一種變組分氣體流量計的研究

宋文其，葉 明，余厚林，馬瑞民，紀波峰，紀 綱

（1.揚子石油化工有限公司，江蘇 南京210048；2.中國石油海洋工程有限公司，天津300270；3.上海同欣自動化儀表有限公司，上海200070）

在氣體質量流量測量任務中，被測流體絕大多數為組分穩定的氣體，因為組分穩定，所以標準狀態密度穩定，這樣就可以利用式（1）計算其工況條件下的密度[1]，用于密度補償。

式中：ρf——工況條件下流體密度，kg/m3；ρN——標準狀態下氣體密度，kg/m3；pf——工況條件下氣體絕對壓力，MPa；pN——標準狀態下氣體絕對壓力，MPa；TN——標準狀態氣體熱力學溫度，K；Tf——工況條件下氣體熱力學溫度，K；ZN——標準狀態氣體壓縮系數，一般ZN=1.000 0；Zf——工況條件下氣體壓縮系數，查表或計算得到。

對于體積式流量計，則可用式（2）計算質量流量[2]qm：

式中：qVf——工況條件下體積流量，m3/h。

但是，如果氣體的組分在不停地變化，就不能用式（1）和式（2）的方法計算qm[3]。為了解決該問題，人們選用科氏力質量流量計測量變組分氣體質量流量[4]，但該類儀表價格太高，很多用戶承擔不了。為此，研發價格相對便宜的儀表就成為當務之急。

1 渦街流量計工作原理及校驗

1.1 工作原理

在氣體流量測量中，渦街流量計已經應用得十分普遍，具有結構簡單、工作可靠、線性度、脈沖信號輸出等優點，可以避免信號的傳送而引起的誤差。同時，渦街流量計具有良好的耐振性，使其具有很好的抗干擾性能。但也有其局限性，它只能測量工況條件下的體積流量，而無法測量流體密度。筆者利用旋渦發生體前后的壓差，計算工況條件下的流體密度，可以克服渦街流量計的局限性。

根據伯努利方程可推導出公式（3），即旋渦發生體前后的壓差與發生體出口處的流體密度成正比[5-6]。

式中：Δp——旋渦發生體前后的差壓，Pa；K——系數，由實流標定得到，來自渦街流量傳感器制造廠提供的數據；v——測量管內氣體流速，m/s。

將式（3）整理可得

利用式（4）就可計算ρf，其中v可根據渦街流量傳感器的輸出頻率和其測量管的幾何尺寸計算得到。而K則來自渦街流量傳感器制造廠提供的數據。例如橫河公司的DY型渦街流量傳感器，K=1.08。不同通徑的渦街流量傳感器，K會有一些差異，這會影響整套流量計的滿量程準確度，可在整機實流校驗中，根據滿量程誤差予以修正。

根據渦街流量傳感器輸出頻率f利用式（5）計算體積流量，即

式中：f——渦街流量傳感器輸出頻率，l/s；Kt——工況條件下流量系數，1/L。

則式（4）與式（5）相乘就得質量流量：

式（3）中的v可由式（7）計算得到：

式中：A——渦街流量傳感器測量管截面積，m2。

為了提高質量流量測量的精度，還需引入可膨脹性系數的自動校正，以抑制高流速時質量流量測量示值出現過大的正偏差。該項校正所用的數學模型既有別于標準孔板，也有別于噴嘴、文丘里管[7-8]。

FVC型變組分氣體質量流量計由傳感器和帶顯示的轉換器組成，其中傳感器由1臺橫河公司DY型渦街流量傳感器和1臺EJA型差壓變送器按規定的方法組合而成。

1.2 技術指標及校驗

FVC型變組分氣體質量流量計成套放在正壓法空氣流量標準裝置上逐個部分校驗，確保10∶1量程比范圍內的±0.5%MV準確度。校驗時的操作壓力，盡量使空氣密度接近常用密度。從原理考慮，渦街流量傳感器只能達到1%的線性度，為了達到整套流量計的±0.5%MV準確度，就必須借助于先進的在線校正技術。DN80 FVC型變組分氣體質量流量計的實流檢定記錄[3]見表1所列。

1.3 流量計示值準確度的現場驗證

該變組分氣體質量流量計投入運行后要保證測量準確度的關鍵是：儀表出廠前的配套校驗、現場按照規程合理安裝及配套使用。而儀表投入運行后還需要接受用戶對流量示值的驗證，該工作的本質是對流量示值準確度進行驗證。

1.3.1 對流量計零點示值的驗證

通常對流量計示值準確度進行驗證的方法有多種，其中對流量計零點示值進行驗證最簡單，只要將總閥關閉（如果工藝專業允許），觀察流量計顯示值。該流量計是以渦街流量傳感器為基礎的，因而測量管內流體流速無需降到零，其輸出頻率已經進入切除區，所以在零點驗證中不會出現問題。

1.3.2 對零點之外流量示值的驗證方法

對零點之外流量顯示值進行驗證最簡單易行的方法是：對ρf示值進行驗證。如式（2）和式（5）所示，由于Kt已知，因此在現場測量出f，就可知qVf的值。這樣，只要驗證ρf的準確性，就可證明qm的準確性。

儀表顯示的流體密度值，可用成分分析儀器測得混合氣體組分值，經下式計算得到理論密度，然后進行比較[9-10]，求得示值誤差。

式中：φ1，…，φm——各組分的體積分數；ρ1，…，ρm——標準狀態下各組分密度。

工況條件下ρf的理論計算值在忽略壓縮系數影響后為

經上述方法計算即可驗證ρf的準確性。

3 結束語

變組分氣體質量流量測量具有一定的難度，用渦街流量計測量工況條件下的體積流量，再用旋渦發生體前后的壓差，推算發生體前流體密度，相乘得到質量流量，然后放在正壓法空氣流量標準裝置上校驗，可保證0.5級準確度，多種通徑儀表在現場投運表明，該方法穩定可靠，節省投資。