TFM氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

自1989質(zhì)量流量計(jì)成功地應(yīng)用于齊魯石化股份有限公司烯烴廠和第二化肥廠以來(lái),經(jīng)過(guò)不斷地摸索與實(shí)踐,從與公司外部的貿(mào)易交接計(jì)量,到內(nèi)部廠際之間以及車間工藝控制的物料計(jì)量,從液體應(yīng)用到氣體應(yīng)用,質(zhì)量流量計(jì)已經(jīng)成為該公司高價(jià)值流體計(jì)量的重要手段。目前主要使用MicroMotion,E+H, Yokogawa, Schlumberger等廠家生產(chǎn)的不同型號(hào)的質(zhì)量流量計(jì)。

氣體計(jì)量是計(jì)量工作中的難點(diǎn)。由于氣體物料存在密度小、粘度低、受溫度和壓力影響大等特點(diǎn),利用傳統(tǒng)流量?jī)x表很難達(dá)到高精度計(jì)量。

在齊魯石化股份有限公司烯烴廠,乙烯氣計(jì)量采用渦街流量計(jì),由于下游裝置乙烯用量不穩(wěn)定,流量、壓力波動(dòng)大,造成計(jì)量數(shù)據(jù)失準(zhǔn)。乙烯裝置的產(chǎn)量沒(méi)有正確地計(jì)量出來(lái),下游生產(chǎn)裝置反映計(jì)量數(shù)據(jù)不符合生產(chǎn)實(shí)際。1991年,在各質(zhì)量流量計(jì)生產(chǎn)廠家沒(méi)有宣稱可以應(yīng)用于氣體計(jì)量以前,該廠試探性地更換成兩臺(tái)Micro Motion公司的DH300流量計(jì),計(jì)量數(shù)據(jù)與工藝平衡數(shù)據(jù)吻合程度遠(yuǎn)比原始設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)好,該類型流量計(jì)計(jì)量氣體得到了供收雙方生產(chǎn)技術(shù)人員的肯定。1994年,流量計(jì)升級(jí)更換為該公司新開(kāi)發(fā)的更適合氣體計(jì)量的CMF300,到目前使用情況良好。

在應(yīng)用質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量乙烯氣體取得成功后,質(zhì)量流量計(jì)的氣體測(cè)量逐漸擴(kuò)展到氫氣、氧氣、千氣等,均達(dá)到了預(yù)期的效果。

 

1.檢測(cè)的基本原理與選型

質(zhì)量流量計(jì)依據(jù)科里奧利原理,即δFc=2ωVδm。其中δFc為科氏力;V為流速;ω為角速度;m為質(zhì)量。科氏力的大小可以檢測(cè)因科氏力作用發(fā)生形變產(chǎn)生的相位差。這種檢測(cè)要求有一定的分辨率。如果質(zhì)量流量太小,儀表就可能無(wú)法檢測(cè)到由科氏力產(chǎn)生的相位差。與液體不同,由于氣體密度小,只有提高流速,才能滿足儀表分辨率所要求的質(zhì)量流量。

目前電子技術(shù)的發(fā)展幾乎是全球同步,相信各家在電路檢測(cè)方面不會(huì)有太大差異。在測(cè)量管結(jié)構(gòu)上,應(yīng)當(dāng)說(shuō)在測(cè)量的質(zhì)量相同時(shí)能產(chǎn)生形變較大的質(zhì)量流量計(jì),在靈敏度方面占有較大的優(yōu)勢(shì)。如果對(duì)擺長(zhǎng)不同的兩個(gè)單擺施加相同的力,則擺長(zhǎng)更長(zhǎng)的擺會(huì)有更大的擺幅。同樣道理,在相同大小的科氏力作用下,測(cè)量管徑向距離越長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)其形變?cè)酱蟆８鶕?jù)Micro Motion公司提供的數(shù)據(jù),U形測(cè)量管的ZUI大振幅可以達(dá)到0.8mm而直管的ZUI大振幅只能達(dá)到0.1mm。在電子部件檢測(cè)能力相同的情況下,形變大的結(jié)構(gòu)將提高系統(tǒng)的靈敏度。U形測(cè)量管在ZUI大流量時(shí)的相位差可以達(dá)到60uS,而直管在ZUI大流量時(shí)的相位差為12uS。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械的放大器,可以讓電子部件檢測(cè)到更小的科氏力效應(yīng),也就能檢測(cè)到更小的質(zhì)量流量。但是,任何事物都是分為二的。既然它的測(cè)量管徑向距離長(zhǎng)、形變大,同時(shí)也就存在著容易受到外界因素的干擾、零點(diǎn)更容易漂移等缺點(diǎn)。由于氣體的特性限制,測(cè)量氣體的質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量管結(jié)構(gòu)應(yīng)該以靈敏度大的為宜。

 

2.高流速問(wèn)題

在氣體計(jì)量?jī)x表選型過(guò)程中,生產(chǎn)廠家所提供的計(jì)算書(shū)顯示,在達(dá)到額定精度時(shí)的測(cè)量管內(nèi)氣體流速都非常高,一般是10²m/s,甚至為10³m/s,一些資料顯示,質(zhì)量流量計(jì)氣體限速170m/s。對(duì)于如此高的流速,實(shí)際使用時(shí)一直有所保留,擔(dān)心流速太高產(chǎn)生危險(xiǎn)。為此,曾經(jīng)要求生產(chǎn)廠家對(duì)此作出過(guò)書(shū)面的承諾。

高流速是指發(fā)生在測(cè)量管內(nèi)的局部的流速變化。管道流經(jīng)流量計(jì)時(shí)流通口徑變小,流體會(huì)在流量計(jì)的入口速率變大,在出口會(huì)由于口徑變大而恢復(fù)到原來(lái)的正常流速。由于流體本身是氣體,不存在液體由于流速和壓力的變化而產(chǎn)生質(zhì)量流量計(jì)所應(yīng)當(dāng)避免的汽化問(wèn)題,因此只要產(chǎn)生的壓損可以接受,那么該速率的變化就不會(huì)對(duì)操作過(guò)程產(chǎn)生影響。

流速的增加,加大了信號(hào)噪聲。為了單純的計(jì)量而提高流速是設(shè)計(jì)部門(mén)所不允許的,首先有管道材質(zhì)和流體性質(zhì)決定的流速上限,其次有流量計(jì)本身因流道減小造成流速的提高影響流量計(jì)的計(jì)量。雖然Micro Motion公司在其產(chǎn)品介紹上有E,R,F型傳感器+MVD沒(méi)有流速限制,但在實(shí)際工作中需要在滿足計(jì)量準(zhǔn)確度的前提下盡量選擇口徑較大的流量計(jì)以降低流速,以保證安全并降低因高流速而產(chǎn)生的噪聲。烯烴廠計(jì)量中心對(duì)于高流速采取了謹(jǐn)慎的態(tài)度。氫氣流量在2t/h左右,選用的是Micro Motion公司CMP300流量計(jì),按照流量、壓降的要求,可選CMF200流量計(jì),流速為299m/s,CMF300流量計(jì)流速為108m/s。選用CMF30O流量計(jì)主要目的就是在保證正常計(jì)量精度的前提下,降低氫氣的流速防止常年流速過(guò)高出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的后果。

 

3.質(zhì)量流量計(jì)的標(biāo)定

AGA11#報(bào)告中明確指出,克里奧利流量計(jì)標(biāo)定時(shí)使用液體而不是使用氣體,主要原因是液體標(biāo)定的成本低廉。使用液體標(biāo)定而應(yīng)用于氣體計(jì)量具有相同的性能指標(biāo)。也就是說(shuō),應(yīng)用于氣體測(cè)量的克里奧利流量計(jì)可以用常見(jiàn)的標(biāo)定液體的裝置來(lái)標(biāo)定。這就為質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于氣體計(jì)量提供了很大方便。圖1為Micro Motion公司提供的水標(biāo)定與乙烯氣標(biāo)定結(jié)果對(duì)比。

4.操作條件的影響

4.1操作溫度的影響

日常計(jì)量工作中對(duì)氣體溫度的影響很容易忽略。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),質(zhì)量流量計(jì)傳感器測(cè)量管的剛性會(huì)發(fā)生變化。這種剛性與溫度的變化存在一定的函數(shù)關(guān)系,因此可以被修正。每臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)都內(nèi)置了Pt100進(jìn)行測(cè)量管溫度的檢測(cè),目的就在于補(bǔ)償由溫度變化而引起的影響。

當(dāng)操作溫度相對(duì)于儀表調(diào)零時(shí)的溫度相差較大時(shí),必須考慮質(zhì)量流量計(jì)加工過(guò)程中幾何機(jī)構(gòu)上的不完全對(duì)稱對(duì)儀表的零點(diǎn)穩(wěn)定性的影響。為盡可能消除這種影響,需對(duì)質(zhì)量流量計(jì)在操作溫度下進(jìn)行調(diào)零。

4.2操作壓力的影響

齊魯石化煉油廠計(jì)量中心早在1991年應(yīng)用DS300型質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量烯烴廠的物料時(shí),發(fā)現(xiàn)罐計(jì)量數(shù)量比流量計(jì)高3%左右,經(jīng)過(guò)半年的人工檢尺與流量計(jì)數(shù)據(jù)的比對(duì),廠家技術(shù)人員經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次確認(rèn)后進(jìn)行了壓力系數(shù)修正。以后廠家在自己的產(chǎn)品樣本中明確地標(biāo)明其不同型號(hào)的質(zhì)量流量計(jì)的溫度及壓力影響,并且對(duì)如何分析操作條件的影響大小及消除方法也有了比較詳細(xì)的描述。由于對(duì)這個(gè)問(wèn)題認(rèn)識(shí)較晚,各廠家分別針對(duì)壓力影響問(wèn)題使用了新技術(shù),開(kāi)發(fā)了新型號(hào)的流量計(jì),從一定程度上掩蓋了這一問(wèn)題。各廠家在產(chǎn)品介紹、新技術(shù)講座等過(guò)程中有意或無(wú)意地回避了在實(shí)際應(yīng)用中不同情況下流量計(jì)所受到的影響,致使人們忽視操作條件對(duì)計(jì)量的影響。

當(dāng)操作壓力上升時(shí),測(cè)量管會(huì)變硬,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的偏差。當(dāng)操作壓力下降時(shí),測(cè)量管變軟,產(chǎn)生個(gè)正向偏差。由于流量表標(biāo)定的壓力都很低,一般在0.3MPa左右,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際壓力較該壓力低而產(chǎn)生的正向偏差可以忽略不計(jì)。

由于同口徑質(zhì)量流量計(jì)所使用的流量管相同,所以在壓力影響因素中沒(méi)有考慮流量計(jì)本身磅級(jí)不同對(duì)精度的影響。在一般情況下,采用流量系數(shù)修正法能解決大多數(shù)問(wèn)題。但有時(shí)由于確實(shí)存在一個(gè)比較大的壓力波動(dòng),比如由收方閥門(mén)控制流量,不是相同壓頭的泵經(jīng)常互相切換使用等,這就需要考慮采用增加壓力變送器以進(jìn)行適時(shí)補(bǔ)償。

 

5.調(diào)零方式的影響

與質(zhì)量流量計(jì)初期應(yīng)用不同,目前質(zhì)量流量計(jì)零點(diǎn)的調(diào)整要求在正常工況下進(jìn)行,簡(jiǎn)單的說(shuō),就是除了流量為零外,其它各方面都應(yīng)和正常計(jì)量沒(méi)有區(qū)別。這樣進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整以后,理論上可以消除因被測(cè)介質(zhì)溫度與流量計(jì)測(cè)量管溫度不一致、測(cè)量管重心偏移、測(cè)量管微小的不平衡等因素的影響。

調(diào)零方式:測(cè)量管充滿被測(cè)介質(zhì),流速為零。

①管道內(nèi)無(wú)壓力或壓力很小時(shí),關(guān)閉表前閥或關(guān)閉前后閥。②管道內(nèi)有壓力時(shí),關(guān)閉表后閥。調(diào)零示意圖見(jiàn)圖2。

因?yàn)榱髁坑?jì)基本沒(méi)有工作在無(wú)壓力的情況下,所以一般按②進(jìn)行。在齊魯石化股份有限公司調(diào)零時(shí)不但完全按②進(jìn)行,計(jì)量表還要求安裝閥組,具備旁路,旁路加裝8字盲板,以方便再出現(xiàn)計(jì)量糾紛時(shí),檢查流量表的零點(diǎn)以及日常檢查、修復(fù)、在線拆卸送檢等工作。

值得注意的是小信號(hào)切除在零點(diǎn)檢查和零點(diǎn)調(diào)整時(shí)要去除,否則觀察到的零點(diǎn)雖然穩(wěn)定,但卻不能真實(shí)地反映零點(diǎn)。測(cè)量氣體時(shí)質(zhì)量流量計(jì)的精度只有0.5%,加上其它因素的影響,在實(shí)際的計(jì)量工作中,供收雙方的差率很可能要比理論上的差率大很多,特別是氫氣的供收差率有時(shí)超過(guò)3%,氣體計(jì)量需要及時(shí)核對(duì)雙方的表量,檢查計(jì)量表狀態(tài)和工藝狀況,調(diào)整零點(diǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年的應(yīng)用,目前乙烯總的供收差率一般維持在0.4%或更少,氫氣供收差率一般在0.5%~2%左右。

 

6.振動(dòng)和應(yīng)力的消除對(duì)策

由于大部分的質(zhì)量流量計(jì)安裝位置的局限性比較強(qiáng),很多情況下無(wú)法達(dá)到遠(yuǎn)離振動(dòng)源的要求,特別是管線的振動(dòng)。為了減少振動(dòng)對(duì)流量計(jì)精度的影響,很多資料上都提出要安裝支撐進(jìn)行固定,用來(lái)避免或減少振動(dòng)。齊魯石化股份有限公司的技術(shù)人員創(chuàng)造性地使用了可調(diào)式支架,較好地解決了振動(dòng)的影響,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)安裝不規(guī)范產(chǎn)生的應(yīng)力的消除。可調(diào)式支架示意圖見(jiàn)圖3。支架可調(diào)部分示意圖見(jiàn)圖4。

安裝應(yīng)力從開(kāi)始安裝前就可以盡量避免,避免的主要方式有:(1)安裝時(shí)儀表技術(shù)人員必須在場(chǎng)通過(guò)目測(cè)基本確認(rèn)應(yīng)力是否存在;(2)使用技術(shù)熟練的、懂得質(zhì)量流量計(jì)特性的隊(duì)伍進(jìn)行施工;(3)首先做好短節(jié)連接完表體后整體安裝;(4)固定支架牢固;(5)增加柔性管等。

安裝完成后,用手操器進(jìn)行調(diào)零測(cè)試(僅限于9739),如果STD,DEV值較小,就可以認(rèn)為安裝良好,否則就需要使用可調(diào)式支架進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外,工藝管道在使用一段時(shí)間以后,由于各種原因也會(huì)發(fā)生形變,此時(shí),也可以使用可調(diào)支架進(jìn)行調(diào)整,以消除應(yīng)力的影響。

 

7.結(jié)論

采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行管輸氣體的計(jì)量有很多常規(guī)計(jì)量表不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)量流量計(jì)的技術(shù)在不斷發(fā)展,質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用更是一個(gè)不斷實(shí)踐、不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中要找出影響質(zhì)量流量計(jì)的因素,并采取相應(yīng)的措施加以消除,使質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用水平再上一個(gè)新臺(tái)階。