变组分气体流量测量方法的探讨

郁周

（中石化股份公司金陵分公司计量管理中心，南京210033）

1 气体的流量测量方法

石化企业需要测量的气体通常有氮气、空气、蒸汽、乙炔、天然气、氢气、燃料气等。传统测量气体的流量仪表种类繁多，使用较多的有孔板、喷嘴组成的差压式流量计，涡街，热值式质量流量计，气体涡轮，超声波，旋进旋涡等测量仪表。

1.1 差压式流量计的测量方法

1.1.1 测量原理

根据伯努利方程、欧拉方程及雷诺数特性，推导出孔板流量计算公式［1］：

式中：qV——气体的瞬时流量；C——流出系数；ε——可膨胀性系数；Δp——节流元件前后的差压；d——孔板的内径；ρ1——节流件正端取压口平面上的流体密度，kg／m3；β——孔板的直径比。

由式（1）可知密度变化对流量的测量影响最大，介质组分恒定的混合气体，标准密度不变，当工况条件温度、压力变化引起的工况密度与设计值的偏差，可采用气态方程进行在线补偿。

1.1.2 测量变组分气体存在的问题

在进行物料平衡与能耗分析时，需进行体积量与质量的换算，密度是转换中关键的参数之一。气体组分发生变化引起了混合气体密度的变化，只有配备在线色谱仪实时分析气体的组分，才能准确计算出气体的密度。由于在线色谱仪价格昂贵，在单一测量回路中配备在线色谱仪在工业运用中难以实现。同时C与ε也是密度函数，其变化对孔板的测量也会产生一定的影响。因此，组分变化对气体的测量影响较大，测量的误差取决于实际密度值与设计密度值的差异。

1.2 涡街流量计

1.2.1 测量原理

涡街流量计是根据“卡门涡街”原理研制成的一种振荡型流量测量仪表，广泛地运用于液体、气体的流量测量。1878年斯特劳哈尔（Strouhal）发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数表征了旋涡频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似准则。

当在流体中设置旋涡发生体（阻流体）时，从旋涡发生体两侧就会交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。

当涡街发生体为圆柱形体时，旋涡的发生频率为f，被测介质的平均速度为v，表体通径为D，有如下关系式：

式中：v1——旋涡发生体两侧平均流速，m／s；Sr——斯特劳哈尔数；d——旋涡发生体迎面宽度；K——旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。

由此推导出介质的体积流量：

由式（2）可知，涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，只与旋涡发生体、管道的几何尺寸和Sr有关。

1.2.2 测量变组分气体存在的问题

由式（3）可知，运用涡街流量计进行气体流量的测量要比孔板具有一定的优势，对于组分相对恒定的气体，只要采用理想气体的补偿公式就可以修正由于工况条件偏离设计值而产生的测量误差。由于无法准确测量组分变化时的真实密度，在质量换算过程中会产生较大的误差。

1.3 热值式质量流量计

热值式质量流量计是基于流动气体的对流传热特性，在特定的稳定温度场中，通过测量气体流动过程中产生的温度关系来测量气体质量流量的仪表，也广泛地运用于纯净干燥气体的测量［2］。

热值式质量流量计按传感器的加热形式分为恒功率型与恒温差型，其工作原理如图1所示。

图1 热值式质量流量计工作原理注：1——传感器；2——绕组；3——测量管；4——转换器；5——恒流电源；6——放大器

1.3.1 测量原理

如图1所示，通过在管壁上的电热丝绕组向传感器管内流动的气体输入一定的热量，用于测量上游侧的温度，同时与其相对称、且阻值相等的绕组，用于测量下游侧的温度。当气体静止不动时，温度分布如图1虚线所示，相对于测量管中心的上下游是对称的，电桥处于平衡状态；当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如图1实线所示，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈平均温度差ΔT。按下式导出质量流量qm：

式中：qm——气体的质量流量；cp——被测气体的摩尔定压热容；A——测量管绕组（即加热系统）与周围环境热交换系统之间的热传导系数；K——仪表常数。

一定气体的cp为常数，对于不同气体，cp不同：

式中：M——摩尔质量；Cpo——理想气体的摩尔定压热容；Rm——通用气体常数；i——气体分子运动的自由度数。

由式（5）可知，摩尔定压热容与压力、温度无关，仅与分子自由度和气体常数有关，对于不同气体cp不同，对于组分恒定的气体，由于cp恒定能准确测量气体的质量流量。

1.3.2 测量变组分气体存在的问题

由于气体的摩尔定压热容cp随着气体组分的变化而变化，流量计的输出信号值不仅是被测气体流速的函数，同样也是组分的函数，在无法准确测量组分变化值的情况下，运用热值式质量流量计只能测量单一组分或介质组分恒定的干燥气体。湿气体中所含水分对温度传导影响最大，热值式质量流量计不适宜测量瓦斯等湿气体。

1.4 科氏力质量流量计

科氏力质量流量计性能可靠、测量精度高、可直接测量流体的质量，已在液体介质的流量测量过程中得到广泛运用，尤其是广泛运用于油品的贸易交接计量。近年来随着质量流量计测量技术的不断发展，尤其是数字滤波与微信号处理（MVD）技术的发展，科氏力质量流量计已开始运用于气体测量，但测量燃料气等变组分气体的流量在业界还没有得到共识。下面就科氏力质量流量计测量变组分气体的方法进行探讨。

1.4.1 测量原理

流体在做直线运动的同时处于一个旋转体系中，产生的与质量流量成正比的科里奥利力，科里奥利力的大小与流体质量的大小成正比，运用这一原理制成的质量流量计是一种直接式质量流量仪表［3］。

为模拟旋转体系，笔者让流量传感器中的流量管由电磁线圈驱动，以固有频率进行振动，当流体流入流量管时，接受流量管的垂直运动，在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动对其垂直动量的增加而对流量管施加一个向下的力。在出口处，流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向上振动而对其垂直动量减少，使流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向相反，这一扭曲现象称之为科里奥利现象，如图2所示。

根据牛顿第二定律：流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量的大小成正比：

式中：Fc——科里奥利力向量；Δm——运动物体的质量；ω——角速度向量；v——流体流速的向量。

安装于流量管两侧的电磁信号检测口用于检测振动管的振动相位差。质量流量的大小由两个信号的相位差来决定。当流体不流动时，流量管不产生扭曲，两边电磁信号是同相位的；当流体流过流量管发生流量管的扭曲，从而导致两个检测信号的相位差，该相位差直接正比于流过的质量流量。瞬时质量流量越大，Fc就越大，此时振动管扭曲产生的位移也越大，如图3所示测出该时间差就能换算出质量流量。

1.4.2 在气体测量中的难点与解决方案

a）运用科里奥力原理进行测量，传感器测量管中单位体积质量的值越大，振动管的扭曲产生的两侧检测信号的相位差就越大，也就越易测量。当质量流量计运用于气体测量时，由于流过测量管的单位气体的质量较小，测量管产生的相位差也相当小，给信号的检测带来了困难。

b）一般相同口径被测气体的流速是液体流速的几十甚至几百倍，由于流量管按固有频率进行振动，高速流过流量管的气体会对测量管的振动产生多次谐波，影响了信号的稳定性与可靠性，表现出仪表的重复性产生较大的飘移。

针对上述问题，各大仪表商加强了技术的研发与投入力度，随着MVD技术的运用，有效地解决了气体测量中小质量高流速出现的检测问题。

为了验证科氏力质量流量计在气体测量中的准确性，分别在国家原油大流量计量站成都天然气流量分站、江苏省气体流量检定站对进口和国产质量流量计进行标定，分别用空气、天然气作为检定介质，系统地考核在不同工作压力、不同天然气组分条件下的测量精度，结果显示进口质量流量计测量精度达到0.32%，国产质量流量计测量精度达到1.5%，完全满足变组分气体的测量要求。

2 项目实施

金陵石化公司各生产装置的炉用燃料气由于组分变化较大，运用孔板这一传统的测量方法一直无法准确测量。随着企业精细化管理的不断深入，对计量数据准确性的要求越来越迫切。为了解决加热炉燃料消耗的计量难题，笔者对该公司的三个生产装置加热炉的燃料气计量表进行改造，安装了质量流量计进行测量，同时与孔板测量数据进行比对以考核实施效果。

炼化企业加热炉的燃料气不仅组分变化较大，而且还带有微量的水蒸气与轻烃，当环境温度较低时，水蒸气与部分轻烃会从燃料气中析出。科氏力质量流量计在进行流量测量时，如果被测介质是气液两相流，即使被测液体介质中含气量或被测气体介质中带液量比较少，均会影响质量流量计的测量精度。为解决该问题，笔者把仪表测量回路安装在燃料气分液罐后，同时表体朝上安装，有效地解决了这一问题。通过RS－485接口把流量计的流量、温度、密度信号与上位机进行通信，有效地监控整个测量过程，为数据的分析提供了依据。

对于气体中水蒸气含量较多，分液罐的气液分离效果不理想的场所，建议质量流量计以旗式方式安装，这样可避免残液滞留表体对测量的影响。

3 实施效果

流量计投用后，为了准确比对质量流量计与孔板的测量数据，通过实测炉用燃料气的组分计算出燃料气的实际密度，并对孔板测量数据进行修正，发现修正后的孔板数据与质量流量计的数据基本相符，实施效果显著，见表1所列。

表1 3台质量流量计与相对应孔板测量数据比对

续 表 1

4 结束语

对于介质组分恒定的混合气体，采用孔板、喷嘴、涡街流量计、气体涡轮流量计、超声波流量计、旋进旋涡流量计等组成的测量系统，工况条件发生变化时，当采用理想气体状态方程如进行密度修正，即可准确测量；对于热值式质量流量计用于测量组分恒定的干燥气体则无需对介质的温度与压力进行补偿就可准确测量气体的质量流量；但对于组分变化较大的气体，上述测量方法无法进行准确测量，而科氏力质量流量计对于变组分气体的测量已显示出优越的性能。

但科氏力质量流量计也有其局限性。对于口径较小的国产质量流量计，由于性价比较高，在实际应用中具有较好的应用前景，但对于口径较大的质量流量计，由于价格昂贵，给其应用带来了一定难度。因此，对于工作压力大于0.1MPa，仪表口径小于DN150的变组分气体的测量，用科氏力质量流量计进行测量效果最佳。

［1］ 徐英华，杨有涛.流量及分析仪表［M］.北京：中国计量出版社，2008：309－331.

［2］ 范玉久.化工测量及仪表［M］.北京：化学工业出版社，2008：98－103，200－210.

［3］ 肖素琴，韩厚义.质量流量计［M］.北京：中国石化出版社，1999：32－107.

［4］ 纪纲.流量测量仪表应用技巧［M］.北京：化学工业出版社，2009：221－262.

［5］ 姜仲霞，姜川涛，刘桂芳.涡街流量计［M］.北京：中国石化出版社，2006：19－69.

［6］ 蔡武昌，孙淮清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用［M］.北京：化学工业出版社，2008：199－209.

［7］ 郁周.质量流量计的误差分析与对策［J］.世界仪表与自动化，2001（02）：20－21.

［8］ 王建忠，纪刚.节流式差压流量计为何仍有优势［J］.自动化仪表，2006，27（07）：63－66.

［9］ 张根保.工业自动化仪表与过程控制［M］.西安：西北工业大学出版社，2008：65－87.

［10］ 陈忧先.化工测量及仪表［M］.北京：化学工业出版社，2010：97－177.