大口径气体管道流量计-选型方法

摘要：某冶炼企业每年用氧气量约4亿立方米, 流量计量稍有偏差, 每年可能造成上百万的损失。故对几种可应用于大口径管道气体测量的流量计进行了对比分析, 发现平衡流量计有良好的准确性和稳定性, 项目***终采用了平衡流量计作为贸易计量器具。

  国内冶炼企业配套空分项目大多是企业内部运营管理。随着制氧技术的发展和人力物力成本的上升, 冶炼企业越来越倾向于将制氧系统通过BOO (Building-Owning-Operation) 的方式交给专业团队来建设运营, 再通过购买气体的方式获得氧气, 这就涉及到供气方与用气方之间的贸易计量。企业正常生产时对纯度为99.6%的高纯氧需量为47 000Nm3/h, ***大需量为54 000Nm3/h, ***小需量为10 000Nm3/h, 氧气输送管道通径达1 200mm。通过对杭氧等国内空分厂家调查发现, 其计量仪表多采用标准孔板流量计, 少量采用巴类等均速管流量计。而法国液化空气、德国林德等国外厂家中热式气体质量流量计也广泛使用, 并开始尝试使用新型平衡流量计用于贸易结算。

  虽然巴类流量计采用***新的子弹头截面传感器, 实验室测量精度提高到0.72%, 但工业现场影响其测量精度的因素过多, 此处笔者只对标准孔板流量计、热式气体质量流量计和平衡流量计进行比较。

  标准孔板流量计是一种广泛使用的流量计, 孔板的特征尺寸和加工工艺按照标准GB/T2624.2-2006执行, 检定按JJG 640-2016执行。标准孔板流量计的优点是制造简单, 一般不需要实流标定就可直接投入使用。缺点较多, 标准孔板有一个锐角, 长期使用存在“锐角磨损”问题, 测量精度随时间推移越来越低。其次计量院对标准孔板一般采用物理检定, 也就是测量几何尺寸和锐角偏差, 有特殊要求时才用水进行实流检定, 测量误差在± (1%~5%) 之间。同时标准孔板压损大, 量程比小 (为3∶1) , 安装要求直管段满足前10D后5D[1]。

  尽管标准孔板有如此多的缺点, 但其制造、检定过程均按标准执行, 故在贸易计量中仍被大量使用。针对本项目, 要求量程比至少达到6∶1, 标准孔板流量计无法满足使用要求。

  热式气体质量流量计是基于金氏定律的一种插入式流量计, 适合大管道流体测量, FCI、Sierra、Kurz这3个品牌的热式气体质量流量计已有几十年的历史。热式气体质量流量计理论模型为:

式中Cp———定压比热容, 与气体种类有关;

H———加热电功率;

M———质量流量;

ΔT———两个探头的温差。

  式 (1) 可以引出两种类型的产品:恒温差型和恒功率型。两类传感器都由两个并排的热电阻组成, 其中一个普通热电阻测量管道内气体的温度, 另一个热电阻带加热丝由电流进行加热, 当气体流经热电阻, 就会有冷却效应带走热量。由式 (1) 可知, 对于恒温差型流量计温差ΔT恒定, 当质量流量M增加时, 冷却效应就增加, 为保持两个热电阻的温差恒定所需的加热功率H增加, 而加在加热电阻上的功率H与质量流量M成正比, 测量功率H的大小可以计算出流过管道的气体质量。对于恒功率型, 加在加热电阻上的功率H始终保持恒定, 在介质静止时温差***大, 随着介质流动温差减小, 温差ΔT与质量流量M成反比, 通过测量温差的变化来获取流量的变化[2]。恒温差型响应速度快, 在流速低到0.1Nm/s时都能保持很好的线性, 随着速度增大, 精度降低。而恒功率型适合高速介质, 流速高达400Nm/s以上还可测量, 但两种类型的热式流量计对于导热性极好的氢气等介质都不适用。

  热式气体质量流量计测量的是质量流量, 无需温压补偿, 响应快[3], 高性能型号实验室测量误差为±0.1%RS±0.5%FS, 在要求高精度时多采用网格法来确认安装的***佳插入深度, 同时可在管道同一截面不同位置安装多支传感器取平均值作为***终流体流量, 现在FCI某系列的流量计上带有2~3对传感器。

  A+K平衡流量计***早是NASA针对航天飞机的主发动机液氧测量而发明的一种流量计。它相当于一个带整流器的多孔孔板, 每个孔的尺寸和分布基于独特的公式和测试数据定制, 数量一般为4~26个, 开孔数量、分布及大小等参数都在美国计算, 国内按照计算结果加工制作。当流体从多个孔中流过时, 涡流明显减少, 形成的是平衡稳定的流场, 通过取压装置可获得稳定的压差信号, 根据伯努利方程计算出体积流量, 温压补偿后得到***终流量。常规量程比为10∶1~7∶1, ***大可以做到30∶1, 无锐角, 可双向测量, 压力损失为标准孔板的1/3~1/2, 由于降低了涡流、振动和信号噪声, 流场稳定, 测量精度比标准孔板流量计高5~10倍, 稳定性更好[4]。缺点是为非标产品。为保证现场测量精度和便于计量院检定, 一般采用管道式平衡流量计, 质量大, 安装运输不方便。

标准孔板流量计的检定在第1.1节已提及, 此处不再赘述。

  热式气体质量流量计出厂时要进行实温实压实流标定, 可溯源到NIST。目前只有美国本土有实流标定实验室。在国内省级计量院一般进行N2、O2、CO及NO等接近理想气体双原子气体检定时, 不进行实流检定, 而是直接用空气作为介质, 根据下式进行计算:

式中t———时间;

V———流速;

ρ———密度。

  根据式 (2) 可知测量出某一时间段t内管道的空气平均流速V, 得到空气的质量流量, 再通过空气和氧气定压比热容关系换算为氧气的质量流量。转换过程中一般有±1%RS±1%FS的误差。

  平衡流量计不是标准件, 使用前需要送至计量院对测量精度和重复性进行检定, 流通介质为水, 送检前设备厂家会以氧气和水的雷诺数为桥梁出一份介质为水的计算书, 给计量院作为参考。为避免安装过程对测量精度造成过大干扰, 选用管道式平衡流量计, 通径1 200mm, 在东南地区能实流检定1 000mm以上孔板的计量院开封市的水大流量计量站和常州市计量测试技术研究所, 而且检定周期长。

  检定过程遵照JJG 640-2016[5]采用标定流出系数的方法, 流出系数公式为:

式中Cij———第i检定点第j次检测的流出系数值;

D———管道内径, mm;

m———节流面积比;

(qs) ij———第i检定点第j次检测标准流量值, m3/h;

Δpij———第i检定点第j次检测标准压差值, kPa;

ρ1———水的密度, kg/m3。

  根据式 (3) 可知, 只要测出第i检定点第j次标准流量值和第i检定点第j次压差值就可得到流出系数, 标准流量值可通过标准电磁流量计读出, 压差值可通过平衡流量计上安装的标准差压变送器读出。检定过程中选取Qmax、3/4Qmax、1/2Qmax、1/4Qmax、Qmin共计5个点, 每个点测量4次。标准流量值和压差值由计算机系统自动采集, 得到平衡流量计的Cij。

  各检测点流出系数Ci为:

  平衡孔板的***大示值误差E为:

  重复性公式为:

  其中 (Eτ) i为第i检测流量点的重复性。

  流量计的重复性Eτ为:

  从功能特点对比3种类型的流量计可以发现, 标准孔板流量计为标准件, 精度不高、重复性差、价格低, 量程比3∶1, 不能满足本项目的要求。热式气体质量流量计量程比可达100∶1, 直接测量气体质量流量, 无需温压补偿, 但是对测量气体组分要求较高, 气体内不能含水, 且组分不能有变化, 否则会严重影响测量精度。同时直管段要求较高, 一般为前20D后5D, 对于前方有两个不同向的弯头时, 要求前50D后5D。A+K平衡流量计基于压差测量流量原理, 可靠性高, 量程比在10∶1左右, 重复性和长期稳定性好, 所需前后直管段短 (前2D后2D) , 压损较低, 节约能源。但需要温压补偿, 计量精度为整个系统的精度, 价格也随管径的增大而增大, 大管径流量计价格更是成倍增加。

  从检定角度对比, 标准孔板流量计一般进行几何检定, 可信度低。热式气体质量流量计省级计量院可用标流速的方法进行检定, 拆下检修或标定期间可不停气, 不影响生产, 但是计量院检定误差较大。A+K平衡流量计需通水进行检定, 检定结论可信度高, 但大管径流量计检定比较困难, 东南地区仅两家计量院可检定。

  综上所述, 除检定困难以外, A+K平衡流量计更能满足企业对计量准确性和长期稳定性的需求, 加上检定周期为两年甚至更长, 不需要频繁检定, 因此企业***终选择平衡流量计作为贸易交接的计量器具。

  两套同批次同类型的平衡流量计分别安装在供气方和用气方厂区交界处, 计量院检定结果显示, 其中一套平衡流量计度为±0.603 1%, 另一套度为±0.553 8%, 重复性均优于0.01%。实际运行过程中, 两套流量计***大示值偏差远低于1%, 优于合同中商定的允许***大3%的偏差。