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基于孔板流量計計量誤差分析與改進
发布时间:2021-3-2 08:16:34

摘要:孔板流量計设计技术成熟、结构简单,是石油化工等工业领域测量流体流量的主要设备。针对孔板流量計长期使用过程中测量误差增大、精度下降问题,基于孔板流量計的工作原理,分析了直径比β、流出系数C、可压缩流体密度ρ1等物理参数变化以及导压管差压Δp传送失真等对测量精确度的影响。在此基础上,提出了对孔板进行合理设计与选材,降低孔板腐蚀率;对孔板进行正确安装,保证孔板前后压差的可靠性;直管段规范安装,并在检修期间严格清理孔板和直管段以降低直径比β以及流出系数C的变化对测量结果的影响;采用智能仪表,实施温压补偿,对计量过程中参数进行在线计算和校等多种改进措施,力求达到降低误差、提高计量结果精确度的目的。
0引言
  計量誤差指計量結果與真值的偏離程度,計量結果越接近真值,其精確度越高。以節流裝置爲檢測元件的差壓式流量計,用于氣體、液體和蒸汽的流量測量,被廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、供熱、供水等領域,實現對生産過程的監控以及能源的計量。其主要原因是該差壓式流量計具有相對簡單的結構、成熟的設計技術、較低的生産成本和穩定、可靠的性能等特點。但是在流量計的使用過程中,由于各種因素(如孔板腐蝕磨損、測量範圍度較窄、現場安裝的要求不達標、引壓管線維護不到位等),會造成一系列計量誤差,使測量精度下降。如何正確設計、安裝、維護流量計,減小計量誤差,提高計量精確度,是每一個流量計量工作者的工作重點[1-3]。
  差壓式流量計由检测元件、差壓變送器以及流量顯示儀表組成。檢測元件有多種,如節流孔板、噴嘴和文丘裏管等。其中,節流孔板以加工方便、穩定性好等優點,應用較爲普遍。
1孔板流量計工作原理
  節流裝置測量原理如圖1所示。流體流經孔板時,由于孔板孔徑小于管徑,會造成流束的急劇收縮,流速增加,動能的增大來自壓力能的減小。流體流過孔板後壓力降低,孔板前後壓力不相等,産生壓差。
孔板流量节流装置测量原理图示
  根據流體流動連續性原理和伯努利方程(能量守恒定律)可知[4],節流式差壓流量計可壓縮流體流量計算公式爲:

  式中:qv爲單位體積流量,m3/s;C爲流出系數;d爲工作條件下節流孔板開孔直徑,m;β爲孔板開孔直徑與管道內徑之比;Δp爲節流孔板前後差壓,Pa;ε、ρ1分別爲節流孔板正端取壓口平面上的可膨脹系數和流體密度,kg/m3。
  由式(1)可知,体积流量qv与流体流经孔板前后的差压Δp的平方根成正比。差压Δp通过差壓變送器测量。变送器将流体流经孔板前后的差压信号转变为与之相对应的电信号并输出至流量仪表,从而由流量仪表根据测量参数计算出流体标准状态下的瞬时流量或累计流量。
2造成誤差的原因分析及影響參數
  由式(1)可知,流量测量结果qv同时受很多参数的影响,如流出系数C、节流装置直径比β、雷诺系数ReD、气体膨胀系数ε以及节流孔板正端取压口平面上流体密度ρ1等。如果能够得到这些参数的准确值,同时差壓變送器能够不失真地测量到节流孔板前后的差压信号,就能提高流量仪表计量结果的准确性和可靠性。
2.1節流裝置直徑比β、流出系數C
  流出系數C和取壓點位置、雷諾系數、管道粗糙度、孔板開孔截面積與管道截面積比值、孔板入口邊緣尖銳度都有關。流出系數C可由式(2)計算[4]。

  由式(2)可知,如果節流裝置前管道直徑發生變化,節流孔板在使用過程中腐蝕變形,直徑比β變化很大,都會使流出系數C發生變化,從而降低流量測量精確度。
  以動能公司空壓站空壓機出口流量計爲例,空壓機大修期間,技術人員對空壓站出口節流裝置前管道進行了檢查,發現孔板前管道內積存大量受腐蝕而掉落的氧化鐵皮垃圾,孔板端面腐蝕。齒輪分廠煤氣流量計長年使用,拆換煤氣流量節流孔板時發現,孔板孔壁和端面上沾附黑色焦泥,孔板開孔已經近似橢圓形。這些因素的存在都會使孔板直徑與管道直徑之比β改變,致使流出系數C改變,從而降低流量示值精確度。
2.2密度ρ1和流量儀表積算功能的影響
  氣體流量測量的最終目標是得到標准狀態下的體積流量。如果氣體的溫度、壓力發生變化,密度也隨之變化?装彘_孔直徑設計計算,以常用工作溫度、工作壓力爲主要參數指標。但待測氣體的工作溫度、壓力不是恒定值,隨著工況、環境溫度的變化而變化。傳統的流量計量中,由于流量積算功能的限制,使用過程中未裝溫度、壓力儀表進行測量補償。當管道內氣體溫度、壓力變化較大與設計值不符時,計量誤差加大。例如,空壓站出口空氣流量計量過程中,同一台機組冬、夏兩季産氣量相差較大。經查,夏季氣體溫度40°左右,冬季10°左右,孔板設計溫度25°左右。由于實際溫度與設計溫度存在偏差,由實際工作條件偏離設計工作條件時流量修正公式(3),可推導出冬季實際流量爲流量計測量流量值的1.026倍,夏季實際流量爲流量計測量流量的0.976倍,計量的准確性不能保證。

  式中:Q實爲實際工作條件時氣體標准體積流量;Q設爲設計條件時氣體標准體積流量;P實爲氣體實際工作表壓;P設爲設計表壓;P0爲當地大氣壓;T實爲氣體實際工作溫度;T設爲設計溫度;T0爲絕對溫度273.15K[5]。
2.3差壓Δp的測量
  在传输环节,流体流过节流装置产生的差压信号需要通过导压管路传递给差壓變送器。导压管内径过小、节流装置距离变送器过远都会引起压损增大,从而造成差压信号失真。另外,如果导压管路存在堵塞、泄漏以及因积水、积液造成的假差压,同样会引起差压信号传递失真。导压管安装时,如果没有充分考虑流体介质的性质,气体导压管内是否含液、含尘,液体导压管内是否有气体进入,以及要排除这些干扰因素,集气器、积水沉降器的位置是否合理,是否需要伴热等,由此引起的假差压会使流量计量结果失真。
2.4流量量程與流量計匹配性問題
  流量量程与流量计匹配性也是造成差壓式流量計误差的主要原因之一,特别是当小流量遇到大量程孔板流量計时。由式(1)可知,由于流量与差压信号的开方成正比,并且使用流量下限偏离常用流量越多,流量计量误差值越大,对计量结果争议越大。小信号时,为了防止因零点漂移,通常流量计算器进行小信号切除。但这样又会使流量不能得到积算。例如,在进行管道氧流量计量巡检时,有小流量氧气在使用,但流量计无指示现象。
3減小計量誤差提高計量精度的相應措施
3.1孔板的合理設計、選材
  节流孔板的设计以现场调研为主,取得流体常用的工作压力、工作温度,对直管段内径进行实际测量,掌握设计第一手资料,并严格按照设计标准计算节流孔板的开孔直径,孔径的制造质量和加工精度达标。在按照合理的工况设计孔板尺寸的同时,应充分考虑流体对节流孔板材料的影响,选择适当的材料加工孔板,以免孔板在使用过程中发生腐蚀和塑性变形严重。如,煤气具有腐蚀性,齿轮分厂煤气流量计量装置,停产检修过程中,打开装置卸下孔板后,发现孔板开孔严重变形,近似椭圆形,端面麻蚀。因此,测量有腐蚀性流体时,应采用耐腐蚀材料?装辶髁坑嫵S貌牧涎≡袢绫1所示[6-7]。
孔板流量計常用材料选择图表
3.2孔板的正確安裝
  孔板加工技術指標達標,並確?装宓恼_安裝。節流孔板安裝示意圖如圖2所示?装彘_孔與上遊端面之間夾角應爲90°±0.3°,直角入口邊緣銳利度達標,此端面迎著流體流動的方向[7]。若孔板裝反,使流體流經孔板流速的變化減小,孔板前後差壓減小,測量誤差增大。

3.3直管段、導壓管的安裝維護
  節流裝置前後直管段滿足安裝要求,節流裝置直管段長度以前10倍直徑、後5倍直徑的原則實施敷設,直管段管壁粗糙度應符合標准要求,否則將影響流出系數;管壁粗糙度越大,流出系數的偏差越大。安裝時,根據需要處理節流裝置及直管段。如:氧氣流量測量需要進行節流裝置和前後直管段的四氯化碳脫油處理。設備停車檢修檢查孔板的同時,還需要對節流裝置前後直管段進行吹掃清理,排除管道氧化物、焊渣、油垢之類改變管道內徑的異物,情況嚴重或條件允許時可進行更換,盡可能減小直徑比β以及流出系數C的變化,提高流量計量的精確度。
  選擇導壓管的材料性能以滿足被測流體的性質爲基礎,如耐腐蝕、耐壓力等。導壓管的敷設傾斜度不得小于規定要求。測量濕氣體時,無論節流裝置安裝在水平管道還是豎直管道上,變送器安裝在節流裝置的下部時,都需要考慮在導壓管路的最底部安裝積水罐,避免液體進入變送器,引起測量誤差。
3.4溫度壓力補償
  由于工作溫度、壓力隨工況變化,氣體的密度也發生變化,而節流孔板的設計參數是固定值。爲了降低計量誤差,采用具有溫壓補償功能的流量積算儀表,实施温压补偿,进行流量值的实时修正。为了避免对流体流动的干扰,测温点一般选在节流装置的下游、直管段以外、大于5倍直径长度小于15倍直径长度的管道上,从而既不影响流出系数,又能够反映流体的温度。测压信号取自孔板流量計正压管[8]。
3.5智能儀表的使用
  随着电子科技的发展,仪表技术发展飞速,充分利用智能流量仪表所具有的微处理功能,实现对流量各参数的在线计算和校正。智能流量仪表能够实现温度压力补偿、流束膨胀系数补偿,提高计量结果的准确度。当孔板开孔直径实测值与设计值有偏离时,由于β值变化以及流出系数C的变化,使最大差压对应的最大流量值变化,智能流量仪表的功能足够满足量程的修改,从而提高流量测量的精确度。智能流量仪表还实现了两台差壓變送器的自动切换使用,从而拓宽了量程范围,解决了小流量计量问题[9]。
3.6實時的維護與保養
  日常维护的重点不仅要及时观察工况、与各项参数核对、定时校验流量计,还要维护节流装置和与差壓變送器连接的引压管线,避免差压信号泄露、堵塞、冻结以及传输过程中压力损失。当环境温度变化较大时,应加强维护。制氧机喷冷塔出口空气为清洁湿空气,差壓變送器在管道下部,导压管路安装集水器,但冬季容易出现流量指示失灵现象。出现这一现象的主要原因是压空水分析出增多,积满积水罐,又没有及时排水,伴热管没有及时打开,造成积水罐结冰,堵住出口,流量示值异常。故日常定时维护、重点维护、周期校验都是计量工作的重点。
3.7計量技術管理人員的培訓
  計量人員如果對流量計量儀表的計量原理、安標准、使用維護、精准校驗等各個環節認識不到位,不能弄清産生誤差的具體影響因素,就不能把計量工作做好。所以,只有提高計量人員管理、維護儀表的業務素質、業務技能,才能善于發現問題、及時解決問題,盡可能減小計量誤差,從而進一步提高計量精度。
4結論
  综上所述,孔板流量計虽然结构较简单、设计技术成熟,但长期使用过程中存在大量影响测量精度的因素。如果各环节在设计、安装时严格按照标准执行,使用精度高功能强的智能仪器,对计量影响因素进行实时修正,使用过程中加强管理,定时维护校验,就能够降低测量误差,提高计量结果的可靠性。

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