变组分气体质量流量计的应用与现场验证

宋文其，纪波峰，纪纲

(1． 扬子石油化工有限公司，江苏 南京 210048；2． 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

石化等行业的干气，交接点处质量流量往往达到每小时几十吨，对其进行准确计量具有重要意义。但其组分每时每刻都是在变化的，不能采用恒定组分气体质量流量的测量方法，例如带温压补偿的标准孔板流量计或涡街流量计[1]。科里奥利质量流量计准确度可达到±0.5%[2]，但是价格较高，尤其是管径较大规格的价格更高，而且在流体静压很低时也不宜选用。某公司研发的FVC型涡街-差压变组分气体质量流量计(以下简称FVC流量计)，解决了该难题。

FVC流量计，采用涡街流量传感器测量传感器出口处的工况条件下的体积流量，用旋涡发生体前后差压，计算流量计出口侧的气体密度，经计算得到质量流量。该方法不仅简单可靠，可测流速范围大，而且准确度高。

1 FVC流量计工作原理

1.1 仪表结构

FVC流量计由传感器和流量计算机(二次表)组成。其中，传感器由DY型涡街流量传感器和测量旋涡发生体前后差压的智能差压变送器两部分组成。差压变送器具有HART通信功能。

1.2 基本关系式

传感器出口侧工况条件下的体积流量qVf[3]计算，如式(1)所示：

qVf=3.6f/Kf

(1)

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

旋涡发生体前后的差压与发生体出口处的流体密度成正比[4]，计算如式(2)所示：

(2)

式中： Δp——旋涡发生体前后的差压，Pa；k——系数，由实流标定得到，纯数；vf——工况条件下测量管内气体流速，m/s；ρf——工况条件下流体密度，kg/m3。

将式(2)整理可得式(3)：

(3)

从定义可导出测量管内气体流速与体积流量的关系[3]，如式(4)所示：

vf=qVf/A

(4)

式中：A——测量管流通截面积，m2。

将式(1)代入式(4)得式(5)：

(5)

将式(5)代入式(3)并整理得式(6)：

(6)

将式(1)与式(6)相乘就得质量流量qm，如式(7)所示：

(7)

1.3 非线性校正

从式(7)可看出，qm和Δp之间以及qm与f之间都是线性关系，这对提高系统准确度是有益的，如果Kf和k都真正是一个常数，则系统准确度就可达到很高，但是Kf和k并不是理想的常数。实验表明，式(1)中的Kf要受到流过测量管的流体雷诺数ReD影响，如果不对这种影响进行校正，则涡街流量传感器只能达到0.75%～1.0%的线性度[3-5]。因此，FVC流量计配有流量计算机，可在计算机中按照经验模型进行校正。

在式(3)和式(7)中，k的非线性主要是受气体的可膨胀性影响。因为气体流过旋涡发生体时，在发生体前后产生的Δp是变化的，所以会产生永久性压损，传感器出口处的流体静压p2必然比进口处静压p1要低一些，该处流体静压的降低导致气体膨胀，从而引起k随着v的增大而有些许增大，增大的幅值与气体的等熵指数κ以及压损比Δp/p1有关，此项补偿也在流量计算机中按照经验公式进行补偿[6-8]。其中，Δp由差压变送器测得，p1是流量计算机采用HART通信的方法从差压变送器中获取。

上述的两项补偿所依据的模型要做到100%是困难的，残存的瑕疵都会引起流量测量误差，因此流量计在出厂前还有一个实流校准工序，可将校准暴露出来的误差用10段折线法进行恰到好处的修正，从而使整机±0.5%MV的准确度得到保证[9]。

1.4 信号传送方法

流量传感器、变送器与流量计算机之间传送信号，如果采用模拟信号传送方式，则会损失大约0.1%FS的精度；如果采用数字通信的方法传送，则完全不损失精度；采用频率信号传送，也不损失精度。FVC流量计采用HART通信的方法传送差压信号，采用脉冲计数的方法接受涡街传感器送出的代表流速的脉冲信号，从而做到完全不损失精度[10]。

2 FVC流量计主要技术指标

FVC流量计性能优良，主要技术指标包括： 工作压力不大于6.4 MPa，允许传感器在微静压管道中使用；最高流速为80 m/s；量程比范围为1∶10～1∶20，与工况条件下的气体密度有关；最大允许误差为读数值的±0.5%；传感器允许振动为2g；传感器防爆等级为ExdⅡCT6或本安。

3 设计与计算

FVC流量计设计的主要难点是公称通径的选择。因为仪表通径选的太大，不仅使投资显著增加，而且使可测最小流量显著增大，不利于小流量的测量；如果仪表通径选得太小，则在最大流量条件下，流过流量传感器的气体流速就有可能大于允许的上限流速，从而使误差陡然增大。

通常情况下，对于采用横河DY型涡街流量传感器作为流速测量部件的FVC流量计，因其最高流速允许达到80 m/s，其公称通径可比工艺管道公称通径小1～3档。以干气测量为对象，举例说明计算方法。工艺管道为DN400，标准状况下最大流量为2.7×104m3/h，温度为20 ℃，表压为0.4 MPa，最低表压为0.25 MPa，该流量计安装在用气方，出现最大流量时，仪表安装处出现最低压力，所以，FVC流量计工况条件下的最大体积流量qVfmax计算以qVnmax，t和pmin为条件。令压缩系数Z=1，计算如式(8)所示：

7 787(m3/h)

(8)

式中：qVfmax——工况条件下最大体积流量，m3/h；pn——标准状态下绝对压力，0.101 325 MPa；pmin——最小绝对压力，MPa；t——流体温度，℃；qVnmax——标准状况下最大体积流量，m3/h。

计算流速为80 m/s条件下对应的测量管内径，如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

显然，选用DN200仪表是合适的。在该实例中，涡街流量传感器的公称通径比工艺管道公称通径小3档。

另外，对于过程压力较低的测量对象，压力损失也是需要关注的。在该案例中，标准状态下气体密度值为0.72 kg/m3；在p=pmin时，ρf=2.496 kg/m3；k值为1.08，最高流速以80 m/s计，则按式(2)计算可得： Δp=17.25(kPa)。考虑气体流出流量传感器后，静压会有一定程度的恢复，所以永久压降应小于17.25 kPa。

4 计量检定

FVC流量计在安装投运前，一般都要进行计量检定，所依据的是气体质量流量计计量检定规程，检定的工况参数应尽量与实际使用的条件接近。检定的目的一是满足计量管理的需要，二是验证制造厂出厂校验(校准)结果。流体密度在一定范围内变化，质量流量示值不应超出误差范围。

由于FVC流量计具有流体可膨胀性自动补偿功能，而补偿幅值又与流过传感器的气体κ以及Δp/p1有关[8-9]，所以检定时应将流量计算机菜单中相应项目按实际情况予以设定。例如在空气流量标准装置上检定，常用表压为0.6 MPa，则可将菜单中的κ值设定为1.4，检定完毕再将κ值恢复到出厂设置。

实际使用时，p1实际值是FVC流量计中流量计算机通过HART通信的方法从差压变送器中读取的，而流量计算机中的“手动设定压力”作为后备冗余，也是必不可少的。

由于每一套气体流量标准装置都有误差，而且检定时的工况条件与出厂校验时也会有差异，故检定得到的误差数据与出厂校验结果会有差异，但最终结果不能超出误差范围。

5 安装与调试

5.1 安装方式

FVC流量计的传感器主要由横河的DY型涡街流量传感器和EJA110型差压变送器组成，而这两种仪表均具有良好的耐振性，所以允许安装管道有轻度振动，振动加速度为2g时不影响正常测量。

FVC流量计最好安装在水平管道上，差压变送器置于水平管道的上方。这时，流体中即使含有悬浮在气体中的微小液滴，也不会引起导压管堵塞而影响正常测量。

仪表安装完毕，就可对差压变送器校零，然后开表投运。读出流量计算机原始数据画面中的来自涡街流量传感器的脉冲频率，除以Kf得工况条件下的体积流量，二次表显示的体积流量值应与计算值相同，显示的差压值应与差压变送器液晶表头显示的差压值也相同。

5.2 调试方法

用户最关心的问题是质量流量示值的准确度。根据qm=ρfqVf，其中qVf在上文中已验证其准确度，则只需判断ρf的准确度即可验证流量示值的准确性。

验证ρf示值的准确度，简单易行的方法是对当前的混合气进行取样分析，然后按式(11)计算混合气标准状态密度，再根据取样时的气体温度和压力按式(12)计算ρf并进行比对[11]。

ρn=φ1ρ1+φ2ρ2+…+φm-1ρm-1+φmρm

(11)

式中：ρn——标准状态混合气体密度，kg/m3；φ1， …，φm——各组分的体积分数；ρ1， …，ρm——标准状态下各组分密度，kg/m3。

工况条件下混合气体理论密度ρf在忽略压缩系数影响后[9]为

(12)

式中：pf——工况条件下涡街流量传感器出口绝对压力，MPa；Tn——标准状态热力学温度，K；Tf——工况条件下流体热力学温度，K。

6 结束语

采用变组分气体质量流量计，优势有如下几方面：

1)针对变组分气体其组分每时每刻都是变化的，采用FVC气体质量流量计测量，方法简单可靠，从而解决了变组分气体质量流量测量的难题。

2)由于涡街流量传感器量程比大，从而使FVC流量计也具有较大的量程比，而且在微静压对象中也能正常测量。

3)测量管内流体ReD对涡街流量传感器的流量系数线性度有一定影响，气体的可膨胀性也会引起流量测量误差。在流量计算机中对这两种影响均按数学模型进行补偿，并在出厂前的实流校准中，用10段折线法进行适当地修正，从而使±0.5%MV的准确度得到保证。

4)涡街流量传感器测量管内气体流速，最高允许80 m/s，设计选型时，一般可将仪表的公称通径缩小1～3档(按上限流速选定)，从而节省投资。

5)由于FVC流量传感器耐振性能良好，所以安装现场有轻度振动也不影响正常测量，而且只要正确安装，气体带有微量液滴，也不影响正常测量。