一种变组分气体流量计的研究

宋文其，叶 明，余厚林，马瑞民，纪波峰，纪 纲

（1.扬子石油化工有限公司，江苏 南京210048；2.中国石油海洋工程有限公司，天津300270；3.上海同欣自动化仪表有限公司，上海200070）

在气体质量流量测量任务中，被测流体绝大多数为组分稳定的气体，因为组分稳定，所以标准状态密度稳定，这样就可以利用式（1）计算其工况条件下的密度[1]，用于密度补偿。

式中：ρf——工况条件下流体密度，kg/m3；ρN——标准状态下气体密度，kg/m3；pf——工况条件下气体绝对压力，MPa；pN——标准状态下气体绝对压力，MPa；TN——标准状态气体热力学温度，K；Tf——工况条件下气体热力学温度，K；ZN——标准状态气体压缩系数，一般ZN=1.000 0；Zf——工况条件下气体压缩系数，查表或计算得到。

对于体积式流量计，则可用式（2）计算质量流量[2]qm：

式中：qVf——工况条件下体积流量，m3/h。

但是，如果气体的组分在不停地变化，就不能用式（1）和式（2）的方法计算qm[3]。为了解决该问题，人们选用科氏力质量流量计测量变组分气体质量流量[4]，但该类仪表价格太高，很多用户承担不了。为此，研发价格相对便宜的仪表就成为当务之急。

1 涡街流量计工作原理及校验

1.1 工作原理

在气体流量测量中，涡街流量计已经应用得十分普遍，具有结构简单、工作可靠、线性度、脉冲信号输出等优点，可以避免信号的传送而引起的误差。同时，涡街流量计具有良好的耐振性，使其具有很好的抗干扰性能。但也有其局限性，它只能测量工况条件下的体积流量，而无法测量流体密度。笔者利用旋涡发生体前后的压差，计算工况条件下的流体密度，可以克服涡街流量计的局限性。

根据伯努利方程可推导出公式（3），即旋涡发生体前后的压差与发生体出口处的流体密度成正比[5-6]。

式中：Δp——旋涡发生体前后的差压，Pa；K——系数，由实流标定得到，来自涡街流量传感器制造厂提供的数据；v——测量管内气体流速，m/s。

将式（3）整理可得

利用式（4）就可计算ρf，其中v可根据涡街流量传感器的输出频率和其测量管的几何尺寸计算得到。而K则来自涡街流量传感器制造厂提供的数据。例如横河公司的DY型涡街流量传感器，K=1.08。不同通径的涡街流量传感器，K会有一些差异，这会影响整套流量计的满量程准确度，可在整机实流校验中，根据满量程误差予以修正。

根据涡街流量传感器输出频率f利用式（5）计算体积流量，即

式中：f——涡街流量传感器输出频率，l/s；Kt——工况条件下流量系数，1/L。

则式（4）与式（5）相乘就得质量流量：

式（3）中的v可由式（7）计算得到：

式中：A——涡街流量传感器测量管截面积，m2。

为了提高质量流量测量的精度，还需引入可膨胀性系数的自动校正，以抑制高流速时质量流量测量示值出现过大的正偏差。该项校正所用的数学模型既有别于标准孔板，也有别于喷嘴、文丘里管[7-8]。

FVC型变组分气体质量流量计由传感器和带显示的转换器组成，其中传感器由1台横河公司DY型涡街流量传感器和1台EJA型差压变送器按规定的方法组合而成。

1.2 技术指标及校验

FVC型变组分气体质量流量计成套放在正压法空气流量标准装置上逐个部分校验，确保10∶1量程比范围内的±0.5%MV准确度。校验时的操作压力，尽量使空气密度接近常用密度。从原理考虑，涡街流量传感器只能达到1%的线性度，为了达到整套流量计的±0.5%MV准确度，就必须借助于先进的在线校正技术。DN80 FVC型变组分气体质量流量计的实流检定记录[3]见表1所列。

1.3 流量计示值准确度的现场验证

该变组分气体质量流量计投入运行后要保证测量准确度的关键是：仪表出厂前的配套校验、现场按照规程合理安装及配套使用。而仪表投入运行后还需要接受用户对流量示值的验证，该工作的本质是对流量示值准确度进行验证。

1.3.1 对流量计零点示值的验证

通常对流量计示值准确度进行验证的方法有多种，其中对流量计零点示值进行验证最简单，只要将总阀关闭（如果工艺专业允许），观察流量计显示值。该流量计是以涡街流量传感器为基础的，因而测量管内流体流速无需降到零，其输出频率已经进入切除区，所以在零点验证中不会出现问题。

1.3.2 对零点之外流量示值的验证方法

对零点之外流量显示值进行验证最简单易行的方法是：对ρf示值进行验证。如式（2）和式（5）所示，由于Kt已知，因此在现场测量出f，就可知qVf的值。这样，只要验证ρf的准确性，就可证明qm的准确性。

仪表显示的流体密度值，可用成分分析仪器测得混合气体组分值，经下式计算得到理论密度，然后进行比较[9-10]，求得示值误差。

式中：φ1，…，φm——各组分的体积分数；ρ1，…，ρm——标准状态下各组分密度。

工况条件下ρf的理论计算值在忽略压缩系数影响后为

经上述方法计算即可验证ρf的准确性。

3 结束语

变组分气体质量流量测量具有一定的难度，用涡街流量计测量工况条件下的体积流量，再用旋涡发生体前后的压差，推算发生体前流体密度，相乘得到质量流量，然后放在正压法空气流量标准装置上校验，可保证0.5级准确度，多种通径仪表在现场投运表明，该方法稳定可靠，节省投资。