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    關于孔板流量計計量誤差的分析與改進

    作者:趙 清 來源:河南科技大學土木工程學院 發布時間:2021-02-01 11:11:47

           摘 要: 孔板流量計設計技術成熟、結構簡單,是石油化工等工業領域測量流體流量的主要設備。針對孔板流量計長期使用過程中測量誤差增大、精度下降問題,基于孔板流量計的工作原理,分析了直徑比 β、流出系數 C、可壓縮流體密度 ρ1 等物理參數變化以及導壓管差壓 Δp 傳送失真等對測量精確度的影響。在此基礎上,提出了對孔板進行合理設計與選材,降低孔板腐蝕率; 對孔板進行正確安裝,保證孔板前后壓差的可靠性; 直管段規范安裝,并在檢修期間嚴格清理孔板和直管段,以降低直徑比 β 以及流出系數 C 的變化對測量結果的影響; 采用智能儀表,實施溫壓補償,對計量過程中參數進行在線計算和校正等多種改進措施,力求達到降低誤差、提高計量結果精確度的目的。

     
    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。以節流裝置為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,實現對生產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、較低的生產成本和穩定、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、測量范圍度較窄、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]。
     
           差壓式流量計由檢測元件、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、噴嘴和文丘里管等。其中,節流孔板以加工方便、穩定性好等優點,應用較為普遍。
     
    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。流體流過孔板后壓力降低,孔板前后壓力不相等,產生壓差。
    節流裝置測量原理圖
    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為:
    節流式差壓流量計可壓縮流體流量 計算公式
    式中: qv 為單位體積流量,m3 /s; C 為流出系數; d 為工作條件下節流孔板開孔直徑,m; β 為孔板開孔直徑與管道內徑之比; Δp 為節流孔板前后差壓,Pa; ε、ρ1 分別為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,體積流量 qv 與流體流經孔板前后的差壓 Δp 的平方根成正比。差壓 Δp 通過差壓變送器測量。變送器將流體流經孔板前后的差壓信號轉變為與之相對應的電信號并輸出至流量儀表,從而由流量儀表根據測量參數計算出流體標準狀態下的瞬時流量或累計流量。
     
    2 造成誤差的原因分析及影響參數
    由式( 1) 可知,流量測量結果 qv 同時受很多參數的影響,如流出系數 C、節流裝置直徑比 β、雷諾系數 ReD、氣體膨脹系數 ε 以及節流孔板正端取壓口平面上流體密度 ρ1 等。如果能夠得到這些參數的準確值,同時差壓變送器能夠不失真地測量到節流孔板前后的差壓信號,就能提高流量儀表計量結果的準確性和可靠性。 
     
    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]。
    流出系數 C
    式中: C 為流出系數; β 為工作狀態下節流裝置直徑比dD ( d 節流件孔徑,D 管道內徑) ; ReD為雷諾數。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為例,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zui終目標是得到標準狀態下的體積流量。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、工作壓力為主要參數指標。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,同一臺機組冬、夏兩季產氣量相差較大。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為流量計測量流量值的 1.026 倍,夏季實際流量為流量計測量流量的 0.976 倍,計量的準確性不能保證。
    實際工作條件時氣體標準體積流量
    式中: Q實為實際工作條件時氣體標準體積流量; Q設 為設計條件時氣體標準體積流量; P實 為氣體實際工作表壓; P設為設計表壓; P0為當地大氣壓; T實 為氣體實際工作溫度; T設為設計溫度; T0為絕對溫度273.15 K[5]。 
     
    2.3 差壓 Δp 的測量
    在傳輸環節,流體流過節流裝置產生的差壓信號需要通過導壓管路傳遞給差壓變送器。導壓管內徑過小、節流裝置距離變送器過遠都會引起壓損增大,從而造成差壓信號失真。另外,如果導壓管路存在堵塞、泄漏以及因積水、積液造成的假差壓,同樣會引起差壓信號傳遞失真。導壓管安裝時,如果沒有充分考慮流體介質的性質,氣體導壓管內是否含液、含塵,液體導壓管內是否有氣體進入,以及要排除這些干擾因素,集氣器、積水沉降器的位置是否合理,是否需要伴熱等,由此引起的假差壓會使流量計量結果失真。 
     
    2.4 流量量程與流量計匹配性問題
    流量量程與流量計匹配性也是造成差壓式流量計誤差的主要原因之一,特別是當小流量遇到大量程孔板流量計時。由式( 1) 可知,由于流量與差壓信號的開方成正比,并且使用流量下限偏離常用流量越多,流量計量誤差值越大,對計量結果爭議越大。小信號時,為了防止因零點漂移,通常流量計算器進行小信號切除。但這樣又會使流量不能得到積算。例如,在進行管道氧流量計量巡檢時,有小流量氧氣在使用,但流量計無指示現象。 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
    節流孔板的設計以現場調研為主,取得流體常用的工作壓力、工作溫度,對直管段內徑進行實際測量,掌握設計較前手資料,并嚴格按照設計標準計算節流孔板的開孔直徑,孔徑的制造質量和加工精度達標。在按照合理的工況設計孔板尺寸的同時,應充分考慮流體對節流孔板材料的影響,選擇適當的材料加工孔板,以免孔板在使用過程中發生腐蝕和塑性變形嚴重。 如,煤氣具有腐蝕性,齒輪分廠煤氣流量計量裝置,停產檢修過程中,打開裝置卸下孔板后,發現孔板開孔嚴重變形,近似橢圓形,端面麻蝕。因此,測量有腐蝕性流體時,應采用耐腐蝕材料??装辶髁坑嫵S貌牧线x擇如表 1 所示[6-7]。
    孔板流量計常用材料選擇
    3.2 孔板的正確安裝
    孔板加工技術指標達標,并確??装宓恼_安裝。節流孔板安裝示意圖如圖 2 所示??装彘_孔與上游端面之間夾角應為 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,孔板前后差壓減小,測量誤差增大。
    節流孔板安裝示意圖
    3.3 直管段、導壓管的安裝維護
    節流裝置前后直管段滿足安裝要求,節流裝置直管段長度以前 10 倍直徑、后 5 倍直徑的原則實施敷設,直管段管壁粗糙度應符合標準要求,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后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后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為基礎,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zui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。為了降低計量誤差,采用具有溫壓補償功能的流量積算儀表,實施溫壓補償,進行流量值的實時修正。為了避免對流體流動的干擾,測溫點一般選在節流裝置的下游、直管段以外、大于 5 倍直徑長度小于 15 倍直徑長度的管道上,從而既不影響流出系數,又能夠反映流體的溫度。測壓信號取自孔板流量計正壓管[8]。 
     
    3.5 智能儀表的使用
    隨著電子科技的發展,儀表技術發展飛速,充分利用智能流量儀表所具有的微處理功能,實現對流量各參數的在線計算和校正。智能流量儀表能夠實現溫度壓力補償、流束膨脹系數補償,提高計量結果的準確度。當孔板開孔直徑實測值與設計值有偏離時,由于β 值變化以及流出系數 C 的變化,使zui大差壓對應的zui大流量值變化,智能流量儀表的功能足夠滿足量程的修改,從而提高流量測量的精確度。智能流量儀表還實現了兩臺差壓變送器的自動切換使用,從而拓寬了量程范圍,解決了小流量計量問題[9]。 
     
    3.6 實時的維護與保養
    日常維護的重點不僅要及時觀察工況、與各項參數核對、定時校驗流量計,還要維護節流裝置和與差壓變送器連接的引壓管線,避免差壓信號泄露、堵塞、凍結以及傳輸過程中壓力損失。當環境溫度變化較大時,應加強維護。制氧機噴冷塔出口空氣為清潔濕空氣,差壓變送器在管道下部,導壓管路安裝集水器,但冬季容易出現流量指示失靈現象。出現這一現象的主要原因是壓空水分析出增多,積滿積水罐,又沒有及時排水,伴熱管沒有及時打開,造成積水罐結冰,堵住出口,流量示值異常。故日常定時維護、重點維護、周期校驗都是計量工作的重點。 
     
    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、安裝標準、使用維護、精準校驗等各個環節認識不到位,不能弄清產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
    綜上所述,孔板流量計雖然結構較簡單、設計技術成熟,但長期使用過程中存在大量影響測量精度的因素。如果各環節在設計、安裝時嚴格按照標準執行,使用精度高功能強的智能儀器,對計量影響因素進行實時修正,使用過程中加強管理,定時維護校驗,就能夠降低測量誤差,提高計量結果的可靠性。
     

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