适当长度的管路进行隔热。

在线密度计应有样气温度测量,当样气温度同主管道中天然气温度有差异时,应该用修正值进行补偿。

b.离线密度计算。在计量站取样口取出有代表性的样气,采用气相色谱仪分析出天然气的全组分分析数据,测量出主管道内天然气静压力和流体温度,然后按式(3.57)计算工作状态下的流体密度。其中摩尔质量Mm按标准GB/T 11062计算得到;工作状态下压缩系数Zf按GB/T 17747. 1~3标准计算。

⑥几种天然气常用流量计选型指南。不同的准确度要求和不同的使用条件,天然气流量测量可有多种仪表可选,应综合考虑其准确性、可靠性、安全性及经济性等因素后确定,过分追求高准确度会增加不合理的费用。表3.8所列是几种天然气常用流量计选型指南。

(2)标准孔板差压式流量计方法

标准孔板差压式流量计已经成为全世界***主要的天然气流量计。几十年来AGA Report No.8总结了几十项针对天然气计量的专项研究和实践应用,在量的基础上产生了质的飞跃,其标志就是标准化,即使用标准孔板流量计,可以无须实流校准而确定信号(差压)与流量的关系,并估算其测量误差,目前在全部流量计中是惟一达到此标准的。为了消除自身存在的输出信号为模拟信号、重复性不高、范围度窄、压损大等重大缺点,采用了微电子技术、计算机技术、定值节流件和标准喷嘴等技术装置,使其技术水平有了进一步提高。

①流量计算方法。用来测量天然气流量的标准孔板流量计,就其结构和基本计算公式来说,同测量一般气体的孔板流量计并无二致,有差异的仅仅是计算基本公式中的关键变量工作状态下流体密度ρ时,针对天然气的特性有一些专用的方法。AGA Report No.3(l990~ 1992年第3版)《天然气流体计量同心直角边孔板流量计》提供了实用方法。我国在ISO 5167:2003的基础上,参考了AGA报告了制订了行业标准SY/T6143-2004《用标准孔板流量计测量天然气流量》。

GB/T 2624-2006中给出的质量流量同差压的关系如式(3.1)所示,由于标准孔板计量方法中规定,采用标准状态的体积流量qvn计量天然气,其计算式为

式中 ρn——天然气在标准状态下的密度, kg/m3

将式(3.62)整理后代入式(3.1)得出标准体积流量qvn计算的基本公式为

式中 ρ1——天然气在流动状态下上游取压口处的密度, kg/m3

根据

式中 Gr——标准状态下的天然气真实相对密度;

Z1——天然气在流动状态下上游取压口处的压缩系数;

Pl——天然气在流动状态下上游取压口处的压力, MPa;

Tl——天然气在流动状态下上游取压口处的热力学温度, K;

Pn——标准状态压力, MPa,其值为0.101325;

Tn——标准状态热力学温度, K,其值为293.15;

Za——干空气在标准状态下的压缩因子;

Zn——天然气在标准状态下的压缩因子;

Ma——干空气的摩尔质量;

R——通用气体常数。

联解式(3.63)、式(3.64)和式(3.65),整理得到天然气标准体积流量计算的实用公式:

式中 qvn——标准状态下天然气体积流量, m3/s;

As——秒计量系数,视计量单位而定,此式

C——流出系数;

E——渐近速度系数,

d——孔板开孔直径, mm;

FG——相对密度系数;

ε1——可膨胀性系数;

Fz——超压缩系数;

FT——流动温度系数;

P1——孔板上游取压口流体静压, MPa;

ΔP——气流流经孔板时产生的差压, Pa。

②系数参数确定

a.相对密度系数FG。该系数是在天然气流量实用方程推导过程中定义的一个系数,其值按下式计算

真实相对密度Gr按SY/T 6143式(A.7)确定。

b.天然气超压缩系数Fz。天然气超压缩系数是因天然气特性偏离理想气体定律而导出 的修正系数,其定义式为

式中 Zn——天然气在标准状态下的压缩因子;

Zf——天然气在流动状态下的压缩因子。

Fz值按SY/T 6143表A.2.1或A.2.2确定。

c.流动强度系数FT。流动温度系数FT是因天然气流经节流装置时,气流的平均热力学温度T偏离标准状态热力学温度(293.15K)而导出的修正系数,其值按下式计算:

式中

tf——为天然气流过节流装置时实测的气流温度,℃。

③天然气流量计算实例(孔板开孔直径设计计算)详见3. 8节。

(3)气体涡轮流量计方法

气体涡轮流量计是仅次于孔板流量计的被广泛用于天然气流量测量的仪表。

气体涡轮流量计的优点是结构简单,安装方便;外形尺寸相对较小;度高;重复性好;范围度宽,可达到15:1~25:1,在高压输气的情况下,范围度还可增大;其输出为脉冲频率信号,因此在同可编程流量显示表配用时,容易得到较低的系统不确定度。近几年来,国内已有不少仪表厂生产这种仪表,并在油气田推广应用。

其不足之处是涡轮高速转动,轴承与轴之间机械摩擦,寿命不很长,因此应注意润滑,可利用制造厂所提供的润滑手段,定期补给润滑油。

另外,高速流动的气体中如果含有较大的固体颗粒,很容易将涡轮叶片打坏,因此,涡轮流量计前的管道上应加装过滤器。

仪表投运步骤;如果计量回路装有旁通阀,应先开足旁通阀,然后开足上游切断阀,再缓慢开启下游切断阀,***后缓慢关闭旁通阀;如果计量回路没有安装旁通阀,则应先开足上游切断阀,然后缓慢开启下游切断阀,防止涡轮受高速气流冲击而损坏。

(4)气体超声流量计方法

用声学测量技术测量流体流量已有约40年的历史,特别是20世纪90年代以来,随着高速数字信号处理技术和先进的压电陶瓷技术的发展,用气体超声流量计测量天然气流量的技术取得了突破性发展。由于具有高技术的气体超声流量计具有测量范围宽、测量准确度高、无压损及可动部件、安装使用费用低等诸多优点,它己被欧美等国几百家用户用于天然气贸易计量。至今已有美国、荷兰、英国、德国等12个的政府批准气体超声流量计作为法定计量器具。美国煤气协会已于1998年6月发布了AGA Re-port No.9《用多声道超声流量计测量天然气流量》。我国主要参考了该报告,并参考了 ISO/TR 12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》,制订了相应的标准 GB/T 18604-2001《用气体超声流量计测量天然气流量》。

①基本原理。用来测量天然气流量的超声流量计一般是自带测量管段的由超声换能器等构成的时差法流量计量器具,换能器一般沿管壁安装,且直接同流体接触,由一个换能器发射的超声波脉冲被另一个换能器所接收,反之亦然。图3.24所示为Tx1和Tx2两个换能器的简化几何关系, 声道与管道线间的夹角为Ψ,管径为D。在某些仪表中采用了反射声道,此时声波脉冲在管壁上经一次或多次反射。

超声脉冲穿过管道如同渡船河流。如果没有流动,声波将以相同速度向两个方向传播,当管道中的气体流速不为零时,沿气流方向顺流传播的脉冲将加快速度,而逆流传播的脉冲速度缓慢。因此,相对于没有气流的情况,顺流传播的时间tD将缩短,逆流传播的时间tU会增长,根据这两个传播时间,就可以计算测得流速。这就是时差法超声流量的基本原理。

在图3.24中,有下面的关系式成立,即

将式(3.70)和式(3.71)联立并解之得

式中 L——超声在换能器之间传播路径长度, m;

X——声道长度在管轴线的平行线上的投影长度, m;

tD、tU——超声顺流传播时间和逆流传播时间,S;

c——超声在静止流体中的传播速度, m/s;

Vm——流体通过换能器之间声道上平均流速, m/s。

其实,式(3.72)计算得到的流速还只是沿声道方向流体速度的平均值。而用户想知道的是管道横截面上的平均流速v,由Vm计算v一般引入一个速度分布校准系数是c,即

式中 V——管道横截面上的平均流速;

kc——速度分布校准系数;

Vm——含义同式(3.72)。

kc的数值主要取决于流体的雷诺数。如果声道在通过管道轴线的平面内,则由下式给出kc的一个近似值[22],即

对于充分发展的紊流,如果声道不在通过管道轴线的平面内(即倾斜的弦线),则kc系数及它与雷诺数的关系都将不同。在多声道流量计中,这种情况是常见的,因为换能器有多种布置形式,声道可以相互平行,也可能是其他取向。流量计可以沿两个或多个倾斜弦线直接传播声波或经反射传播声波。用于将各个声道的测量值合成为平均流速的方法也随流量计的特定结构而变化。

②流量测量准确度

a.气体超声流量计的测量准确度受下列诸因素的影响:流量计壳体几何尺寸和超声传感器位置的参数的准确性;流量计所采用的积分技术;速度分布剖面的质量、气流的脉动程度和气体的均匀性;传播时间测量的准确度。传播时间测量的准确度又取决于电子时钟的稳定性、对声脉冲波参考位置检测的一致性及对电子元件和传感器信号滞后的适当补偿。

对于每一尺寸结构的气体超声流量计,制造厂家应规定流量界限值,即***小流量qmin、转换点流量qt和***大流量qmax,而且在不同的流量区间进行任何校准系数调整之前,测量性能应满足下列要求。

重复性:±0.2% qt≤q≤qmax (q为被测流量,下同。)

±0.4% qmin≤q≤qt

分辨率:O.001m/s

速率采样间隔:≤1s

***大峰间误差(见图3.25):0.7%, qt≤q≤qmax

零流量读数(对于每一声道):<12mm/s

气体超声流量计的准确度不仅同流速有关,而且同仪表口径有关。对于小口径仪表,由于声道长度较短,在紊流气体中测量声波传播时间比较困难,因此小口径气体超声流量计的准确度较难提高。

b.大口径流量计的准确度。在进行任何校准系数调整之前,口径等于或大于300mm的 多声道气体超声流量计应当满足下列测量准确度要求(见图3.25)。

***大误差: ±0.7% qt≤q≤qmax

±1.4% qmin≤q≤qt

c.小口径流量计的准确度。在进行任何校准系数调整之前,口径小于300mm的多声道气体超声流量计应满足下列测量准确度要求(见图3.25)。

***大误差:±1.0% qt≤q

±1.4 % qmin≤q≤qt

d.双向测量的准确度。气体超声流量计具有双向测量能力,而且双向测量的准确度相同。

③仪表的使用

a.适用范围。气体超声流量计适用于DN≥100mm、ρ≥0.3MPa(表压)的生产装置、 输气管线、储藏设施、配气系统和大用户终端计量站中的天然气计量。

b.天然气气质要求。流量计所测量的天然气组分一般应在GB/T 17747和GB 17820所 规定的范围内;天然气的真实相对密度为0.55~0.8。

在可衰减声波的CO2含量超过10%,或在接近天然气混合物临界密度的条件下工作,或总含硫量超过460mg/m3(包括硫醇、H2S和元素硫)的情况下,用户应向制造厂提出相应的专门要求。

c.测量管内附着物的处理。正常输气工况下在流量计测量管内的附着物(如凝析液或带有加工杂质的油品残留物、灰和砂等)会减少流量计的流通面积,影响计量准确度。同时附着物还会阻碍或衰减超声传感器发射和接收超声信号,或者影响超声信号在流量计测量管内壁的反射,因此流量计测量管应定期检查、清洗。

④仪表的安装

a.避开振动环境。气体超声流量计的安装应尽可能避开振动环境,特别要避开可能引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。

b.避免声学噪声干扰。来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声流量计的准确测量带来不利影响,在设计、安装过程中应让气体超声流量计尽可能远离噪声源或采取措施消除噪声干扰。

c.气体过滤。在介质较脏的场合,可在流量计的上游安装效果良好的气体过滤器。过滤器的结构和尺寸应能够保证在***大流量下产生尽可能小的压力损失和流态改变。在使用过程中,应监测过滤器的差压,定期进行污物排放和清洗,确保过滤器在良好的状态下工作。

d.双向应用的配管。如果所使用的气体超声流量计具有双向流测量功能,并且也准备将其应用于这种测量场合,那么在设计安装时,流量计的两端都应视为上游,即下游的管道配置形式及相关技术要求应与上游一致,并符合直管段等要求。

⑤组态和维护App。流量计应具有对信号处理单元(转换器)进行就地和遥控组态及监控流量计运行的能力,该App至少应当显示和记录下列数据;瞬时流量、轴向平均流速、平均声速、沿每一声道的声速和每一超声换能器所接收的声波信号的质量。

?报警功能。流量计应能以失效安全型、干继电器接点或与地隔离的无源固态开关的

形式提供下述报警状态输出,以便及时采取应急措施。

a.输出失效:当在管输条件下指示的流量无效时。

b.故障状态:当若干个监视参数中的任一个在相当的一段时间内超出了正常工作范围。

c.部分失效:当多路声道的一个或多个无法使用时。

⑦零流量检验测试。每台流量计都应进行零流量检验测试,并遵循以下步骤。

a.在流量计两端装上盲板后,用抽吸或置换的方法将流量测量管内的所有空气排出, 压进声速已知的纯气体(通常为氮气)或混合气体,在这个测量腔内保持零流量。

b.从测试开始,气体的压力和温度应保持稳定。在零流量时,信号的顺流传播时间tD和逆流传播时间tU应是相等的,即

③实流校准

a.校准应测试下列流量点: qmin、O.1Oqmax、O.25qmax、O.40qmax、O.7Oqmax和qmax。

b.实流校准应在用户平均操作条件的气体温度、压力和密度下进行。校准时应考虑标准装置的不确定度对测试结果不确定度的合成。

c.在实流校准测试时,每个流量点至少测试3次,每次数据采集时间不得小于lOOs, 一般为200s,并取3次平均值,在流量下限部分,测试可增加到5~lO次。

d.校准完毕,可根据各流量实验点的误差计算校正值,并采用合适的误差修正方法予以修正。

⑨现场验证测试要求。气体超声流量计一般都有丰富的自诊断功能,在仪表工作异常时,调阅诊断信息,可获得重要线索。除此以外,还可通过下面的测试和分析,对仪表工作情况作出判断。

a.零流量测试。在无流动介质的情况下,检查流量计的读数是否为零或在流量计本身规定的允许范围内。

b.声速测试及分析。首先测出某一工况条件下的实际声速,再计算出相同条件下的理论声速,两者之间的差值应在仪表本身规定的允许范围内。

c.声道长度测试及分析。首先测量出实际声道长度,然后在零流量条件下,由理论声速和测量出的传播时间计算出声道长度,两者之间的差值应在仪表本身规定的允许范围内。

d.声道间读数差异检查。对于多声道超声流量计,应检查不同声道在零流量条件下的读数,其读数差异应在仪表本身规定的允许范围内。

(5)城市天然气流量计的选型 城市是天然气使用的***终用户,城市普遍使用天然气是现代化的标志之一。面对系统繁杂、需求多样的用户群体,要处理许多同输气计量站不同的问题,其显著的特点是:流体压力较低(1.6MPa以下);口径较小(DN300以下);安装条件差(直管长度不足);管道维护力量薄弱;要求计量仪表功能简明易懂、操作方便、免维修、价格适中等。在作计量仪表选型时,不仅要考虑用户的经济承受能力,还要兼顾用户单位仪表选型的传统习惯。在众多的流量计类型中,除了上面三种,常见的还有下面几种。

①旋转式容积流量计。用作天然气计量的旋转式容积流量计主要是气体腰轮流量计,不仅可用来计量干气,也可用来计量湿气(即伴生气)。由于孔板流量计和涡轮流量计不适应测量含有液滴的伴生气,气体腰轮流量计因没有严格要求,所以相对具有一定的优越性。容积式流量计的另一优点是对流动脉动不敏感。

气体腰轮流量计在使用中应注意以下几个问题。

a.为防卡、堵,流量计前应加装网目数恰到好处的过滤器,并注意排污、检查和清洗 过滤网。

b.仪表投运前应先走旁通,并确保仪表前、过滤器后的管段内没有焊渣等垃圾。投运步骤与前面所述的气体涡轮流量计相同。防止腰轮在超速条件下运行o

c.应防止计量腔积液,为此,仪表应垂直安装,流量计应高出工艺管线,以便定期排出积液。

d.容积式流量计运行出现问题时,其上下游压差可能产生相应变化,因此维修人员应经常留心观察此压差,从而对故障是否存在作出判断。

e.冲洗管道的蒸汽禁止通过流量计。

f.定期拆洗保养和润滑。

容积式流量计的不足之处是高速转动时噪声较大。转动部分一旦被垃圾卡死就会影响天然气的供应。其另一个特殊的地方是有降压脉动。根据测量原理,腰轮转动时会产生小的压力脉动。通常情况下,此脉动对自身测量无影响,但在用标准表同腰轮流量计串联起来校准时,就有可能对标准流量计的准确度产生影响。

旋进旋涡流量

a.仪表结构与工作原理。旋进旋涡流量计的结构如图3.26所示,它由壳体、旋涡发生器、检测元件和转换显示系统组成。旋涡发生器使气流旋转并产生旋涡流,壳体内的文丘里管及扩散段使涡流发生进动,检测元件将进动频率检测出来。转换和显示系统将检测到的信号放大和转换后经运算在显示器上显示并将信号送二次表处理。

b.仪表的特点:工作温度范围宽;范围度大;雷诺数在一定范围内,不受流体温度、压力、密度和黏度影响;适应性强,除含有较大颗粒或较长纤维杂质外,一般不需装过滤器;对上下游直管段要求较低,取上游4D和下游2D直管段即可输出频率同体积流量成线性关系。

其不足之处是压损较大,其次,旋进旋涡流量计属流体振动式流量计,对于管道振动和电磁干扰较敏感,所以只能在振动较小、无电磁干扰的环境中使用。

5 间接法测量组分变化气体的质量流量

众所周知,采用温度、压力和压缩系数补偿的方法可以用来测量气体质量流量,但这仅限于组成稳定或组成只有很小变化的一般气体,这时,组成对流体密度的影响可予忽略,因此对测量示值的影响也可忽略。

对于组成变化较大的气体,组成对流体密度的影响就不能忽略了。例如在炼油厂、石化厂,有些石油加工过程中的石油气组成变化很大,流体标准状态密度在较大的范围内变化。有的可燃气体系统变化范围可达0.1554~2.0321kg/m3[27],这时,如果仍然将流体标准状态密度当作常数来处理,***大测量误差就将达百分之几十,这是不允许的。

采用涡街流量计与孔板差压式流量计串联并同流量演算器一起组合而成的测量系统能很好地解决这个问题,其原理框图如图3.27所示。

在该系统中有下面的关系式。涡街流量传感器数学模型为

式中 qm——质量流量;

ρ——涡街流量传感器出口端流体密度;

f——涡街流量传感器输出频率;

Kt——涡街流量传感器工作状态下流量系数。

孔板式差压流量计数学模型为

式中 k1——系数;

ρ1——节流体正端取压口处流体密度;

Δp——差压。

将式(3.77)平方后除以式(3.76)得

由于孔板差压式流量计串接在涡街流量计后面,ρ1与ρ近倒相等,即

所以式(3.78)可化简为

在流量演算器中具体实现式(3.80)时,Δρ可由式(3.81)求得。

式中 Ai——差压输入信号;

Δpmax——流量测量上限所对应的差压。

而k1可由孔板差压式流量计的满度条件求得。

从式(3.77)得

式中 qmmax——流量测量上限;

ρ1d——设计状态下孔板正端取压口流体密度。

所以

因此,将Kt、ΔPmax、qmmax和ρ1d置入演算器,仪表就能从输入信号Ai和f计算qm。

演算器不仅能计算和显示质量流量,而且能计算和显示密度ρ。

将式(3.76)、式(3.80)和式(3.79)联立解之得

仪表显示的流体密度值可用成分分析仪器测得的混合气体组分值,与经下式计算得到的理论密度进行比较,求得示值误差。

式中 ρn——标准状态混合气体密度;

X1,…, Xm——各组分的含量(V/V);

ρ1,…,ρm——标准状态条件下各组分密度。

工作状态下混合气体理论密度ρf为

求得理论密度后,还可用式(3.76)计算理论质量流量,用以校验仪表的质量流量示值。这一方法尤其适合流体组分变化频繁、变化幅度大的对象,但需两台流量计,对于管径较大的对象,投资略大些。所以,对于组分变化不频繁、变化幅度也不很大的对象,例如天然气流量测量,可用温度、压力补偿,再配上组分修正的方法,更可节约投资。

使用这个方法进行组分补偿时,选择几个变化幅度较大的组分定期用仪器进行分析,并用人工方法修改流量演算器中相应窗口的组分设置值,用新的分析值取代原有的设置值。仪表运行后就可按式(3.84)和式(3.85)计算流体密度,进而计算质量流量或标准状态体积流量。

智能流量演算器是工业仪表,采用演算器完成上述演算不仅度高,可靠性好,而且安装使用方便。

6 用科氏力流量计测量组分变化气体的质量流量

近年来,科氏力流量计的制造技术获得了快速发展,例如CMF1OO传感器与2400S变送器配用,测量液体时,流体的质量流量度可达流量值的±0.05%,而且已延伸到气体流量的测量。应用上述配置的流量计测量气体质量流量,度可达流量值的±0.35%。因为它能直接显示质量流量,所以比3.2.5节所述的方法更简单、更准确,但因气体管道直径一般比较大,选用科氏力流量计去测量投资很高,所以具体选型时应根据必要性决定取舍。

应用科氏力流量计测量气体流量时还要考虑一个重要问题,即可行性。因为现有的产品测量压力很低的气体流量,目前还有困难,所以选型时应列出具体测量点的工况条件及物性数据,向供应商咨询,确认是否落在可测范围内。



3、结论:
  为解决液体火箭发动机地面性能实验中气体小流量的测量问题, 开展了专门的实验研究, 采用理论计算式设计了孔板, 建立了孔板串联质量流量计测量系统和孔板配合差压法测量系统, 实验结论如(1) 孔板串联质量流量计流量测量方法所得下:
  结果波动大, 主要因为测量气体流量时超出了质量流量计的额定下限量程, 孔板配合差压法流量测量装置测量结果线性度较好, 可重复性好。(2) 孔板配合差压法流量测量装置测量小流量气体是可行的。本实验假设温度是恒定值, 由于受环境温度和来流气体流速等影响, 温度会略有变化, 为使测量数据更为准确, 后续实验应考虑温度变化的影响。

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