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帶溫壓補償孔板流量計在氫氣計量中的應用
發布時間:2016-11-21

0 引言
   天然氣制氫生產工藝是以天然氣為原料生產氫氣,與水蒸汽進行重整反應,得氫氣產品,然后通過管道輸送給客戶。氫氣相比其他氣體,價格偏貴,因此氫氣計量的準確性不僅關系著供需雙方進行公平的貿易結算,還關系到成本控制,因此整個計量系統受到各方的高度重視。帶溫壓補償孔板流量計在氫氣計量中的應用
1 系統方案
   如圖 1 所示,整個計量系統由雙孔板、差壓變送器壓力變送器、熱電阻、流量積算儀組成。孔板與差壓變送器組合采集差壓信號,壓力變送器采集壓力信號與熱電阻采集溫度信號組合用于溫壓補償,經計算后在流量積算儀中顯示。
   兩塊孔板可根據實際生產需要串聯、并聯測量,但同一時刻只用一塊孔板的數值用于貿易結算。當在運行過程中發現兩塊孔板有較大的偏差時,操作人員會及時查看歷史趨勢,根據工藝判斷查找出有流量突的一臺,及時送第三方單位進行檢定。
這種采用雙孔板的計量方式,雖然在項目建設初期投入費用高一些,但是如果有偏差出現而未及時進行干預,會造成很大的經濟損失。
孔板流量計系統機構圖
   孔板原理如圖2 所示。根據伯努利方程,流體在管道中流動,當接近阻攔處時,有一部分流體的勢能轉換成動能,在孔板的前入口端面壓力增加; 當經過節流元件時,流體逐漸收縮,流速升高,壓力最小,所以在孔板上下游兩側產生壓力差,流量越大,壓差就越大,孔板即是通過測量壓差來體現流量大小。其基本公式如下:

孔板流量計原理圖
1. 2 溫壓補償
   由于氣體可以壓縮,隨著壓力、溫度的變化,體積也相應地發生變化,因此需將工況下的氣體流量換算成標況下的體積流量進行計量,即標準狀態下 1 個標準物理大氣壓( 0. 101 325 MPa) 、0 ℃( 273. 15 K) 時的流量,進行溫壓補償,公式如下:

1. 3 流量積算儀
   流量積算儀采用浙大中控的 U6-200,IO 模塊能夠處理多種數據類型,4 ~20 mA、1 ~5 V、歐姆、開關量和脈沖量輸入以及模擬量、開關量輸出等,還能夠實現流量溫壓補償及流量的分段計量。根據合同條款規定,在程序內設置流量分段值,可自動生成日報表、月報表。操作人員只需要選擇要打印的報表日期,及日報或月報即可,不能人為進行修改任何數據。
2 雙孔板安裝和使用
   儀表的安裝是儀表運行的重要部分,孔板對安裝的要求尤其高,它直接影響計量的誤差。雙孔板的安裝與單個孔板相比,要求更加嚴格。
2. 1 孔板安裝方向
   孔板上下端面裝反,流量會比實際流量低,在安裝初期應檢查管道流向,在孔板上也有 箭頭標識,箭頭的方向要與介質流向一致。在取壓口附近標有“+”的一端應與流體上游管段連接,標有“-”的一端應與流體下游管段連接。
2. 2 中心線
   孔板的中心、法蘭中心、管道中心應在同一軸線上。
2. 3 直管段長度
   GB / T 2624. 2-2006 表 3( 無流動調整器情況下孔板與管徑之間所需的直管段) 中對不同情況下孔板直管段做了詳細分類,在本項目中,采用兩塊孔板 A 和B,由于兩塊孔板上游側存在的阻流件不同,所以直管段要求也不相同。
   根據孔板計算書得出 β 值為 0. 375 72,A 孔板的上游側為一個全孔球閥和一個三通,需要 12D 的直管段; B 孔板的流體質量較差,在其上游側有一個截止閥和一個 90°彎頭,一個三通,共需要 28D 的直管段。由于現場安裝空間有限,不能滿足 28D 的直管段要求,為了能夠實現較好的流體質量,使測量滿足精度要求,因此在孔板前面采用整流器。整流器安裝如圖3 所示,采用 DANIEL 整流器后,直管段要求從 28D 變成 17D,解決了現場安裝空間不足的問題 。
孔板流量計整流器安裝示意圖
3 計量系統模式選擇
   雙孔板計量與單孔板計量的不同是選擇的檢測元件數量增加一倍,所以除了需要滿足精度要求外,成本及第三方鑒定也是需要著重考慮的問題。
   計量系統的整個環節沒有人工參與,僅僅是利用變送器、熱電阻等相關設備實時檢測所涉及的各參數,通過預設在流量積算儀軟件的公式或在 PLC 中編程來計算流量。隨著技術的發展,差壓流量計的計量方法眾多,主要可分為以下兩種模式: 檢測元件+PLC+HMI,檢測元件+流量積算儀+工控機。
   檢測元件可以分為多參量智能變送器與單參變送器。多參量變送器通過一個檢測器將溫度,壓力,差壓同時檢測,并在表頭進行顯示。一般應用于沒有分段計量的模式,結算的依據僅僅是流量的累積值,每月約定某一時間甲乙雙方共同讀取數值。優點是第三方鑒定簡單方便,變送器可以單獨校驗,也可以隨流量計一起校驗; 缺點是變送器本身沒有存儲數據的功能,數據則需要送到 HMI 中進行存儲,而且累積流量需要將通信協議由 Modbus485 轉換成 Modbus TCP/IP 后傳輸給HMI,硬件成本會相應增加,且數據容易丟失。因此,在本項目中沒有采用多參量變送器。
3. 1 檢測元件+PLC+工控機
   檢測元件將現場壓力、差壓、溫度等信號送入流量計 PLC 的 AI 模塊,通過數據轉換后,在 PLC 內進行編程后計算出氫氣瞬時流量、累積流量,再通過 HMI 進行顯示。
   這種計量方式是屬于目前普遍采用的模式,由于溫壓補償是由人工在 PLC 中編程實現,采用簡化版溫壓補償公式,有些參數并沒有在公式中體現,這些參數會對計量精度有一些影響。這種模式采用硬件較多,人工參與度較大,可靠性相對較差,信任度較低; 并且計量系統需要第三方進行鑒定。
3. 2 檢測元件+流量積算儀+工控機
   檢測元件采集到壓力、差壓、溫度后,輸入到流量積算儀數據采集卡,由流量積算儀內部軟件進行溫壓補償后,計算得出氫氣的瞬時流量、累積流量等信號。流量積算儀的計算軟件是固化在其 CPU 中,內部程序無法人工更改,操作人員只需在其自帶的觸摸屏上設置相關參數,操作簡單方便。在流量計算時,會比在 PLC 人工開發程序精度高很多,整個系統的可靠性也提高很多。
   采用流量積算儀的優點在于它除了能夠進行流量計算、溫壓補償以外,還能夠實現流量的分段計量,自動生成日報表、月報表,減少了在工控機上人工編程實現分段計量所產生的誤差。與傳統的計量模式相比較,流量計算及報表的生成都是在流量積算儀上實現的,也避免了在 PLC 上編程,工控機上顯示時兩設備時鐘不同步造成數據有差異的問題。隨著自動化技術快速發展,流量積算儀的功能也日益增強,除了能夠實現流量的相關數據處理外,還能夠實現簡單的控制功能,適用于需要計量且控制回路不多的現場。
4 雙孔板偏差計算
孔板流量計流量曲線圖
如圖4 所示為孔板運行曲線,12 h 內平均偏差為50.25Nm3,由此可以推算出一年的偏差約為440 190 Nm3。
由圖 4 可以看出如果兩塊孔板偏差高出實際生產需求值時,會造成很大的經濟損失,需要及時查找原因,解決問題 。
圖 4 流量曲線圖
5 帶溫壓補償孔板流量計的優缺點及應用
5. 1 帶溫壓補償孔板流量計的優點
1) 孔板結構簡單;
2) 孔板屬于標準節流裝置,得到國際組織的認
可,可以采用幾何測量法,不需要實流標定;
3) 孔板的壓損相對較小;
4) 可以與不同廠家的變送器配合使用;
5) 兩塊孔板的優點在于當發現流量偏差很大時,能夠及時發現問題 ,避免了經濟損失。
5. 2 帶溫壓補償孔板流量計的存在的問題
1) 孔板的精度在流量計中屬于中等水平,很多因素都能影響其精度,在流量小于其量程 30% 時,尤為突出;
2) 壓力損失大;
3) 測量范圍窄,量程比小;
4) 有較長的直管段長度要求,要求安裝有足夠的空間;
5) 孔板以內孔銳角線來保證精度,對于腐蝕、磨損、結垢、臟污敏感,長期使用精度難以保證,需每年拆下強檢一次;
6) 采用法蘭連接,易產生跑、冒、滴、漏問題,大大增加了維護工作量;
7) 帶溫壓補償孔板流量計在計量時需與客戶協商結算方法,以免引起異議;
8) 成本增加,維護量增加。
6 總結
由于計量站一般為無人值守站,日常維護帶來一定的難度,所以在設計計量方案時要充分考慮操作、維護的簡要性,操作簡單,維護方便,而且要非?煽,所以雙孔板能夠實現這樣的目的。帶溫壓補償孔板流量計在實際應用中并不多見,主要其成本提高而不被廣泛采用。但在貿易結算中,最重要的一條原則就是保證計量精度,無論偏差是正值還是負值,對買賣雙方來說都是不公平的,所以兩塊孔板偏差較大時,應及時分析原因,解決問題,避免造成雙方的經濟損失。雖然一次性投入成本較高,但從長期、穩定的運行角度來考慮,會比單孔板更有效率 。

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