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气体流量测量与温压补偿

摘 要：本文介绍了气体流量测量中温度、压力补偿的原理及数学模型，并且给出工程上的实现方法、 故障处理

关键词：气体流量测量 温压补偿 工程实现 故障处理
1 引　言
流量检测仪表是发展生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，物料总量的计量也是经济核算和能源管理的重要依据。随着全球能源价格的上涨，为了加强能源管理，提高流量测量的精度成为企业更为迫切的要求。我厂配套至尿素界区的CO2流量FI104（原合成至尿素CO2流量FI101）不仅作为CO2压缩机防喘振控制运算参考，而且参与氨炭比计算，是尿素车间工艺操作的重要依据之一。尿素操作工反映，按以往经验，该流量指示不准，并且与位于配套界区的CO2流量FT22010指示完全不一致。为了解决这一问题，需要对该流量计引入温压补偿，并就气体的流量测量问题进行一些其它的探讨。
2 补偿原理与公式推导
流量计的种类繁多，检测原理也多种多样，实际选用时要根据不同的工作场合选择。本文主要讨论干气体流量的测量与温度、压力补偿。由于气体具有可压缩性，因此比液体的测量更为复杂。气体的流量测量主要是采用差压流量计，根据差压流量计的测量原理，体积流量Q是差压与密度的函数，而密度又是温度和压力的函数，实际使用时，由于介质的密度与设计时的密度不同，会出现较大的测量误差，这是要对其进行温压补偿的原因。
差压流量计的基本计算公式为：
（1）
式中：q为被测气体在工作状态下的体积流量；ρ为被测气体在工作状态下的密度；Δp为变送器测得的差压；K为系数，它包含流量系数、膨胀系数、管道孔径等参数，一般情况下可以认为它为常数。本文讨论的温压补偿是指补偿密度随温度、压力的变化所造成的影响。
在实际使用中，仪表的标尺是以标准状态下的流量qn为刻度。根据管道内气体流量满足连续性方程
（2）
式中，带下标“n”的参数为标准状态下的值。由此可得到流量在两种状态（标准状态和工作状态）下的转换式：
（3）
将式（1）代入式（3）得：
（4）
而仪表的刻度是按设计工况设计的，即：
（5）
式（4）、式（5）相除即可得到当工况偏离设计值时密度的补偿公式：
（6）
式中，带下标“s”的参数为设计值。
再根据气体状态方程

导出在不同状态下气体的密度转换式：
（7）
便可得到通常使用的温压补偿公式：
（8）
上式中压力为绝对压力，温度为热力学温度。从式（8）可见，当气体的实际工况与设计工况相同时，流量计的示值与实际值相符（仅与差压有关），当实际工况偏离设计工况时，实际流量还会随着温度、压力的变化而变化。例如，压力变化6.25％(1/16)，流量就会相差25％，可见误差极大。因此，气体流量测量必须进行温压补偿。

3工程实现
对于一般的干气体或者可以近似为干气体的流量测量，可以利用DCS中
温压补偿模块对其进行补偿，以下以横河CENTUM CS3000为例，对我厂尿素界区CO2压缩机入口流量FI104进行温压补偿。
CS3000中温压补偿模块The Temperature and Pressure Correction Block (TPCFL)如下图所示：

其中IN端为流量测量输入，Q01为温度输入，Q02为压力输入，OUT端为温压补偿后的输出，其算法为CPV = GAIN • F0，其中GAIN 的默认值为1.00（可以修改），F0为：

Fi: Measured flowrate
F0: Corrected flowrate
P: Measured pressure [kPa]
Pb: Reference pressure [kPa]
T: Measured temperature (_℃)
Tb: Reference temperature (_℃)
在上式中，Fi为测量流量，F0为补偿后的流量，P为测量压力（表压）单位kPa,T为测量温度，单位为摄氏度（℃），DCS计算时将温度转换为热力学温度K，压力转换为绝对压力，Pb: 和Tb分别为设计状态下的压力和温度，这两个参数可以在操作站的参数设置画面中设定，比如100kPa和0℃，具体可以询问厂家确定。注意在组态时要选中Temperature and Pressure Correction并且选择相应的温度、压力单位。GAIN参数的意义在CS3000中的文档没有说明，笔者认为如果需要对温度、压力之外的其它因素（例如湿度）进行粗略补偿，可以通过调整GAIN的数值来实现。
具体组态见下图，来自FT104变送器的信号先经FF104开方，其PV值送至温压补偿模块TP104的IN端，温度和压力变送器分别经过PVI模块进入温压补偿模块TP104的Q01和Q02端，经过TP104补偿后的CPV送至PVI模块FI104显示。

仪表的精度与设计，安装、使用一系列环节密切相关，FT104的一次元件为威牛巴（wellbar），安装时必须与管道截面的水平线垂直，前后应该有足够的直管段，我厂尿素界区的使用条件是前后有双弯管道而且它们不在一个平面，如果要求有0.5%的精度，则上游侧直管段要有24D以上，下游直管段6D以上。压力变送器的取压点取流量变送器前端的压力，为了避免测温元件对差压元件的测量造成影响，热偶或者一体化温变应安装在差压元件之后。
4 使用效果及故障排除
由于FI104的量程为45000Nm3/h，实际工况为压力（表压）17kPa，温度（摄氏度）19℃，与一次测量元件威牛巴（wellbar）的设计参数Tb（Base Temperature）、Pb（Base Pressure）差别较大，分别为101.33 kPa和0℃，因此在未作温压补偿之前，即FF104的指示为26400 Nm3/h，补偿后FI104的指示为19600 Nm3/h ，δ=(26400-19600)/45000=15%，可见未作温压补偿之前误差非常大。但是工艺按以前（FI101）的操作经验，认为该示值偏小。经查，原FI101的设计参数为0 kPa和45℃，并且未作温压补偿，也就是说如果工艺仍然按照以前工况下的流量作参考，必须将FI104的示值通过DCS的一个Calculation Blocks模块，经过如下计算：

=19600/0.926=21166Nm3/h再送至PVI指示模块。经向工艺询问，确认这个示值是准确的。
关于示值与配套示值不一致的问题，经查阅，配套的FT22010组态时参数设置有误，将设计参数Tb、Pb设置为219.426K和2MPa，而该一次测量元件威牛巴（wellbar）的设计参数Tb、Pb分别为273.15K(0℃)和101.33 kPa，重新设置并下装后，已能和尿素界区的指示相一致。
运行时若发现流量测量不准的情况，需要按要求开检修工作票，由工艺签字后按下面步骤检查:
a．检查压力变送器工作是否正常。
b．检查热电偶是否正常，检查中间接线端子是否有锈蚀的情况并作处理。
c．检查差压变送器是否正常，预计可能堵塞探头取压孔时 ,可使用0.6MPa
的仪表空气进行吹洗。把空气引入传感器反吹,把高压孔和低压孔粘上的尘粒吹掉 , 防止堵塞现象发生。每次吹洗时间不超过 30 秒 , 在这段时间应把通向差压变送器的引压管路关闭 , 吹洗完毕再重新开启。
d． 检查三阀组平衡阀是否有漏气，用肥皂水检查三阀组和各接头是否有漏气的现象。由于威牛巴传感器的差压较小，微小的漏气都会对测量精度造成较大的影响。
5 结束语
在气体流量测量系统中，普遍存在温压补偿问题，这是由气体的特性所确定了的。因此，通过温压补偿，并做好安装，维护方面的工作，就可以大大的减少测量误差，为企业经济核算和能源管理提供有力的依据。

参考文献：
[1]. 蔡武昌，孙淮清. 流量测量方法和仪表的选用.北京:化学工业出版社，2001.4
[2]. CS 3000 Reference: Function Block Details 10th Edition : Dec.18,2003-00
[3]. ECE wellbar威尔巴传感器
[4]. 张宝芳，张毅，曹丽 自动检测技术及仪表控制系统 化学工业出版社
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