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带温压补偿孔板流量计在氢气计量中的应用
发布时间:2016-11-21

0 引言
   天然气制氢生产工艺是以天然气为原料生产氢气,与水蒸汽进行重整反应,得氢气产品,然后通过管道输送给客户。氢气相比其他气体,价格偏贵,因此氢气计量的准确性不仅关系着供需双方进行公平的贸易结算,还关系到成本控制,因此整个计量系统受到各方的高度重视。带温压补偿孔板流量计在氢气计量中的应用
1 系统方案
   如图 1 所示,整个计量系统由双孔板、差压变送器压力变送器热电阻、流量积算仪组成。孔板与差压变送器组合采集差压信号,压力变送器采集压力信号与热电阻采集温度信号组合用于温压补偿,经计算后在流量积算仪中显示。
   两块孔板可根据实际生产需要串联、并联测量,但同一时刻只用一块孔板的数值用于贸易结算。当在运行过程中发现两块孔板有较大的偏差时,操作人员会及时查看历史趋势,根据工艺判断查找出有流量突的一台,及时送第三方单位进行检定。
这种采用双孔板的计量方式,虽然在项目建设初期投入费用高一些,但是如果有偏差出现而未及时进行干预,会造成很大的经济损失。
孔板流量计系统机构图
   孔板原理如图2 所示。根据伯努利方程,流体在管道中流动,当接近阻拦处时,有一部分流体的势能转换成动能,在孔板的前入口端面压力增加; 当经过节流元件时,流体逐渐收缩,流速升高,压力最小,所以在孔板上下游两侧产生压力差,流量越大,压差就越大,孔板即是通过测量压差来体现流量大小。其基本公式如下:

孔板流量计原理图
1. 2 温压补偿
   由于气体可以压缩,随着压力、温度的变化,体积也相应地发生变化,因此需将工况下的气体流量换算成标况下的体积流量进行计量,即标准状态下 1 个标准物理大气压( 0. 101 325 MPa) 、0 ℃( 273. 15 K) 时的流量,进行温压补偿,公式如下:

1. 3 流量积算仪
   流量积算仪采用浙大中控的 U6-200,IO 模块能够处理多种数据类型,4 ~20 mA、1 ~5 V、欧姆、开关量和脉冲量输入以及模拟量、开关量输出等,还能够实现流量温压补偿及流量的分段计量。根据合同条款规定,在程序内设置流量分段值,可自动生成日报表、月报表。操作人员只需要选择要打印的报表日期,及日报或月报即可,不能人为进行修改任何数据。
2 双孔板安装和使用
   仪表的安装是仪表运行的重要部分,孔板对安装的要求尤其高,它直接影响计量的误差。双孔板的安装与单个孔板相比,要求更加严格。
2. 1 孔板安装方向
   孔板上下端面装反,流量会比实际流量低,在安装初期应检查管道流向,在孔板上也有 箭头标识,箭头的方向要与介质流向一致。在取压口附近标有“+”的一端应与流体上游管段连接,标有“-”的一端应与流体下游管段连接。
2. 2 中心线
   孔板的中心、法兰中心、管道中心应在同一轴线上。
2. 3 直管段长度
   GB / T 2624. 2-2006 表 3( 无流动调整器情况下孔板与管径之间所需的直管段) 中对不同情况下孔板直管段做了详细分类,在本项目中,采用两块孔板 A 和B,由于两块孔板上游侧存在的阻流件不同,所以直管段要求也不相同。
   根据孔板计算书得出 β 值为 0. 375 72,A 孔板的上游侧为一个全孔球阀和一个三通,需要 12D 的直管段; B 孔板的流体质量较差,在其上游侧有一个截止阀和一个 90°弯头,一个三通,共需要 28D 的直管段。由于现场安装空间有限,不能满足 28D 的直管段要求,为了能够实现较好的流体质量,使测量满足精度要求,因此在孔板前面采用整流器。整流器安装如图3 所示,采用 DANIEL 整流器后,直管段要求从 28D 变成 17D,解决了现场安装空间不足的问题 。
孔板流量计整流器安装示意图
3 计量系统模式选择
   双孔板计量与单孔板计量的不同是选择的检测元件数量增加一倍,所以除了需要满足精度要求外,成本及第三方鉴定也是需要着重考虑的问题。
   计量系统的整个环节没有人工参与,仅仅是利用变送器、热电阻等相关设备实时检测所涉及的各参数,通过预设在流量积算仪软件的公式或在 PLC 中编程来计算流量。随着技术的发展,差压流量计的计量方法众多,主要可分为以下两种模式: 检测元件+PLC+HMI,检测元件+流量积算仪+工控机。
   检测元件可以分为多参量智能变送器与单参变送器。多参量变送器通过一个检测器将温度,压力,差压同时检测,并在表头进行显示。一般应用于没有分段计量的模式,结算的依据仅仅是流量的累积值,每月约定某一时间甲乙双方共同读取数值。优点是第三方鉴定简单方便,变送器可以单独校验,也可以随流量计一起校验; 缺点是变送器本身没有存储数据的功能,数据则需要送到 HMI 中进行存储,而且累积流量需要将通信协议由 Modbus485 转换成 Modbus TCP/IP 后传输给HMI,硬件成本会相应增加,且数据容易丢失。因此,在本项目中没有采用多参量变送器。
3. 1 检测元件+PLC+工控机
   检测元件将现场压力、差压、温度等信号送入流量计 PLC 的 AI 模块,通过数据转换后,在 PLC 内进行编程后计算出氢气瞬时流量、累积流量,再通过 HMI 进行显示。
   这种计量方式是属于目前普遍采用的模式,由于温压补偿是由人工在 PLC 中编程实现,采用简化版温压补偿公式,有些参数并没有在公式中体现,这些参数会对计量精度有一些影响。这种模式采用硬件较多,人工参与度较大,可靠性相对较差,信任度较低; 并且计量系统需要第三方进行鉴定。
3. 2 检测元件+流量积算仪+工控机
   检测元件采集到压力、差压、温度后,输入到流量积算仪数据采集卡,由流量积算仪内部软件进行温压补偿后,计算得出氢气的瞬时流量、累积流量等信号。流量积算仪的计算软件是固化在其 CPU 中,内部程序无法人工更改,操作人员只需在其自带的触摸屏上设置相关参数,操作简单方便。在流量计算时,会比在 PLC 人工开发程序精度高很多,整个系统的可靠性也提高很多。
   采用流量积算仪的优点在于它除了能够进行流量计算、温压补偿以外,还能够实现流量的分段计量,自动生成日报表、月报表,减少了在工控机上人工编程实现分段计量所产生的误差。与传统的计量模式相比较,流量计算及报表的生成都是在流量积算仪上实现的,也避免了在 PLC 上编程,工控机上显示时两设备时钟不同步造成数据有差异的问题。随着自动化技术快速发展,流量积算仪的功能也日益增强,除了能够实现流量的相关数据处理外,还能够实现简单的控制功能,适用于需要计量且控制回路不多的现场。
4 双孔板偏差计算
孔板流量计流量曲线图
如图4 所示为孔板运行曲线,12 h 内平均偏差为50.25Nm3,由此可以推算出一年的偏差约为440 190 Nm3。
由图 4 可以看出如果两块孔板偏差高出实际生产需求值时,会造成很大的经济损失,需要及时查找原因,解决问题 。
图 4 流量曲线图
5 带温压补偿孔板流量计的优缺点及应用
5. 1 带温压补偿孔板流量计的优点
1) 孔板结构简单;
2) 孔板属于标准节流装置,得到国际组织的认
可,可以采用几何测量法,不需要实流标定;
3) 孔板的压损相对较小;
4) 可以与不同厂家的变送器配合使用;
5) 两块孔板的优点在于当发现流量偏差很大时,能够及时发现问题 ,避免了经济损失。
5. 2 带温压补偿孔板流量计的存在的问题
1) 孔板的精度在流量计中属于中等水平,很多因素都能影响其精度,在流量小于其量程 30% 时,尤为突出;
2) 压力损失大;
3) 测量范围窄,量程比小;
4) 有较长的直管段长度要求,要求安装有足够的空间;
5) 孔板以内孔锐角线来保证精度,对于腐蚀、磨损、结垢、脏污敏感,长期使用精度难以保证,需每年拆下强检一次;
6) 采用法兰连接,易产生跑、冒、滴、漏问题,大大增加了维护工作量;
7) 带温压补偿孔板流量计在计量时需与客户协商结算方法,以免引起异议;
8) 成本增加,维护量增加。
6 总结
由于计量站一般为无人值守站,日常维护带来一定的难度,所以在设计计量方案时要充分考虑操作、维护的简要性,操作简单,维护方便,而且要非常可靠,所以双孔板能够实现这样的目的。带温压补偿孔板流量计在实际应用中并不多见,主要其成本提高而不被广泛采用。但在贸易结算中,最重要的一条原则就是保证计量精度,无论偏差是正值还是负值,对买卖双方来说都是不公平的,所以两块孔板偏差较大时,应及时分析原因,解决问题,避免造成双方的经济损失。虽然一次性投入成本较高,但从长期、稳定的运行角度来考虑,会比单孔板更有效率 。

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