瓦斯計(jì)量表在石家莊煉化分公司中的選取和應(yīng)用

秦 雯

（中國(guó)石化石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050000）

1 前言

瓦斯計(jì)量在煉化系統(tǒng)中十分重要，測(cè)量瓦斯的計(jì)量表種類也眾多，流量計(jì)選型就成為瓦斯計(jì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。瓦斯的主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微，量的惰性氣體，如氦和氬等。瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度是0.554，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg。然而煉油廠的瓦斯組分十分復(fù)雜而且變化是隨機(jī)的，沒(méi)有任何規(guī)律，變化的幅度也較大。因此給瓦斯計(jì)量工作帶來(lái)了很大的困難，本文著重介紹了幾種常用的瓦斯計(jì)量?jī)x表的原理，并進(jìn)行了比較。

2 瓦斯計(jì)量表的主要形式及功能比較：

（1）節(jié)流裝置：差壓式流量計(jì)測(cè)量氣體質(zhì)量流量基本公式為：

式（1）中ρ1為氣體在工作條件下正端取壓口處的密度kg/m3。

氣體組份變化后，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量與各自變量的關(guān)系公式，推導(dǎo)過(guò)程很繁瑣，但得到的結(jié)論卻很簡(jiǎn)單。

式（2）中qvn為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，Nm3/h；qvnd為未經(jīng)密度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，Nm3/h。

上式計(jì)算時(shí)在流量演算器（模塊）中完成的。其中，ρnd、Pd、Td的數(shù)值可由孔板計(jì)算書查得，然后寫入儀表的菜單。Pf和Tf是實(shí)測(cè)值。Zd是Td、Pd、Tc、（臨界溫度）和Pc（臨界壓力）的函數(shù)，在流量演算器中計(jì)算得到。Zd是 Tf、Pf、Tc和 Pc的函數(shù)，也在流量演算器中得到。對(duì)于變組分氣體，ρn也是變量，即氣體組分變化時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度也相應(yīng)變化。式中ρ1的不僅隨溫度、壓力變化，還隨組份變化。

（2）TDS型智能旋進(jìn)流量計(jì)：其工作原理為：當(dāng)沿著軸向流動(dòng)的流通進(jìn)入流量計(jì)傳感器入口時(shí)，螺旋形葉片強(qiáng)迫流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，于是在漩渦發(fā)生體中心產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘里管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流使漩渦流加速，當(dāng)漩渦流進(jìn)擴(kuò)散段后，因回流作用強(qiáng)迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉(zhuǎn)。此時(shí)漩渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線性。兩個(gè)壓電傳感器檢測(cè)的微弱電荷信號(hào)同時(shí)經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形后變成兩路頻率與流速成正比的脈沖信號(hào)，積算儀中的處理電路對(duì)兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行相位比較和判別，剔除干擾信號(hào)，而對(duì)正常的流量信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。流量計(jì)中的微處理器按照氣態(tài)方程進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，并自動(dòng)進(jìn)行壓縮因子修正。

通過(guò)流量計(jì)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯密度計(jì)算出質(zhì)量。

（3）熱式質(zhì)量流量計(jì)。熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理：在一根小口徑薄壁測(cè)量管的外壁上，對(duì)稱繞制兩個(gè)具有較高溫度系數(shù)的電阻線圈，并與另外兩個(gè)電阻組成一直流電橋。電阻線圈既是加熱元件又是測(cè)溫元件。當(dāng)無(wú)氣體通過(guò)時(shí)，上下游電阻絲溫差為零，當(dāng)有氣體流過(guò)時(shí)，上游溫度下降，下游溫度上升，產(chǎn)生溫差。溫差的存在使得上下游電阻絲產(chǎn)生一電阻差，從而達(dá)到計(jì)量。

眾所周知，在相同的溫度和壓力下，1mol不同氣體占用相同的體積。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（壓力為1atm和溫度為0℃）任何1mol氣體都占有體積V0=22.41L。摩爾量為M的m克氣體占有標(biāo)準(zhǔn)體積V=mV0M,而質(zhì)量流量qm=m/t，所以

傳感器輸出信號(hào)與氣體摩爾熱容和標(biāo)準(zhǔn)體積流量的乘積成正比。當(dāng)氣體摩爾熱容恒定時(shí)，輸出信號(hào)與氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量成正比。

理想氣體的比熱容和摩爾熱容不隨溫度、壓力而變化，實(shí)際氣體的比熱容和摩爾熱容受溫度、壓力的影響，但變化比較小。不同氣體的比熱容和摩爾熱容不相同。

（4）科氏質(zhì)量流量計(jì)。流體在振管中流動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生于流體質(zhì)量流量成正比的科里奧利力。質(zhì)量流量計(jì)以科氏力為基礎(chǔ)，在傳感器內(nèi)部有兩根平行的U型振管，中部裝有驅(qū)動(dòng)線圈，兩端裝有拾振線圈，變送器提供的激勵(lì)電壓加到驅(qū)動(dòng)線圈上時(shí)，振動(dòng)管作往復(fù)周期振動(dòng)，介質(zhì)流經(jīng)傳感器的振動(dòng)管，就會(huì)在振管上產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，使兩根振管扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，安裝在振管兩端的拾振線圈將產(chǎn)生相位不同的兩組信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)差與流經(jīng)傳感器的流體質(zhì)量流量成比例關(guān)系。計(jì)算機(jī)解算出流經(jīng)振管的質(zhì)量流量。不同的介質(zhì)流經(jīng)傳感器時(shí)，振管的主振頻率不同，據(jù)此解算出介質(zhì)密度。安裝在傳感器器振管上的鉑電阻可間接測(cè)量介質(zhì)的溫度當(dāng)速度為零時(shí)，U型管只有上下振動(dòng)而不受科里奧利力的作用。當(dāng)有流體通過(guò)U型管時(shí)，U型檢測(cè)管在上下振動(dòng)時(shí)將受到科里奧利力的作用。由于U型管的兩臂中流動(dòng)方向相反，受到科里奧利力的方向也相反，形成了一對(duì)力矩T作用，使U型管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角。

即質(zhì)量流量與檢測(cè)管扭轉(zhuǎn)角θ成正比。在U型管兩側(cè)的振動(dòng)中心設(shè)置傳感器A和傳感器B，則傳感器A和B檢測(cè)到的信號(hào)將存在一相位差△φ，在時(shí)間域內(nèi)存在一時(shí)間差△t，顯然，這時(shí)間差△t與扭轉(zhuǎn)角θ成正比。因?yàn)闄z測(cè)管在振動(dòng)中心位置時(shí)垂直方向的線速度為L(zhǎng)ω，所以時(shí)間差△t=2Rθ/Lω，得

由式（4）可以看出，只要測(cè)出兩傳感器A和B的信號(hào)時(shí)間差△t（也就是相位差△φ），就可以測(cè)得質(zhì)量流量qm，而與流體的物性參數(shù)和測(cè)試條件無(wú)關(guān)。

通過(guò)上述的幾種測(cè)量方法，可以看出節(jié)流裝置、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)式流量計(jì)所測(cè)流量均為標(biāo)況體積流量，然后根據(jù)瓦斯的標(biāo)況密度計(jì)算出瓦斯的質(zhì)量，瓦斯標(biāo)況密度均為常數(shù)。然而通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察和計(jì)算，我廠的瓦斯組份變化復(fù)雜且頻繁，致使瓦斯的標(biāo)況密度并非一成不變，其變化范圍可達(dá)0.1554~2.0321kg/Nm3。這時(shí)，如果仍然將流體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度當(dāng)作常數(shù)來(lái)處理，最大測(cè)量誤差就將達(dá)百分之幾十。不同組份的氣體其摩爾熱容和傳熱系數(shù)不同，當(dāng)組份變化較大時(shí)，因摩爾熱容和傳熱系數(shù)的變化，因此選用熱式質(zhì)量流量計(jì)也會(huì)對(duì)流量測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

瓦斯系統(tǒng)選用科氏力質(zhì)量流量計(jì)，科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量不受介質(zhì)密度組份變化的影響，直接用質(zhì)量流量平衡數(shù)據(jù)，避免了密度變化帶來(lái)的誤差。適合我單位組份變化復(fù)雜的瓦斯計(jì)量，并且在測(cè)量質(zhì)量的同時(shí)，科氏質(zhì)量流量計(jì)還可以測(cè)量介質(zhì)的密度，間接測(cè)量介質(zhì)的溫度，亦可作為瓦斯系統(tǒng)的能耗核算的參考。

目前在我廠瓦斯系統(tǒng)中已逐步應(yīng)用為科氏質(zhì)量流量計(jì)，已經(jīng)更換科氏質(zhì)量流量計(jì)11臺(tái)，科氏質(zhì)量流量計(jì)在我廠瓦斯系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于摸索階段，就目前的瓦斯能耗核算來(lái)看科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量變組分瓦斯質(zhì)量相對(duì)于節(jié)流裝置、旋進(jìn)式流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)等較為準(zhǔn)確，且科氏質(zhì)量流量計(jì)的日常維護(hù)量也明顯少于節(jié)流裝置、渦街流量計(jì)等。

[1]紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧(第二版)[M].北京：北京工業(yè)出版社，2009.

[2]袁慶青.瓦斯質(zhì)量流量及其密度測(cè)量[J].化工自動(dòng)化及儀表，1994.

[3]蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱.流量測(cè)量方法和儀表的選用[M].北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2001.