涡街流量计气体测量误差的分析与修正

蒋瑞 祁维军 杨一仁 季安顺 曹文强

作者简介：蒋瑞（1974-），高级工程师，从事自动化仪表、DCS、PLC系统的应用和技术管理工作。

通讯作者：祁维军（1986-），工程师，从事自动化仪表维护和技术管理工作，xuefei759@163.com。

引用本文：蒋瑞，祁维军，杨一仁，等.涡街流量计气体测量误差的分析与修正[J].化工自动化仪表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘  要  青海云天化国际化肥有限公司高压天然气流量计FT2005自投用以来，一直存在较大偏差，针对这一现状，基于仪表设计参数和实际运行参数的对比，分析产生偏差的原因；从运行工况下仪表量程转换数据的确定，推算出该工况的补偿系数（或流量系数）；从工况的补偿计算等方面提出涡街流量计偏差修正措施和流量补偿方案。实际应用表明：这种措施可以有效解决因设计参数和实际运行参数不符引起的涡街流量计测量值偏差问题。

關键词  温压补偿  涡街流量计  高压天然气  计量误差  流量系数  修正系数  数据转换  参数设定

中图分类号  TH814      文献标志码  B      文章编号  1000-3932（2023）06-0000-00

青海云天化国际化肥有限公司（以下简称青海云天化）是一家以天然气为原料的化肥以及多品种复合肥生产一体化大型生产企业，建有年产20万吨合成氨和40万吨尿素装置各两套，因此天然气的准确测量和控制是保证生产过程安全运行、提高产品质量、降低消耗、实现科学管理的基础。目前，青海云天化生产过程的天然气计量主要以标准孔板为主，其中高压天然气的计量仪表FT2005采用横河涡街DY-200系列流量计（4台），自投产以来，FT2005一直存在较大测量偏差，在生产负荷较大时，相对误差在-600～700 kg/h，影响了能源计量工作的有效开展和核算，分析和解决高压天然气计量误差的工作迫在眉睫。因此，笔者分析FT2005涡街流量计在天然气计量过程产生误差的原因，提出针对涡街流量计运行参数设定、补偿系数的推算等修正措施。

1  涡街流量计工作原理

在工控领域，流量仪表是应用中的一大领域，其测量原理和计量形式繁多，其中涡街流量计是气体、液体、蒸汽等工艺介质常用的测量方式。

青海云天化的生产装置区距天然气门站较近，共敷设有PN2.5 MPa和PN10.0 MPa两条天然气总管，分别引至两套天然气转化装置区。在管网压力较高时，采用高压天然气生产，以降低电力消耗。天然气控制流程如图1所示。

图1中的FT2005采用横河DY-200系列涡街流量计，实现高压天然气流量的计量与控制。因涡街流量计测量的是体积流量，要实现质量流量的准确测量，除了正确选型、规范安装调试外，还必须充分考虑关键工艺参数的设定和温压补偿措施。据有关调查发现，在流量仪表出现测量不准确的问题中，60%以上来自仪表选型不够合理或不正确，其余是仪表安装不规范、参数选用不合理造成的，因此流量测量是一种强烈依赖于使用条件的测量仪表，一旦流体条件和状态发生大的变化，就会影响仪表测量的准确性，甚至影响仪表正常使用。

涡街流量计作为体积流量的检测仪表，是基于流体在充满管道状态，且流体雷诺数ReD保持在一定范围（横河产品ReD=2×104～7×106）的使用条件。涡街流量计产生的频率信号f与通过测量管道的体积流量qv成线性关系（即f=qv·Kt，其中，Kt为流量系数），并且不受介质物性的影响，因此这种特性也是涡街流量计在体积流量测量时的一大特点。其测量原理在此不做赘述。

2  FT2005运行参数的对比与误差原因分析

根据涡街流量计的工作原理可知，目前FT2005流量计是以质量流量进行计量的，涡街流量计在自身生产质量合格的前提下，存在误差的可能原因有两个方面：

a. 安装不规范，存在流体状态的改变，偏离流量计理想工作状态过大而产生测量误差；

b. 流量计选型过程设计的工艺参数与实际运行状态参数存在较大偏离，导致仪表设定参数和测量过程线性转换关系不一致带来误差。

其中，原因a产生的误差规律性不强，基本无法消除，只能通过规范安装加以改善，是仪表专业主要排查和研究的关键所在；而原因b则可以通过重新核算参数加以修正。工控过程中，常采用DCS等强大的计算功能实现误差的补偿和修正，以实现流量参数的准确测量。

下面就青海云天化FT2005流量计的设计参数和运行参数进行对比，并进行修正参数的核算。

FT2005涡街流量计的设计工况和实际工况基本参数汇总于表1，其中，以实际组分分析天然气成分：CH4 99.2%，C2H6 0.11%，N2 0.63%，CO2 0.05%为准；天然气标况参数取P0=101.325 kPa、TO=0 ℃、超压因子FZ=1.0473进行压缩系数、标况和工况密度的计算。计算过程参考SY/T 6143—1996《天然气流量的标准孔板计量方法》进行标况和工况状态参数的计算，在此不作详细推导。

2.1  FT2005实际工况下流体雷诺数的核算

已知条件：

a. 介质为天然气，组分CH4 99.2%，C2H6 0.11%，N2 0.63%，CO2 0.05%；

b. 工艺管径D=203 mm；

c. 设计状态下流体粘度μs=1.2×10-5 Pa·s，其余参数见表1。

最小量流量时的流体雷诺数ReDmin的计算式为：

ReDmin===4.76×104                                 （1）

最大量流量时的流体雷诺数ReDmax的计算式为：

ReDmax===1.31×106                                  （2）

由上述计算可知，在装置最大、最小生产负荷条件下，涡街流量计FT2005运行时流体雷诺数符合其正常工作要求（ReD=2×104～7×106），因此不存在由雷诺数造成的计量偏差问题。

2.2  FT2005实际工况量程范围和流量系数的推算

设计工况與实际工况工作范围的推算是核实涡街流量计正常运行的关键环节，也是校正流量计偏差常用的方法之一[1]。

目前，常见的涡街流量计输出有频率信号和模拟电流信号两种，所以检测单元间的信号转换是涡街流量计必不可少的环节。通常有两种数据转换过程：

a. 通过旋涡发生体单位体积流体量所产生的旋涡个数（流量系数）Kt，与发生体输出频率f的线性转换；

b. 输出频率f与测量输出电流I的线性转换。

涡街流量计设计状态的流量系数Kdt和量程上限对应的最大频率fmax（Hz）参数，生产商一般不给用户开放，所以在用户实现量程修改、介质变更、体积流量与质量流量转换等不同使用场景时，特别是实际工况与设计工况偏差较大，而涡街流量计自身没有温度、压力补偿功能时，需进行设计工况到实际工况的量程推算，找出正确的量程转换关系和工况偏差系数才可进行修正。由于发生体输出频率与测量输出信号的线性转换关系是固有的，相同质量的流体在流过发生体时，若实际工况与设计工况下修正前、后的满度体积流量分别为qvdmax和qv max，则它们的体积流量与对应密度成反比关系（qv max/qvd max=/，其中，设计工况密度），经状态参数转换后存在式（3）的关系，即可求取实际工况满度体积流量和对应流量系数Kt，实现FT2005设定参数的修正。转换关系如图2所示，左图横坐标为某一流量对应的输出频率，具体值生产商未公开，但不影响计算过程的正确性。

具体计算（）如下：

其中，Pd为设计压力；Tj为实际过程温度；Zd为设计状况的压缩系数；Pj为实际过程压力；Td为设计温度； Zj为实际工况下的压缩系数。

设计工况满刻度的体积流量：

实际工况满刻度的体积流量：

实际工况下的流量系数：

修正后标况满度体积流量：

2.3  典型测量点的验证

依据修正后的流量转换关系可知，修正前、后流量百分数之比等于修正前后的量程之比。若修正前公司生产负荷示值=18250 kg/h时，则对应修正后的体积流量为 ，有：

即：

可得修正后体积流量示值为26 368.4 Nm3/h，修正前后该点对应偏差Δe为+705.8 kg/h，与实际运行时生产消耗核算的计量误差基本吻合。

3  温压补偿和仪表参数的确定

3.1  温压补偿方案

根据涡街流量计的测量原理和数据转换过程可知，在测量不可压缩流体或用户要求输出为工况体积流量时，涡街流量计是不需要温压补偿的，且与介质工况状态无关。但在测量气体标况体积流量或质量流量时，由于气体的可压缩性因素影响，是需要温压补偿的。因为FT2005流量计选型时自身不带在线温度压力补偿功能，且以质量流量进行计量，为了避免工况变化对测量产生影响，需设置为标况体积流量测量方式，温压补偿和质量流量的转换功能由DCS实现。

根据上述推算过程可知，涡街流量计偏离设计状态的补偿系数（流量系数）qc为测量值）。

3.2  仪表修正参数的确定

根据上述修正过程可知，修正后的仪表运行状态已发生了变化，所以需对原设计参数进行调整。结合仪表输出方式的改变和仪表设定参数的要求，具体修改内容汇总于表2，其余参数保持原设计不变。

注：表中仅列出由于状态修正发生变化的设定参数，其余参照该流量计使用说明书核对调整；流量系数参数值选择算式[6]计算结果Kt=0.58715，满刻度流量参数值选择算式[7]的=35441.8 Nm3/h；表中温度、压力取流量计使用过程的平均值

4  投运效果

FT2005流量计修正前，在生产负荷较大时，与脱硫后转化炉天然气投气量FT-103/104进行比较，相对误差约300～700 kg/h，平均误差×100%=+2%，长期不能满足计量精度要求，对能源计量核算和消耗管理产生较大影响。

FT2005流量计进行修正后正式投入生产，同时采用DCS对测量信号进行温压补偿措施（补偿基准温度、压力采用表1实际值），目前实际运行数据与FT-103/104偏差已降至-110～168 kg/h，详见表3，从不同负荷对比误差看，测量数据相对误差有±1.0%，对生产和消耗控制起到了很好的指导。

5  结束语

涡街流量计常用的测量修正方法较多，由于不同品牌流量计的测量软件构成和对用户参数开放程度不完全相同，需根据软件构成和对用户参数的开放程度进行具体分析，找出产生偏差的关键因素加以修正。笔者通过仪表设计参数和实际运行参数的比对，分析了产生计量偏差的原因。通过实际工况下对涡街流量计量程转换数据的确定，推算出了该工况的（流量系数）补偿系数；从工况的补偿计算等方面提出了计量偏差的修正措施和流量补偿方案，对处理类似仪表问题有一定的借鉴意义。

参  考  文  献

[1] 刘志森.基于数值模拟的宽量程比涡街流量计的研究[D].泉州：华侨大学，2019.

（收稿日期：2023-03-30，修回日期：2023-04-12）