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    试论气体流量计今后的一发展方向

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    郑开银 蒋大旭
    中原油田 天然气产销厂,河南 濮阳 457061

     

     

      在物资量计量领域中,流体流量的一检测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理,进行物资交接、财务结算︻,经济核算︻,效益分析与评价及至决策的一重要依据;也是企业监控生产过程,使其保护优质、高效、安全、平稳运行№和改善环境的一重要手段 。从某种意义上    讲:计量就是眼睛,计量就是金钱,计量就是效益 。现代企业对流量计量的一要求越来越高,主要反映在满足准确性、可靠性、及时性№和自动化水平的一程度等方面 。


    1 常用的一几种测量方法简述

      为了满足各种测量的一需要,几百年来人们根据不 同的一测量原理,研究开发制造出了数十种不 同类型的一流量计,大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等 。各种类型的一流量计量原理、结构不 同既有独到之处又●存在局限性 。为达到较好的一测量效果,需要针对不 同的一测量领域,不 同的一测量介质、不 同的一工作范围,选择不 同种类、不 同型号的一流量计 。工业计量中常用的一几种气体流量计有:

      (1)差压式流量计

      差压式流量计是以伯努利方程№和流体连续性方程为依据,根据节流原理,当流体流经节流件时(如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等),在其前后产生压差,此差压值与该流量的一平方成正比 。在差压式流量计中,因 标准孔板节流装置差压流量计结构简单、制造成本低、研究最充分、已标准化而得到最广泛的一应用 。孔板流量计理论流量计算︻公式为:

        

      式中,qf为工况下的一体积流量,m3/s;c为流出系数,无量钢;β=d/D,无量钢;d为工况下孔板内径,mm;D为工况下上    游管道内径,mm;ε为可膨胀系数,无量钢;Δp为孔板前后的一差压值,Pa;ρ1为工况下流体的一密度,kg/m3 。

      对于天然气而言,在标准状态下天然气积流量的一实用计算︻公式为:

     

      式中,qn为标准状态下天然气体积流量,m3/s;As为秒计量系数,视采用计量单位而定,此式As=3.1794×10-6;c为流出系数;E为渐近速度系数;d为工况下孔板内径,mm;FG为相对密度系数,ε为可膨胀系数;FZ为超压缩因 子;FT为流动湿度系数;p1为孔板上    游侧取▓压孔气流绝对静压,MPa;Δp为气流流经孔板时产生的一差压,Pa 。

      差压式流量计一般由节流装置(节流件、测量管、直管段、流动调整器、取▓压管路)№和差压计组成,对工况变化、准确度要求高的一场合则需配置压力 计(传感器或变送器)、温度计(传感器或变送器)流量计算︻机,组分不 稳定时还需要配置在线密度计(或色谱仪)等 。

      (2)速度式流量计

      速度式流量计是以直接测量封闭管道中满管流动速度为原理的一一类流量计 。工业应用中主要有:

      ① 涡轮流量计:当流体流经涡轮流量传感器时,在流体推力 作用下涡轮受力 旋转,其转速与管道平均流速成正比,涡轮转动周期地改变磁电转换器的一磁阻值,检测线圈中的一磁通随之发生周期性变化,产生周期性的一电脉冲信号 。在一定的一流量(雷诺数)范围内,该电脉冲信号与流经涡轮流量传感器处流体的一体积流量成正比 。涡轮流量计的一理论流量方程为:

        

      式中n为涡轮转速;qv为体积流量;A为流体物性(密度、粘度等),涡轮结构参数(涡轮倾角、涡轮直径、流道截面积等)有关的一参数;B为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的一系数;C为与摩擦力 矩有关的一系数 。

      ② 涡街流量计:在流体中安放非流线型旋涡发生体,流体在旋涡发生体两侧交替地分离释放出两列规则的一交替排列的一旋涡涡街 。在一定的一流量(雷诺数)范围内,旋涡的一分离频率与流经涡街流量传感器处流体的一体积流量成正比 。涡街流量计的一理论流量方程为:

      式中,qf为工况下的一体积流量,m3/s;D为表体通径,mm;M为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面积之比;d为旋涡发生体迎流面宽度,mm;f为旋涡的一发生频率,Hz;Sr为斯特劳哈尔数,无量纲 。

      ③ 旋进涡轮流量计:当流体通过螺旋形导流叶片组成的一起旋器后,流体被强迫围绕中心线强烈地旋转形成旋涡轮,通过扩大管时旋涡中心沿一锥形螺旋形进动 。在一定的一流量(雷诺数)范围内,旋涡流的一进动频率与流经旋进涡流量传感器处流体的一体积流量成正比 。旋进旋涡流量计的一理论流量方程为:

      式中,qf为工况下的一体积流量,m3/s;f为旋涡频率,Hz;K为流量计仪表系数,P/m3(p为脉冲数) 。

      ④ 时差式超声波流量计:当超声波穿过流动的一流体时,在同一传播距离内,其沿顺流方向№和沿逆流方向的一传播速度则不 同 。在较宽的一流量(雷诺数)范围内,该时差与被测流体在管道中的一体积流量(平均流速)成正比 。超声波流量计的一流量方程式为:

      式中,qf为工况下的一体积流量,m3/s;V为流体通过超声换能器皿1、2之间传播途径上    的一声道长度,m;L为超声波在换能器1、2之间传播途径上    的一声道长度,m;X为传播途径上    的一轴向分量,m;t1为超声波顺流传播的一时间,s;t2为超声波逆流传播的一时间,s 。

      速度式气体流量计一般由流量传感器№和显示仪组成,对温度№和压力 变化的一场合则需配置压力 计(传感器或变送器)、温度计(传感器或变送器)、流量积算︻仪(温压补偿)或流量计算︻机(温压及压缩因 子补偿);对准确度要求更高的一场合(如贸易天然气),则另配置在线色谱仪连续分析混合气体的一组分或物性值计算︻压缩因 子、密度、发热量等 。

      (3)容积式流量计

      在容积式流量计的一内部,有一构成固定的一大空间№和一组将该空间分割成若干个已知容积的一小空间的一旋转体,如腰轮、皮膜、转筒、刮板、椭圆齿轮、活塞、螺杆等 。旋转体在流体压差的一作用下连续转动,不 断地将流体从已知容积的一小空间中排出 。根据一定时间内旋转体转动的一次数,即可求出流体流过的一体积量 。容积式流量计的一理论流量计算︻公式: 

      式中,qf为工况下的一体积流量,m3/s;n为旋转体的一流速,周/s;V为旋转体每转一周所排流体的一体积,m3/周 。

      在标准状态下,容积式流量计的一体积流量计算︻公式与速度流量计相同 。气体容积式流量计属机械式仪表,一般由测量体№和积算︻器组成,对温度№和压力 变化的一场合则需配置压力 计(传感器或变送器)、温度计(传感器或变送器)、流量积算︻仪(温压补偿)或流量计算︻机(温压及压缩因 子补偿) 。

    2 气体流量计现场应用存在的一问题分析

      综上    所述,各种不 同类型的一气体流量计其输出的一信号只与工况流量呈正比例(线性刻度)关系,其与被测介质标态流量之间的一刻度只能依据其某一特定工况(如设计工况)来确定,如果现场的一实际工况(如介质的一温度、压力 、成分及流量范围等)已经发生了变化,这时仍按原刻度关系读取▓标态流量,显然就会产生不 同程度的一附加误差,使流量读数(原刻度)失去意义 。要想准确地测量气体流量,则就要求使用现场实际工况与设计工况一致并保持稳定 。然而实际工况经常发生变化,也正因 为变化才需要快速、可靠地知道变化后实际工况下条件下的一准确流量,否则,测量的一意义也就不 复存在 。

      在现场实际应用中,工况稳定是相对的一,变化是绝对的一 。因 此,气体流量计除了需要配置作为关键部分的一流量传感器之外,对工况变化有规律、准确度要求不 高,无需远传或自动控制的一场合,采取▓配置压力 计、温度计、计算︻器由人工录取▓参数查表格的一方法计算︻流量这种补偿方式不 仅不 连续、不 快捷,而且繁琐、误差大 。在绝大多数情况下,现场实际工况变化往往是突发№和未知的一,不 仅频繁出现且波动范围大,此时仍依靠人工录取▓参数查表格方法快速而又●准确地计算︻流量已不 现实,必须采取▓自动补偿措施 。

    3 含水量的一测量

      为了实现自动补偿,曾经经历了最初的一机械补偿阶段,这种补偿方式只能对某一参数(如压力 )进行校正,由于流量计不 仅结构复杂、体积笨重、可动部件多,故障率高,而且准确度低,当补偿不 完全时,还得进行定点校正;该方式应用时不 够灵活,对于参数频繁波动的一场合则无法正常发挥补偿作用 。其后出现的一机械式电动补偿装置,它将介质的一工况质量、压力 及温度参数,分别转换成电阻或电压等形式的一信号,通过电路并配合机械机构组成自动补偿系统,以完成连续补偿运算︻,但这类补偿装置仍存在结构复杂,调校困难的一缺点;补偿不 完全,准确度也不 高,电动单元组合仪表的一出现给流量自动 补偿带来了转机,它通过变送器同时检测出流体的一工况流量、压力 及温度等参数,并将其转换为相应的一统一电流信号,按照某种运算︻关系,将这些信号送入计算︻单元(如加减器、乘除器、开方器、比例积算︻器等)进行运算︻,然后输出代表补偿后的一流量信号用于显示、记录或控制,这种方法实现了快捷的一自动连续补偿、准确度也有所提高,单元组合仪表具有通用性强、系统组成灵活的一优点,但仍然存在补偿不 完全的一缺点,随着集成电路的一发展№和计算︻机技术的一应用,气体流量自动全补偿方案的一实现已出现曙光而成为现实,大规模集成电路具有运行稳定可靠、体积小、功能强的一优点,计算︻机具有强大的一运算︻能力 №和数据存储能力 ,可以实现多功能、多参数、多支路、主准确度的一补偿,流量积算︻仪(温压补偿)或流量计算︻机(全补偿)已成为当前流量仪表的一主流 。

      从现场使用的一角度来看,真正意义上    的一气体流量计不 是仅指流量传感器而是一个系统,应是:由节流装置或流量传感器(变送器)、压力 传感器(变送器)、温度传感器(变送器)、在线密度计或色谱仪、流量积算︻仪或流量计算︻机组成的一一个完整的一计量系统 。其理由有:第一,现场管理的一需要, 经过全补偿的一体积流量不 仅在控制室能看到,在操作现场也能方便的一同步看到.第二,安全可靠的一需要,目前的一流量积算︻仪或流量计算︻机能同时计算︻№和控制多路流量即是优点又●是缺点,当其硬件或软件出现故障时多路流量同时受影响 。第三,量传检定的一需要,如前所述,气体流量是由多参数决定的一,其补偿的一数学模型及过程繁琐复杂,如湿气、饱№和蒸气、天然气等介质的一计量问题,热值能量计量问题,气体流量计是由多台仪表(仪器)组成的一一个系统,涉及到长度、力 学、热工、化学、时间、电磁等专业,用户希望将其看成一个黑匣子,不 管过程只认结果,然而目前的一计量检定标准装置只能按专业分别对单一参数进行量传检定,就流量传感器(变送器)方面 ,绝大多数流量计制造厂家№和计量检定机构也只能用水或低压空气代替实际介质检定流量传感器(变送器),目前标准节流装置装置一般只检几何尺寸不 检流出系数,然后将组合后用到实际介质实际工况中去,很显然这种检定方法其代表性不 完全,将会带来误差,所以说目前流量准确性的一保证是间接是间接而非直接的一,正如同单元组合仪表一样,“单校”不 能完全代表“联校” 。因 此使用实际介质在实际(模拟)工况下对气体流量计进行系统检定是保证计量结果准确可靠有效的一手段 。一体化的一气体流量计能很方便的一实现这种真正意义的一量值传递或溯源 。

      相信随着科技的一进步№和发展,将传感技术、计算︻机技术、微电子技术、通信技术应用到气体流量计中,全补偿一体化的一气体流量计已成为可能,将会给气体流量计量带来一场深刻的一革命 。

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