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温压补偿在流量计量中的应用
发布时间:2016-11-03

1 引言
   差压式流量计测量气体流量时,由于介质工作温度、压力不是恒定的,所以需要对测得的流量进行温压补偿才能获得准确的流量数值。但在实际维护工作中,由于概念模糊、错误,对公式及参数的理解不够深入严谨、各主流DCS或流量演算仪组态参数的配置不一等原因导致气体流量测量偏差较大。
2 温压补偿
2.1 温压补偿的基本原理
   由于气体的可压缩性,决定了其流量测量的复杂性,气体的实际流量除了与仪表的测量信号有关,还与气体的实时密度有关,而气体的密度又是温度和压力的函数,所以,气体的流量测量普遍存在温压补偿问题,其实质就是被测气体的工况下温度、压力与设计数值不符时,而采取的密度修正措施。
2.2 温压补偿的前提
   只有计算出流量,补偿才有意义。温压补偿的前提就是计算出流量,没有流量计算,补偿就无从谈起。只要是利用差压原理来测量流量,都满足流量基本方程。流量基本方程式(差压流量计)为:

式中:
q为被测气体在工作状态下的体积流量;
M为被测气体在工作状态下的质量流量;
k为系数,它包含流量系数、膨胀系数、管道孔径等参数;
Δp为差压,可实时检测;
ρ为工作状态下的密度,一般难以直接测得,通常通过温度、压力、组分求得,需在线进行温压补偿。
2.3 温压补偿的基本公式
依据理想气体、水蒸气、湿气体3种情况密度变化的具体特点,分别衍生出3种不同的流量补偿公式。
(1) 理想气体温压补偿公式

式中:F0为补偿前的流量,单位为m3/h;
F为补偿后的流量,单位为m3/h;
P为工作压力,单位为kPa;
Pb为设计压力,单位为kPa;
T为工作温度,单位为K;
Tb为设计温度,单位为K。
(2)水蒸气温压补偿公式
   水蒸气不等同于理想气体,其密度与温度、压力没有现成的、精确的函数关系式,只能从手册中,根据温度和压力查表找出相应的密度,或以经验公式来替代,分为两种情况:
当压力变化范围0.1~1.1MPa,温度变化范围100~400℃时:

当压力变化范围1.0~14.7MPa,温度变化范围400~500℃时

式中:P为实时压力,T为实时温度。
(3)湿气体温压补偿公式
   湿气体与干气体的不同点是,其密度除了与温度、压力有关外,还与湿度有关,包含湿度补正的湿气体温压补偿公式:

式中:
Q为补偿后的质量流量,
Q0为补偿前的质量流量,单位为kg/m3;
0.804为温度0℃,一个标准大气压下,水蒸气的密度,单位为kg/m3;
ρ0、T0、P0分别表示气体在0℃、一个标准大气压下的密度、绝对温度、绝对压力;
F为气体的绝对湿度,kg/m3;
Z为气体压缩系数;
P为实时压力;
T为实时温度;
F、Z、ρ0可查表求得。
3 温压补偿的实施
3.1 DCS中实现温压补偿
   在目前应用的主流DCS系统具有数学函数、逻辑运算的功能块,方便程序得以实现。对于理想气体而言,艾默生DeltaV系统调用PT_COMP模块、横河CS3000 DCS系统调用TPCFL模块、和利时MACCS DCS系统调用TPCOMP模块、浙大中控JX-300XDCS系统调用PTCOMP模块,定义相关变量并设置相应参数即可。对于湿气体或蒸汽而言,只需按照上述对应的温压补偿公式单独组态即可。
3.2 PLC中实现温压补偿
   对于PLC控制系统,实现起来较为复杂。不管是理想气体还是湿气体或蒸汽而言,都须按照各自的补偿公式自定义功能块,在功能块中通过文本化的高级编程语言编写应用程序,调用该功能块来实现密度计算。
3.3 流量演算仪中实现温压补偿
   在流量演算仪中组态,若现场为差压式仪表时,一方面要注意选用合适的密度补偿模块,同时还需注意通道的正确性、单位的一致性。若现场为脉冲式仪表,在设定仪表系数时确保单位的一致性,且只能测得工况下的体积流量,结合已经固化好的密度补偿芯片可算出对应的质量流量。
4 温压补偿的典型误解及维护策略
4.1 正确对待极端情况
   要对实际工况波动频繁及波动很大的场合持慎重态度,否则单靠温压补偿仍难达到测量精度要求。自控人员应建议工艺人员查找工况参数波动大及波动频繁的原因,从工艺或设备上进行改进才是上策。
4.2 油品计量也需要温压补偿
   石油制品大都采用压力、温度修正,它通过密度与压力、温度的函数关系进行计算而得到。但这种方法并非所有情况都是有效的,如被测介质组分经常变动,密度与压力温度关系不明确或精度不高等就难以应用,因此,应该发展补偿的直接法(密度、粘度补偿),使直接法和间接法(压力温度补偿)同时并举,相辅相成。
4.3 工况流量与标准流量的区别
   工况下的流量是指介质在实际工作状态下的流量,设计流量是指介质在某种规定条件(一般为设计状况)下的流量,标准流量是指压力为101325Pa,温度为20℃时的体积流量。在实际工作中有很多人将设计流量误解为标准大气压下的流量,这种情况一定要加以纠正。
4.4 量程与单位必须保证一致
   注意DCS、PLC、演算仪中的差压、温度、压力值的上下限的设定要与各个变送器保持一致,并要注意各个量的单位使用,单位在任何时候都需保持一致。
4.5 流量系数设定要慎之又慎
   在以脉冲形式输出的流量传感器(如涡街流量计涡轮流量计旋进漩涡流量计、罗茨流量计)中,常用仪表常数来表示脉冲输出量与流过仪表的流体流量之间的静特性。在流量仪表中,仪表常数的定义是单位体积流体流过流量计时流量计发出的脉冲数,其单位为L-1或m-3,有些仪表中将单位标示为流量系数K(单位为P/L或P/m-3,有的单位为I/L,有的单位为ξ单位为l/P,有的单位为N/L,或N/m-3),在进行计算时,应保持量纲的一致性,有时需进行简单单位换算,否则容易出错。
4.6 避免重复开方
   差压式流量计总是要有开方运算这一环节,但若在差压变送器开了平方后,在二次仪表(DCS、PLC、流量演算仪)中再开方一次,就会产生相当大的误差,重复开方使得仪表示值偏大。
4.7 避免将绝对压力当表压来处理
   在带压力补偿的流量测量系统中,其中最容易出错的是将绝对压力当表压来处理,流量补偿中用的压力变送器一般均为表压力变送器,但在差压流量计中进行压力补偿的公式为绝压,将绝对压力当表压来处理带来的误差是显著的,而且操作压力越低,影响越大。
4.8 温压补偿不是万能的
   当工况参数偏离设计值太多,或工况参数波动频繁且太大时,即使有了温压补正措施,仍难达到测量精度要求,此时对于特定的孔板而言,只能重新计算差压与流量之间的关系。
5 结束语
   气体流量测量普遍存在温压补偿问题,这是由气体的特性所确定的。因此,在气体流量测量系统中,温压补偿是其中一个不可缺少的环节。深入了解温压补偿的机理,将其灵活应用于工作实践中,真正做到流量测量了然于心,才能在工作中不被动

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