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試論氣體流量計今後的發展方向

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試論氣體流量計今後的發展方向

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鄭開銀 蔣大旭
中原油田 天然氣産銷廠,河南 濮陽 457061

 

 

  在物資量計量領域中,流體流量的檢測與控制是各行各業加強物料管理、能源管理,進行物資交接、财務結算,經濟核算,效益分析與評價及至決策的重要依據;也是企業監控生産過程,使其保護優質、高效、安全、平穩運行和改善環境的重要手段。從某種意義上講:計量就是眼睛,計量就是金錢,計量就是效益。現代企業對流量計量的要求越來越高,主要反映在滿足準确性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面。


1 常用的幾種測量方法簡述

  為了滿足各種測量的需要,幾百年來人們根據不同的測量原理,研究開發制造出了數十種不同類型的流量計,大緻分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質量式等。各種類型的流量計量原理、結構不同既有獨到之處又存在局限性。為達到較好的測量效果,需要針對不同的測量領域,不同的測量介質、不同的工作範圍,選擇不同種類、不同型号的流量計。工業計量中常用的幾種氣體流量計有:

  (1)差壓式流量計

  差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續性方程為依據,根據節流原理,當流體流經節流件時(如标準孔闆、标準噴嘴、長徑噴嘴、經典文丘利嘴、文丘利噴嘴等),在其前後産生壓差,此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計中,因标準孔闆節流裝置差壓流量計結構簡單、制造成本低、研究最充分、已标準化而得到最廣泛的應用。孔闆流量計理論流量計算公式為:

    

  式中,qf為工況下的體積流量,m3/s;c為流出系數,無量鋼;β=d/D,無量鋼;d為工況下孔闆内徑,mm;D為工況下上遊管道内徑,mm;ε為可膨脹系數,無量鋼;Δp為孔闆前後的差壓值,Pa;ρ1為工況下流體的密度,kg/m3。

  對于天然氣而言,在标準狀态下天然氣積流量的實用計算公式為:

 

  式中,qn為标準狀态下天然氣體積流量,m3/s;As為秒計量系數,視采用計量單位而定,此式As=3.1794×10-6;c為流出系數;E為漸近速度系數;d為工況下孔闆内徑,mm;FG為相對密度系數,ε為可膨脹系數;FZ為超壓縮因子;FT為流動濕度系數;p1為孔闆上遊側取壓孔氣流絕對靜壓,MPa;Δp為氣流流經孔闆時産生的差壓,Pa。

  差壓式流量計一般由節流裝置(節流件、測量管、直管段、流動調整器、取壓管路)和差壓計組成,對工況變化、準确度要求高的場合則需配置壓力計(傳感器或變送器)、溫度計(傳感器或變送器)流量計算機,組分不穩定時還需要配置在線密度計(或色譜儀)等。

  (2)速度式流量計

  速度式流量計是以直接測量封閉管道中滿管流動速度為原理的一類流量計。工業應用中主要有:

  ① 渦輪流量計:當流體流經渦輪流量傳感器時,在流體推力作用下渦輪受力旋轉,其轉速與管道平均流速成正比,渦輪轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值,檢測線圈中的磁通随之發生周期性變化,産生周期性的電脈沖信号。在一定的流量(雷諾數)範圍内,該電脈沖信号與流經渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦輪流量計的理論流量方程為:

    

  式中n為渦輪轉速;qv為體積流量;A為流體物性(密度、粘度等),渦輪結構參數(渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等)有關的參數;B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關的系數;C為與摩擦力矩有關的系數。

  ② 渦街流量計:在流體中安放非流線型旋渦發生體,流體在旋渦發生體兩側交替地分離釋放出兩列規則的交替排列的旋渦渦街。在一定的流量(雷諾數)範圍内,旋渦的分離頻率與流經渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦街流量計的理論流量方程為:

  式中,qf為工況下的體積流量,m3/s;D為表體通徑,mm;M為旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面積之比;d為旋渦發生體迎流面寬度,mm;f為旋渦的發生頻率,Hz;Sr為斯特勞哈爾數,無量綱。

  ③ 旋進渦輪流量計:當流體通過螺旋形導流葉片組成的起旋器後,流體被強迫圍繞中心線強烈地旋轉形成旋渦輪,通過擴大管時旋渦中心沿一錐形螺旋形進動。在一定的流量(雷諾數)範圍内,旋渦流的進動頻率與流經旋進渦流量傳感器處流體的體積流量成正比。旋進旋渦流量計的理論流量方程為:

  式中,qf為工況下的體積流量,m3/s;f為旋渦頻率,Hz;K為流量計儀表系數,P/m3(p為脈沖數)。

  ④ 時差式超聲波流量計:當超聲波穿過流動的流體時,在同一傳播距離内,其沿順流方向和沿逆流方向的傳播速度則不同。在較寬的流量(雷諾數)範圍内,該時差與被測流體在管道中的體積流量(平均流速)成正比。超聲波流量計的流量方程式為:

  式中,qf為工況下的體積流量,m3/s;V為流體通過超聲換能器皿1、2之間傳播途徑上的聲道長度,m;L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道長度,m;X為傳播途徑上的軸向分量,m;t1為超聲波順流傳播的時間,s;t2為超聲波逆流傳播的時間,s。

  速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀組成,對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計(傳感器或變送器)、溫度計(傳感器或變送器)、流量積算儀(溫壓補償)或流量計算機(溫壓及壓縮因子補償);對準确度要求更高的場合(如貿易天然氣),則另配置在線色譜儀連續分析混合氣體的組分或物性值計算壓縮因子、密度、發熱量等。

  (3)容積式流量計

  在容積式流量計的内部,有一構成固定的大空間和一組将該空間分割成若幹個已知容積的小空間的旋轉體,如腰輪、皮膜、轉筒、刮闆、橢圓齒輪、活塞、螺杆等。旋轉體在流體壓差的作用下連續轉動,不斷地将流體從已知容積的小空間中排出。根據一定時間内旋轉體轉動的次數,即可求出流體流過的體積量。容積式流量計的理論流量計算公式: 

  式中,qf為工況下的體積流量,m3/s;n為旋轉體的流速,周/s;V為旋轉體每轉一周所排流體的體積,m3/周。

  在标準狀态下,容積式流量計的體積流量計算公式與速度流量計相同。氣體容積式流量計屬機械式儀表,一般由測量體和積算器組成,對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計(傳感器或變送器)、溫度計(傳感器或變送器)、流量積算儀(溫壓補償)或流量計算機(溫壓及壓縮因子補償)。

2 氣體流量計現場應用存在的問題分析

  綜上所述,各種不同類型的氣體流量計其輸出的信号隻與工況流量呈正比例(線性刻度)關系,其與被測介質标态流量之間的刻度隻能依據其某一特定工況(如設計工況)來确定,如果現場的實際工況(如介質的溫度、壓力、成分及流量範圍等)已經發生了變化,這時仍按原刻度關系讀取标态流量,顯然就會産生不同程度的附加誤差,使流量讀數(原刻度)失去意義。要想準确地測量氣體流量,則就要求使用現場實際工況與設計工況一緻并保持穩定。然而實際工況經常發生變化,也正因為變化才需要快速、可靠地知道變化後實際工況下條件下的準确流量,否則,測量的意義也就不複存在。

  在現場實際應用中,工況穩定是相對的,變化是絕對的。因此,氣體流量計除了需要配置作為關鍵部分的流量傳感器之外,對工況變化有規律、準确度要求不高,無需遠傳或自動控制的場合,采取配置壓力計、溫度計、計算器由人工錄取參數查表格的方法計算流量這種補償方式不僅不連續、不快捷,而且繁瑣、誤差大。在絕大多數情況下,現場實際工況變化往往是突發和未知的,不僅頻繁出現且波動範圍大,此時仍依靠人工錄取參數查表格方法快速而又準确地計算流量已不現實,必須采取自動補償措施。

3 含水量的測量

  為了實現自動補償,曾經經曆了最初的機械補償階段,這種補償方式隻能對某一參數(如壓力)進行校正,由于流量計不僅結構複雜、體積笨重、可動部件多,故障率高,而且準确度低,當補償不完全時,還得進行定點校正;該方式應用時不夠靈活,對于參數頻繁波動的場合則無法正常發揮補償作用。其後出現的機械式電動補償裝置,它将介質的工況質量、壓力及溫度參數,分别轉換成電阻或電壓等形式的信号,通過電路并配合機械機構組成自動補償系統,以完成連續補償運算,但這類補償裝置仍存在結構複雜,調校困難的缺點;補償不完全,準确度也不高,電動單元組合儀表的出現給流量自動 補償帶來了轉機,它通過變送器同時檢測出流體的工況流量、壓力及溫度等參數,并将其轉換為相應的統一電流信号,按照某種運算關系,将這些信号送入計算單元(如加減器、乘除器、開方器、比例積算器等)進行運算,然後輸出代表補償後的流量信号用于顯示、記錄或控制,這種方法實現了快捷的自動連續補償、準确度也有所提高,單元組合儀表具有通用性強、系統組成靈活的優點,但仍然存在補償不完全的缺點,随着集成電路的發展和計算機技術的應用,氣體流量自動全補償方案的實現已出現曙光而成為現實,大規模集成電路具有運行穩定可靠、體積小、功能強的優點,計算機具有強大的運算能力和數據存儲能力,可以實現多功能、多參數、多支路、主準确度的補償,流量積算儀(溫壓補償)或流量計算機(全補償)已成為當前流量儀表的主流。

  從現場使用的角度來看,真正意義上的氣體流量計不是僅指流量傳感器而是一個系統,應是:由節流裝置或流量傳感器(變送器)、壓力傳感器(變送器)、溫度傳感器(變送器)、在線密度計或色譜儀、流量積算儀或流量計算機組成的一個完整的計量系統。其理由有:第一,現場管理的需要, 經過全補償的體積流量不僅在控制室能看到,在操作現場也能方便的同步看到.第二,安全可靠的需要,目前的流量積算儀或流量計算機能同時計算和控制多路流量即是優點又是缺點,當其硬件或軟件出現故障時多路流量同時受影響。第三,量傳檢定的需要,如前所述,氣體流量是由多參數決定的,其補償的數學模型及過程繁瑣複雜,如濕氣、飽和蒸氣、天然氣等介質的計量問題,熱值能量計量問題,氣體流量計是由多台儀表(儀器)組成的一個系統,涉及到長度、力學、熱工、化學、時間、電磁等專業,用戶希望将其看成一個黑匣子,不管過程隻認結果,然而目前的計量檢定标準裝置隻能按專業分别對單一參數進行量傳檢定,就流量傳感器(變送器)方面 ,絕大多數流量計制造廠家和計量檢定機構也隻能用水或低壓空氣代替實際介質檢定流量傳感器(變送器),目前标準節流裝置裝置一般隻檢幾何尺寸不檢流出系數,然後将組合後用到實際介質實際工況中去,很顯然這種檢定方法其代表性不完全,将會帶來誤差,所以說目前流量準确性的保證是間接是間接而非直接的,正如同單元組合儀表一樣,“單校”不能完全代表“聯校”。因此使用實際介質在實際(模拟)工況下對氣體流量計進行系統檢定是保證計量結果準确可靠有效的手段。一體化的氣體流量計能很方便的實現這種真正意義的量值傳遞或溯源。

  相信随着科技的進步和發展,将傳感技術、計算機技術、微電子技術、通信技術應用到氣體流量計中,全補償一體化的氣體流量計已成為可能,将會給氣體流量計量帶來一場深刻的革命。

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