高純氣體流量測量中的儀表選型

徐偉清

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

高純氣體在各行各業和工業生產都有廣泛的用途，它通常由空氣分離工藝制取，氣態高純氣體經管道或鋼瓶集裝格輸送給用戶，液態產品用槽車運輸給用戶。在用管道輸送高純氣體的流程中，貿易交接計量通常為氣體流量計，流量計的公稱通徑從50 mm到幾百毫米。多數交接量大、結算金額高的交接點，往往是供需雙方各裝1套流量計，從而做到公平計量，萬無一失。

關于高純氣體流量計的選型，由于測量對象的特點和傳統習慣，大多選用標準孔板流量計，該類流量計具有下列特點[1-2]：

1)穩定性和可靠性高，抗干擾能力強，維護和更換簡單、方便。

2)流量測量范圍寬。

3)測量準確度能滿足氣體貿易交接的需要。

4)計量檢定方便。大多采用幾何檢定法進行檢定，操作簡單而且費用較省。有的供方(或需方)要求在經過幾何法檢定之后，再用實流檢定法檢定一次。實踐證明，如果1套流量計的各個環節都是合格的，則實流檢定結果也會是合格的。

5)價格相較于科里奧利質量流量計便宜很多。

6)量程比窄是孔板流量計的一大缺點，但是近年來蓬勃發展雙量程孔板流量計，能將其量程比擴大到33倍，而且達到1.0%不確定度，從而彌補了該缺陷[3-4]。

1 高純氣體的特點及其對流量測量的影響

高純氣體的純度極高，組分的變化完全可以忽略不計，因此，氣體的密度除了受溫度、壓力及壓縮系數影響之外，無其他因素。而且因為高純氣體無灰塵、無水滴、無油污，為高純氣體流量的準確測量創造了優越的條件。

用差壓式流量計測量蒸汽流量時，必須將氣相的差壓信號轉換成凝結水的差壓信號。該轉換如果處理不當，會引入些許測量誤差。另外，當蒸汽進入飽和狀態后，由于管道內兩相流的存在，也會增加一定的測量誤差，當然，兩相流對渦街流量計的影響更大。而當被測流體為高純氣體時，由于流體是干燥的，完全不存在兩相流和氣相轉液相的問題，所以，達到規定的準確度更有保證。

2 高純氣體測量案例

2.1 測量案例一

福建某公司向鄰近另一家公司供氣的管網如圖1所示。供方在上游管道上裝了3套FDId型雙量程標準差壓流量計用于貿易交接計量，需方在下游裝了3套與上游相同型號規格的流量計用于監測。

圖1 某公司向用戶供氣管網示意

6套流量計投運后，FIQ03和FIQ04之間，FIQ05和FIQ06之間，24 h累積流量差值小于0.5%；FIQ01和FIQ02之間，24 h累積流量差值略大于1%，經現場檢查后的原因是FIQ01的差壓變送器由于用水實流檢定時水未排盡，高低壓室內有殘存的水。將殘存的水排盡后，上下游流量計示值差回到0.5%以內。

2.2 測量案例二

青海某單晶硅廠將氧氣、氮氣和氫氣分別通過DN50，DN50和DN80管道送到下游的光纖廠。為了貿易交接，供方在上游安裝了3套FDId型雙量程差壓流量計，需方則在下游安裝了3套用于監測的流量計，為了節省投資，選用了熱式質量流量計(TMF)。

該6套流量計投入運行后，3路氣體的24 h累積流量都表現為上游大下游小，差值約為6%～10%。其中氫氣流量差值最大。

由于上下游計量結果差值較大，而且計量數據用于財務結算，所以雙方對此差值都非常關注。供方認為，上游的雙量程差壓流量計準確度高，量程比大，而且經過政府授權機構檢定合格，所以計量結果是可信的。而需方認為，該廠選用的熱式質量流量計盡管價格便宜，但準確度為1.5級，而且有出廠合格證書，計量結果也應是準確的。雙方爭執不下，于是咨詢了專業人士。技術原因分析如下。

3 熱式質量流量計在高純氣體流量測量中的應用

3.1 熱式質量流量計工作原理

熱式質量流量計按檢測件的結構分類，有熱分布型和基于金氏定律的浸入型。在管徑較大時，用的都是后者。

金氏定律浸入型熱式質量流量計又分溫差測量法和功率消耗測量法。兩種測量方法雖不同，但都有2根鉑熱電阻，分別置于氣流中的2根金屬細管內，其中一根熱電阻測量氣流溫度為θ1，另一根熱電阻經功率恒定的電能加熱到溫度θ2，流量為0時，溫差Δθ=θ2-θ1最大，隨著質量流量qm的增大，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測得Δθ就可計算出qm。消耗功率P、溫差Δθ與qm之間的關系如式(1)所示：

(1)

式中：K1，K2——與檢測件幾何形狀及所測氣體物性如導熱系數、比熱容c、黏度等有關的系數。K3——與雷諾數有關的系數[5-6]。

溫差測量法就是P為固定值，通過測量Δθ求得qm；功率消耗測量法則是改變P使Δθ為定值，從而由P求得qm。系數的值是每臺儀表在所測不同氣體時所特有的，因此浸入型熱式質量流量計要用待測的實際氣體逐臺校準。浸入型熱式質量流量計原理如圖2所示。

圖2 浸入型熱式質量流量計原理示意

3.2 熱式質量流量計誤差分析

上游流量計的準確度是±1.0%[4]，下游流量計的準確度為±1.5%，兩者差異并不大，但是仔細分析后會發現其中原因。

熱式質量流量計由于其工作原理和結構的特點，準確度常用引用誤差或者示值誤差與引用誤差相結合的方法來表示[5-6]。例如熱式質量流量計市場份額居首位的Fluid Components International LLC(FCI)公司的ST98型熱式質量流量計，該流量計量程比為10∶1或20∶1，誤差E計算如式(2)所示。

E=±(1.0%qm1+0.5%qmFS)

(2)

式中：qm1——質量流量實際值；qmFS——質量流量滿度值。

當流量為滿度值時，E=±1.5%qm1；當流量為10%qmFS時，最大誤差就達±6.0%qm1。如果流量更小，則最大誤差變得更大。而雙量程差壓流量計，從參考文獻[4]中的圖4可知，在qm1=3%qmFS和qm1=17.3%qmFS時，準確度仍能達到±1.0%qm1[4]，從而使上下游2套流量計的計量結果出現較大差異。

3.3 替代法標定引入的誤差

從熱式質量流量計的標定、檢定方法剖析，查找用于氫氣流量測量的上下游2套計量儀表存在計量偏差的原因。

對于高純氫氣，其標準狀態下的密度是穩定且已知的，所以用差壓式流量計測量其流量，能得到與測量氮氣和氧氣相同的準確度。但是，用熱式質量流量計測量氫氣流量時，出現另一個差異。即熱學特性的差異。

眾所周知，熱式質量流量計在出廠前要經過實流逐臺標定，在送計量檢定機構檢定時，也都要實流檢定。對于熱式質量流量計來說，氣體的種類是多種多樣的，不可能為每一種氣體都建流量標定裝置。為了解決該問題，一般采用替代法標定、檢定。

GB/T 20727—2006《封閉管道中流體流量測量 熱式質量流量計》/ISO14511： 2001規定，熱式氣體質量流量計可使用和(或)類似于待測過程氣體的替代氣體校準熱式質量流量計。然后用K系數進行修正或數值計算，轉換成待測過程氣體和(或)使用工況下的條件[5-6]。文獻[5]中認為，可直接用空氣標定，然后用K系數修正。實驗證明，不確定度[5，8]大約增加2%。文獻[5]給出的幾種氣體的轉換系數見表1所列。

表1 幾種氣體的轉換系數

某制造廠提供的熱式質量流量計換算系數見表2所列。

表2 某制造廠熱式質量流量計換算系數

該表格的最后一行特別強調： 不同資料來源，數據會有差異。

采用該方法校準流量計其實是不得已而為之。表1和表2中所列出的換算系數，反映了待用氣體的熱學特性與空氣的差異。對于案例二中所涉及的3種流體中，氮氣和氧氣的熱學特性與空氣差異較小，因為空氣的主要成份就是氮氣和氧氣，故采用換算方法引入的附加誤差理應較小。但是氫氣與空氣相比差異就大了，氫氣的導熱系數是空氣的7倍，氫氣的密度只有空氣的7.1%，摩爾定壓比熱容cp更是相差了13倍。這些差異都會給換算帶來較大的誤差。除此之外，流體的溫度和壓力也會給投入運行的熱式質量流量計的零點和量程帶來附加誤差。

3.4 過程溫度和壓力對熱式質量流量計的影響

根據相關的國家標準，需要在實際工作溫度、壓力條件下，用實際測量的氣體，進行零點調整。關于溫度、壓力對量程的影響，GB/T 20727—2006規定，必須有標準表提供工況條件下的參比測量值，才能進行比對，然后進行調整。而要找符合要求的標準表，往往是困難的。

上述影響都會為熱式質量流量計帶來較大的誤差。例如有一家生產銷售工業氣體的德國公司，定期為客戶用鋼瓶集裝格送氦氣，重車和空車均過秤，重車與空車的質量差即為本次送貨量。而用戶端則用外國產熱式質量流量計作為計量手段，兩個計量數據進行比對，發現每次送檢重新投入使用后，熱式質量流量計都要出現20%左右的誤差(總量)。因此懷疑該誤差是由氦氣與空氣密度的誤差及兩者熱學特性的誤差引起的。而檢定機構又是在空氣流量標準裝置內檢定，然后換算得到的計量結果。因此，用熱式質量流量計測量該類氣體時，要特別注意。

3.5 精確度較高的熱式質量流量計

國外某品牌熱式質量流量計具有以下特性： 讀數精確度為±0.5%，可修改管道尺寸，可切換氣體種類，量程比為100∶1。

粗看這是一款精確度極高，量程比極寬，可適用于各種管徑，還適用于不同氣體的萬能流量計。但仔細研究其所列的精確度的補充說明后發現： 原來0.5級精確度是引用誤差，其量程比100倍在流量為1%qmFS時，允許誤差較高。所以作為用戶或自控設計人員，應該研究具體指標背后的應用條件。

由于熱式質量流量計自身固有特性的存在，難免使其在實際應用中出現較大誤差，案例二中下游的用氣單位不得不第二次投資，將3臺流量計也換成FDId型雙量程標準孔板流量計，才使上下游計量結果基本相符，從而結束長達一年之久的紛爭。

很多年以來，熱式質量流量計在光纖、半導體等行業具有非常好的業績。在光纖、半導體工廠，幾百、上千臺小通徑熱式質量流量計長期可靠運行，而且測量準確度也獲得用戶好評。而在該應用實例中，實際效果卻并不理想，究其原因是由于測量任務的差異。在光纖廠、半導體工廠中大面積使用的熱式質量流量計是用于過程控制，對流量測量準確度和量程比，都要求不高。而在上述案例中，測量目的是計量收費，對測量準確度和量程比都要求非常高，尤其是在相對流量很小時，測量準確度不能滿足使用要求。因此出現上下游的計量結果出現顯著的差異。

4 結束語

高純氣體具有組分穩定，無塵、無水滴、無油污的特點，為流量測量和流量計的穩定運行創造了良好的條件。在高純氣體的流量測量中，雙量程孔板流量計以其固有的特點，占有顯著的優勢。在以計量收費為目的應用中，更是如此，其測量準確度達±1.0%，量程比達33倍。

在以計量收費為目的的應用中，熱式質量流量計應用效果欠佳，這是因為對測量準確度和量程比的要求較高。所以在設計選型時，應做好周密的調查研究工作，明確測量對象以及測量目的以及對測量準確度和量程比的要求，盡可能選擇工作穩定可靠，精確合理、維護方便、投資節省的測量儀表，以防失誤。