氣體及蒸汽溫度壓力補償

劉勇輝，楊光濤

蘭州寰球工程公司自控室，甘肅蘭州 730060

氣體及蒸汽溫度壓力補償

劉勇輝，楊光濤

蘭州寰球工程公司自控室，甘肅蘭州 730060

石油化工對能源計量方面的要求越來越高，對氣體蒸汽的溫度壓力補償就非常有必要性。在各種情況采取各種相應的公式進行補償顯得尤為重要。而且對于溫度壓力補償的安裝位置的確定也是非常具有現實意義。本文針對氣體和蒸汽的溫度、壓力補償系統的公式進行詳細闡述。對溫壓補償的精度及溫度壓力補償儀表的安裝位置進行了說明。

氣體；蒸汽；溫度壓力補償計算；注意事項；安裝位置

0 引言

隨著社會的發展，各行各業對能源計量方面的要求越來越高。在石油化工項目中，能源消耗很大，對計量氣體及蒸汽等流量的精度和可靠性要求也越來越高。

1 需要進行溫度壓力補償的原因分析

我們知道流體的質量直接受密度的影響。因此流體的密度是測量流量主要控制的參數之一。對于液體，是不可壓縮的流體，與壓力無關，溫度升高，密度降低。當介質為氣體等可壓縮的流體介質時，我們采用狀態方程對密度進行計算。當壓力不太高，溫度不太低時可，按理想氣體處理，否則按真實氣體狀態方程處理。我們以理想狀態方程進行分析，

式中：

M為摩爾質量；

ρ為密度，kg/m3；

P為氣體的壓強，Pa；

R為比例系數（理想氣體是固定的），J/（mol·K）；

T為溫度，K。

從公式（1）可以看出介質的密度是由介質的壓力、溫度及摩爾質量及其介質本身的特性決定的比例系數組成的函數。在裝置實際生產中，壓力、溫度等參數不可避免的波動，壓力、溫度的變化會使介質的密度隨之而發生變化，產生附加誤差的主要原因之一則是由此引起的物性參數的變動。

因此在高精度要求時時，需要對氣體或蒸汽流量進行溫度壓力進行補償。需流量計前后加裝壓力檢測儀表和溫度檢測儀表，通過這種手段將壓力、溫度等標準信號送入控制室常規儀表進行溫壓補償來修正密度，來減小測量誤差。

2 氣體的溫度壓力補償

O2，N2，H2及其混合空氣、天燃氣、焦爐氣、煤氣等介質在工程中是我們經常遇見的，在通常工況下的溫度、壓力下都可視為理想氣體，測量誤差一般都在工程允許的精度范圍。我們通過理想氣體狀態方程的補償來表示理想氣體流量的密度。根據理想氣體在不同的介質和工況而采取不同的補償方式而確定補償的流量系統。

2.1 理想氣體的流量補償計算

我們通過理想氣體可以推算出流量的補償計算公式是：F=K·Fi,其中K是由介質設計的溫度、壓力及實際測量的溫度壓力等參數組成的函數，根據實際工況的不同，分為以下3種情況：

1 ）溫度壓力補償

溫度和壓力均補償是對于流量測量精度要求高的場合。適用于氣體、天然氣、煤氣等流量的測量，特別是適用于廠級計量及外供需要進行經濟核算的計量儀表。

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測量值；

Pb為參考壓力（Kpa）；

Pi為壓力測量值（Kpa）；

Tb為參考溫度值（℃）；

Ti為溫度測量值（℃）。

2 ）溫度補償

溫度補償適用于在實際操作條件下氣體壓力幾乎不變化，溫度變化較大的場合采用；

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測量值；

Tb為參考溫度值（℃）；

Ti為溫度測量值（℃）。

3 ）壓力補償

壓力補償適用于實際操作條件下氣體溫度幾乎不變化，壓力變化較大的場合采用；

式中：

F為流量休正值；

Fi為流量測量值；

Pb為參考壓力（kPa）；

Pi為壓力測量值（kPa）。

2.2 實際舉例

以烏海焦爐氣項目為例對補償進一步說明。操作條件：介質為焦爐煤氣，工作壓力為21.5kPa，工作溫度為20℃，設計壓力（參考壓力）為15kPa,設計溫度為25℃，在溫度壓力補償之前的流量為8t/h，計算補償后的流量值。

將已知條件代入公式（2）：

相對誤差:δ=0.5%

說明：

1 ）從以上實例可以看出，溫度壓力的變化對流量的測量產生的影響。實際工程中我們在流量儀表的附近增加溫度、壓力變送器送進控制室二次儀表進行補償計算；2）式中的壓力值的單位必須是Kpa，如果是別的單位必須換算為kPa；3）以上流量補償公式中的壓力、溫度值適用于溫度壓力儀表正常工作，當溫度、壓力儀表出現錯誤或壓力溫度信號進系統（PLC、DCS或記錄儀）時，本公式不適應。若出現故障繼續進行補償，則補償后的流量值是不變的。繼續補償后的流量參與控制或聯鎖，可能會產生安全事故。

如果測量的流量關鍵、參與聯鎖，編程時考慮當出現故障時，補償流量自動轉化為實際流量，不再用補償公式。

3 水蒸汽流量的補償

蒸汽分為濕蒸汽、飽和蒸汽和過熱蒸汽。

對于過熱蒸汽計量，密度也是溫度壓力的函數，但不能套用理想氣體狀態方程公式進行計算，因為過熱蒸汽隨溫度壓力區間的不同，函數關系不同，很難用一個簡單或統一的函數關系來表示密度。

采用以下兩種方法來解決這個問題。

3.1 查表法

把水蒸汽密度表數據輸入控制系統DCS、PLC等，根據實際工況下的溫度壓力值，從表中直接查出相應的密度值。

3.2 公式法

1 ）濕蒸汽密度

式中：ρ為濕蒸汽密度（kg/m3）w為水蒸汽密度（Kg/m3）

X為干度

2 ）干飽和蒸汽密度：

表1

3 ）過熱蒸汽密度（莫里爾狀態方程）

V為比容（m3/kg）；

P為壓力（MPa）；

T為溫度（K）。

3.3 流量公式的確定

由于蒸汽在實際應用中常常采用節流裝置作為測量元件，則流量公式以常用測量蒸汽的節流元件類型儀表（孔板、A+K）為例，當在蒸汽測量中用節流元件作為傳感元件時，流量公式為：

式中：

qm為質量流量（Kg/s）；

C為流出系數，選定節流件及并確定取壓方式后流出系數是雷諾數和直徑比β的函數C=f(ReD，β)；

ε為可膨脹系數，通過試驗來確定，一般采用經驗公式：ε=1-（0.3707+0.3184β4）·

[（1-）]0.935來求取，K為已知蒸汽的等商指數；

d節流件開孔直徑，m；

ρ1被測流體密度，kg/m3；

ΔP為差壓值，Pa。

β為節流裝置開孔直徑和管道的直徑比

利用查表法或公式計算法計算出水蒸氣的密度ρ1，代入公式（6）中，即可求出蒸汽的流量值。

4 進行溫度壓力補償注意事項

1 ）采用單元組合儀表即原來就有流量回路的基礎上進行溫度壓力補償，壓力和溫度變送器必須選用絕對型的；2）進行溫度壓力補償的二次儀表最好采用含有微處理器的儀表，此時選用的壓力變送器及溫度變送器可以是一般型或絕對型。

經過實際的使用，通過溫度壓力補償密度的相對誤差差距非常大無溫度壓力補償的儀表測量誤差總的相對誤差為±11.21%；

當采用溫度壓力補償儀表測量的總的相對誤差為：1.033%。

5 溫度壓力補償儀表的安裝位置

按照盡可能反映流量測量點的真實溫度和壓力，所以盡量靠近孔板，但由于溫度是插入管道內的元件，會對流量測量造成影響，所以溫度應放在測量點的下游（相對上游對直管段倍數要求小）。而壓力應為上游，未經過孔板壓降前的壓力P在FE前，但是放在后面要注意放在壓力完全恢復的位置后面，需較長距離（無實驗數據），這時候壓力已經不具代表性。（流體過縮頸，會加速減低壓力，等流過一段，壓力會恢復，速度會減緩。對于這一點規范GB/T 2624.1-2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第1部分：一般原理和要求》第5.4 條（密度、壓力和溫度的確定），位置是壓力在上游；溫度在下游也有據可查。

在實際工程設計中，選用測量氣體還有渦街、轉子流量計等，可參考孔板的溫度壓力補償的位置，以最接近介質的溫度壓力為原則。

6 結論

總之，選擇合適正確的溫度壓力補償公式，并在實際工程中正確安裝，才能在氣體或蒸汽計量上獲得準確的流量。

[1]石油化工自動控制設計手冊.3版：991-1002.

[2]汪玉忠.氣體和過熱蒸汽流量測量的溫度與壓力補償[J].自動化儀表，1992，13(12）：4-10.

[3]張小勤.用差壓式流量計測量蒸汽流量時溫度壓力溫度補償的實現及探討[J].純堿工業，2006(1).

TE65

A

1674-6708（2012）69-0070-02