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气体流量测量中的温度及压力补偿

时间:2018/08/28来源:未知

摘    要:

根据理想气体定律, 由几种常用流量计的流量方程, 求证了对气体体积流量的温度及压力补偿的计算公式及其相对误差的计算公式。并通过两个工程实例, 按照可能出现的几种极限工况, 计算分析了对气体体积流量测量进行温度及压力补偿与否的误差及其分布情况, 提出了对气体体积流量测量进行温度及压力补偿的实施建议。

气体流量常用气体体积流量来表征。气体体积流量是指单位时间内流经管道的气体体积量。众所周知, 气体体积是随温度和压力的变化而变化的, 所以气体的体积流量随工艺操作温度和压力的不同而不同。生产过程中, 操作温度及压力常常发生变化, 因而不同操作状态下的体积流量没有可比性。为此, 实际生产过程中, 常用设计工况下的体积流量或标准状态 (基准状态) 下的体积流量来表征。所谓气体流量测量的温度及压力补偿, 其作用之一就是将操作状态下的体积流量换算成设计状态或标准状态的体积流量。由于流量计是按设计状态工艺条件进行设计制造或标定的, 因此当操作工况偏离设计工况时, 流量测量将产生偏差。气体体积流量的温度和压力补偿的另一个作用, 就是修正由于流量计工作条件偏离设计工艺条件所带来的测量误差。

1 几种常用流量测量仪表的流量方程

1.1 差压式流量测量装置

差压式流量测量装置包括各种标准节流装置、特殊节流装置、均速管流量计及弯管流量计等, 其流量方程可统一表示为:

 

式中K——仪表常数, 与介质流量系数、粘度、

材料膨胀系数等有关;

ΔP——节流装置前后差压;

r——流体重度;

Q——流体的体积流量。

1.2 流速式 (容积式) 流量测量装置

流速式流量计包括卡门涡街流量计、电磁流量计及涡轮流量计等。其流量方程分别为:

涡街流量计:

计算公式

 

式中f——漩涡发放频率;

St——斯特劳哈尔数;

V——流体流速;

D——漩涡发生体的直径;

K——仪表常数。

涡轮流量计:

计算公式

 

式中K——仪表常数;

f——涡轮旋转时电磁感应脉冲频率。 (1) 电磁流量计:

计算公式

 

式中Ex——感应电动势;

B——磁感应强度;

D——电极间距即管道直径;

v——流体流速。

转子流量计:

计算公式

 

式中α——流量系数, 决定于转子形状、雷诺数等;

v——转子体积;

g——重力加速度;

fk——转子与流量计锥管所构成的环隙面积;

F——转子***大断面面积;

ρf、ρ——转子、被测流体的密度。

由转子流量计结构可知:

计算公式

 

显然, 对于确定的流量计, 其中α、g、v、F、π (R+r) tgβ等为常数, 用仪表常数K来代替, 则流量方程可表示为:

计算公式

 

2 流体流量与流量Q=测Kh量仪槡ρf表ρ-测ρ量参数关系分析

由前述各种流量测量仪表的流量方程可知, 对于差压式流量测量装置, 流体的体积流量与节流装置前后压差的平方根成正比, 与流体密度平方根成反比。可见, 对差压式节流装置进行流量测量时, 测得的体积流量不仅与节流装置前后压差有关, 而且与介质密度有关。对于涡街流量计、涡轮流量计和电磁流量计, 测量流体的体积流量时, 与流体的密度无关, 仅与相应流量测量仪表的测量参数成线性关系。对于转子流量计, 流体的体积流量与介质密度成非线性的函数关系, 而与流体将转子托起高度成线性关系。由于转子流量计是通过测量转子被托起高度来实现流量测量, 因此转子流量计应为线性输出的流量计。

3 气体体积流量测量的温度、压力补偿公式及相对误差计算

3.1 差压式流量计温度、压力补偿公式及误差计算

根据差压式流量计流量方程, 可得设计工况下的流量为:

计算公式

 

实际操作工况下的流量为:

计算公式

 

式中Δpn, Δpw, rn, rw, Qn, Qw——设计工况及操作工况下差压、介质密度及流体体积流量。

由于设计工况与操作工况相差不会太大, 因此不考虑气体压缩系数变化。根据理想气体气态方程, 可得:

计算公式

 

式中pw, pn, Tw, Tn———操作工况及设计工况时

压力, 温度。

将其代入式 (2) 得工作状态下流量为:

计算公式

 

根据理想气体状态方程, 可得:

计算公式

 

将式 (3) 代入式 (4) , 则工作状态下体积流量转换成设计工况下的体积流量为:

计算公式

 

比较式 (1) 与式 (5) 可得单元组合仪表 (DDZ、QDZ) 实现气体流量、温度及压力补偿的基本公式:

计算公式

 

观察式 (5) 可见, 计算公式 即是工作状态下不进行温度及压力补偿时直接获得的流量。令:

计算公式

 

则式 (5) 可改写为:

计算公式

 

式 (5) 、 (6) 就是差压式流量计气体体积流量的温度和压力补偿公式。

工作状态下不进行温度和压力补偿时, 测量的相对误差为:

计算公式

 

3.2 涡街流量计、涡轮流量计温度、压力补偿公式及误差计算

由于这类流量计进行流量测量时, 与工作介质的密度无关, 所以实际操作状态下测得的体积流量, 根据理想气体状态方程, 将其换算为设计工况下的体积流量值即完成了温度及压力的补偿, 其温度、压力的补偿公式为:

计算公式

 

工作状态下不进行温度和压力补偿时, 测量的相对误差为:

计算公式

 

3.3 转子流量计温度、压力补偿公式及误差计算

根据前述转子流量计的流量方程, 可得设计工况下的流量为:

计算公式

 

实际操作工况下的流量为:

计算公式

 

式中ρw, ρn, hw, hn———工作状态和设计状态下介质的密度和转子被托起高度。

联立上述两式可得:

计算公式

 

由于ρf>>ρn、ρf>>ρw, 故计算公式

由理想气体状态方程可知:

计算公式

 

将式 (7) 、 (9) 代入式 (8) 得:

计算公式

 

显然, 上式中计算公式 即是操作工况下不进行温度、压力补偿时直接测得的流量。令计算公式 则实际操作工况下的流量为:

计算公式

 

根据理想气体状态方程, 将其换算为设计工况下的体积流量, 得到转子流量计的温度、压力补偿公式为:

计算公式

 

工作状态下不进行温度和压力补偿时, 测量的相对误差为:

计算公式

 

由此可见, 转子流量计的温度、压力补偿公式和测量相对误差计公式与差压式流量计的温度、压力补偿公式和测量相对误差公式相同。

4 实例分析

某钢厂燃气轮发电机组高炉煤气流量测量采用插入式阿里巴流量计。其设计工作温度为20℃, 设计工作压力为8k Pa, 刻度流量为200 000m3/h, 差压变送器差压上限为0.568k Pa。实际运行过程中, 由于调整热值等因素的影响, 压力变化范围为2~14k Pa, 操作温度变化范围为0~40℃。现差压变送器测得差压为0.383k Pa, 计算各种工况下煤气真实流量及相对误差。

若用涡街流量计进行测量, 计算相对误差。不采用温度、压力补偿时, 流量为:

计算公式

 

各种工况下实际流量及相对误差见表1。

表1 例1中各种工况实际流量及相对误差

表1 例1中各种工况实际流量及相对误差

某加压重油气化炉的氧气流量测量采用标准孔板, 其设计工作温度为130℃, 压力为4.2MPa, 刻度流量为120m3/h, 差压变送器量测量上限为30k Pa, 实际运行中, 温度变化范围为80~180℃, 压力变化范围为3.9~4.5MPa, 若差变送器测得差压为20k Pa。计算各种工况下氧气真实流量及相对误差。

若用涡街流量计进行测量, 计算相对误差。不采用温度、压力补偿时, 氧气流量为:

计算公式

 

各种工况下氧气实际流量及相对误差见表2。

表2 例2中各种工况实际氧气流量及相对误差

表2 例2中各种工况实际氧气流量及相对误差

由表1、2可知:

a.当流体的操作工况偏离设计工况时, 流量测量均会有不同程度的偏差。而当温度升高、压力降低或温度降低、压力升高这样的工况时, 偏差尤为突出。当这种形式的工况波动达到波动范围的极限时, 测量误差***大。

b.涡街流量计、涡轮流量计等测量过程与介质密度无关的流量计测量气体的流量时, 当操作工况偏离设计工况时, 由温度、压力变化引起的测量误差会比差压式流量计测量误差更大。

c.相同的温度或压力变化量所引起的测量误差不同。压力降低所引起的测量误差略大于同样数值的压力升高所引起的测量误差, 即在不同的压力工作段, 相同的压力变化量在低压段对测量误差的影响略大于高压段的影响。对于差压式流量计, 在不同的工作温度段, 相同数值的温度变化量在低温段对测量误差的影响略大于高温段时的影响。而对于流量方程中无重度因子的流量计, 相同的温度变化量在各个温度段对于测量误差的影响基本相同。

5 结束语

智能微处理器化的仪表及计算机控制系统的普及, 通过App参数设置或公式直接计算, 使得流量测量进行温度和压力补偿变得易如反掌。所以, 尽管一些常温低压气体在短时间内温度变化不大, 但四季还有较大温差, 而压力波动也不可避免, 应尽可能采用温度和压力进行补偿。

在对于气体流量进行温度和压力补偿时, 可充分利用智能化设备的优势, 将由变送器输入的模拟量转换成工程量后, 按照流量补偿公式, 用工程量直接进行计算。这样可使温度及压力变送器测量下限设定在合适的起点, 而不必设定在温度0K、及压力0k Pa, 从而提高测量精度。

 


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