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          测量氢气的流量计选择与计量误差分析

          来源: 作者: 发布日期:2020-05-26

           摘要:文章通过对比主流流量计的测量原理,分析流量计在测量介质为氢气时产生的误差原因,有针对性的提出合理的解决方案,提高氢气计量精度。

           
           引言
                 氢气具有能量密度高、热转化效率高、无污染,故氢能的发展前景十分光明,受到了各行各业的广泛关注和应用,例如用于高能燃料、石化工业原料、冶金工业还原剂及金属高温加工中的保护气等。氢气既是石油炼制和石油化工的副产品,又是石油炼制和石油化工加氢工艺过程的重要原料资源。当前重质原油、高含硫原油对石油炼化公司的渣油加氢及加氢裂化的装置处理能力不断提高,在油品市场对质量的不断升级要求下,进一步推动高耗氢的加氢装置全面发展,使得炼化公司对氢气的需求量和品质逐年提升,氢气的生产管理逐渐成为影响炼油厂效益的主要因素之一[1]。
           
          1 流量计的选择及计量误差分析
                 由于氢气在元素周期表中分子量非常小,密度低,要准确计量就非常不容易。要正确的选择达到计量要求的流量计,不仅要熟悉各种流量计的结构原理,还应根据实际使用情况考虑以下几个方面:流量计的性能、测量介质的特性、现场安装要求、环境因素、流量计的价格。才能选取合适的流量计进行氢气计量。
           
          1.1 节流式流量计
                 节流式流量计是一种典型的差压式流量计,是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸气流量的非常常用的一种流量仪表[2]。由安装在管道中的节流件和测量差压并显示流量的差压变送器组成。优点在于:(1) 结构简单,安装方便,工作可靠,成本低,能满足工程测量的需要。(2) 使用历史长,有丰富的、可靠的实验数据,设计加工标准化,不需要进行实际标定,也能在已知的不确定的范围内进行流量测量[3]。
           
                 以节流式流量计应用非常广泛的标准件—标准孔板为例,在设计计算时,需要提供测量介质氢气的工况压力、工况温度、非常大流量、非常小流量、常用流量、介质粘度值、密度值等参数,而实际工况与设计工况发生变化,一般做法是进行温度压力补偿进行校正。气体节流式流量计补偿公式:
          气体节流式流量计补偿公式
                 式中:V 实为实际工况的介质标况体积流量(Nm3/h);V 设为设计工况的介质标况体积流量(Nm3/h);ρ 实为设计工况的介质密度(kg/m3);ρ 设为设计工况的介质密度(kg/m3);P 实为实际工况的介质绝对压力(MPa);P 设为设计工况的介质绝对压力(MPa); T 实为实际工况的介质温度(K);T 设为设计工况的介质温度(K)。 由(1) 式得,实际测量必须对测量流量值进行温度压力补偿,否则直接影响节流式流量计的准确性。
           
                 但即便经过温度压力补偿后的流量值,其应用也不理想,主要表现在:(1) 量程比小,测量准确度不高,一般为3%。(2) 节流件在设计计算时介质参数是固定值,在实际使用的介质参数却因与设计值不同,而形成较大的差异,数据可信度不高。(3) 在被测气体组份发生变化,实际密度偏离设计密度,而产生流量测量误差。
           
                 上述因素都直接影响到流量计的准确性,实际应用是达不到计量精度要求的。
           
          1.2 速度式流量计
                 速度式流量计是基于与流体流速有关的各种物理现象,仪表的输出与流速有确定的关系,即可知流体的体积流量。常用气体计量的流量计有:涡轮流量计、漩涡流量计、旋进式涡轮流量计、旋进式漩涡流量计、超声波流量计等。涡轮流量计因有机械转动部件,且涡轮转速高,维修量大而应用逐渐减少。漩涡流量计也因为介质组份、温度和压力补偿等等因素影响,应用效果也不理想,其测量精度也基本不能满足计量的要求。
           
                 旋进式漩涡流量计和旋进式涡轮流量计具有信号强、低流速特性好的优势,测量氢气工况流量的同时还能测量工况温度和压力,直接采集温度和压力信号,在流量计内进行温度压力补偿转换为标况流量。相关数据不仅可就地指示还能通过(4~20)mA 模拟信号和RS485 通讯到DCS 机柜室进行显示和积算。在量程范围的20%~80% 可以正常工作,但在实际使用中还是有很多因素制约着流量计的准确度,如流量计是用压缩空气进行的检定,用于温度压力补偿测量的传感器的检定则被忽视,使用中的杂质和含水的影响,低流量的小信号切除等问题,高流量下的共振问题等,都使无故障运行周期得不到保障,非常终应用效果也不理想。
           
                 超声波流量计因氢气密度小的原因,测量精度不能满足要求而应用较少。
           
          1.3 质量流量计
                 质量流量计有直接式和间接式二种,本文只讨论科里奥利质量流量计。科里奥利质量流量计是利用流动的介质与振荡管之间的相互作用而产生的科氏力,使振荡管出入口安装的检测线圈检测产生的相位差来直接测量质量流量的仪表。一般由振动管与转换器组成,振动管( 测量管道) 是敏感器件,有U 形、Ω形、环形、直管形及螺旋形等几种形状[4]。质量流量计不仅可直接测量通过流量计的介质质量,还可测量介质的密度、温度,具有测量精度高,受介质物性影响小,无上下游直管段的优点,输出信号多样,在能源、石油化工产业、化学等行业的应用越来越广,不论是气体还是液体测量,尤其在装车和贸易交接提供了非常好的解决方案。
           
                 质量流量计在测量混合气的氢气质量时,非氢气的介质所带来的误差不容忽视。在氢气贸易交接中常以纯氢的标况体积数据结算,若由测量的质量直接转换为纯氢标况体积,将产生超出气体贸易交接的质量流量计精度的计量误差,以氢气/ 氮气体积比为例,氢气体积浓度每降低0.1%,纯氢的质量比数据将降低1.3%,应根据在线分析数据及时修正计量交接修正系数,减少需方经济损失。
           
          2 应用和建议
          2.1 节流式流量计在实际使用中应关注的事项
                 (1) 定期排空节流式流量计的膜盒中积液。
                 (2)标定的差压值对应的流量量程与积算量程设置是否一致。
                 (3) 定期修正因氢气组份变化对工况密度的造成的影响。
           
          2.2 速度式流量计
                 旋进式漩涡流量计和旋进式涡轮流量计在离线标定的同时,对温度和压力变送器进行检定校准,并将修正值输入积算放大器中。因氢气质量小,需合理设置零点切除值,避免无流量有干扰小流量和切除值过大而小流量缺失计量的发生。增加现场维护,定期对机械运转轴承加油,减小涡轮始动的系统误差。
           
          2.3 质量流量计
                 在实际应用中,必须及时零点标定操作,以消除环境温度变化和安装产生的管线应力,消除零点漂移。另外还需要定期计量比对核查,计量数据偏小就要考虑旁路阀内漏的影响,其必须研磨打压测试阀门的密封性直至更换。贸易交接的氢气质量流量计,应根据在线或离线气体分析仪测量的体积百分比和组成,折算纯氢质量比进行修正,再换算成标况体积进行贸易计量结算。
           
          3 结语
                 氢气计量在实际使用中,应根据对计量精度的要求,本着经济合理的原则,选用流量计,对装置内部物料供需的企业内部计量,可采用一体化温度压力补偿的标准喷嘴流量计,现场分析氢气组成,定期修正密度系数,降低计量误差;对贸易交接计量的氢气流量计,首选罗斯蒙特质量流量计,并结合在线分析仪表测量的氢气纯度比,修正交接系数,减少计量交接损失。

           

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