測(cè)量氫氣的流量計(jì)選擇與計(jì)量誤差分析

上海自儀公司通過對(duì)比主流流量計(jì)的測(cè)量原理，分析流量計(jì)在測(cè)量介質(zhì)為氫氣時(shí)產(chǎn)生的誤差原因，有針對(duì)性的提出合理的解決方案，提高氫氣計(jì)量精度。

引言

氫氣具有能量密度高、熱轉(zhuǎn)化效率高、無污染，故氫能的發(fā)展前景十分光明，受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注和應(yīng)用，例如用于高能燃料、石化工業(yè)原料、冶金工業(yè)還原劑及金屬高溫加工中的保護(hù)氣等。氫氣既是石油煉制和石油化工的副產(chǎn)品，又是石油煉制和石油化工加氫工藝過程的重要原料資源。當(dāng)前重質(zhì)原油、高含硫原油對(duì)石油煉化公司的渣油加氫及加氫裂化的裝置處理能力不斷提高，在油品市場(chǎng)對(duì)質(zhì)量的不斷升級(jí)要求下，進(jìn)一步推動(dòng)高耗氫的加氫裝置全面發(fā)展，使得煉化公司對(duì)氫氣的需求量和品質(zhì)逐年提升，氫氣的生產(chǎn)管理逐漸成為影響煉油廠效益的主要因素之一。

1 流量計(jì)的選擇及計(jì)量誤差分析

由于氫氣在元素周期表中分子量非常小，密度低，要準(zhǔn)確計(jì)量就非常不容易。要正確的選擇達(dá)到計(jì)量要求的流量計(jì)，不僅要熟悉各種流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況考慮以下幾個(gè)方面：流量計(jì)的性能、測(cè)量介質(zhì)的特性、現(xiàn)場(chǎng)安裝要求、環(huán)境因素、流量計(jì)的價(jià)格。才能選取合適的流量計(jì)進(jìn)行氫氣計(jì)量。

1.1 節(jié)流式流量計(jì)

節(jié)流式流量計(jì)是一種典型的差壓式流量計(jì)，是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來測(cè)量氣體、液體和蒸氣流量的非常常用的一種流量儀表[2]。由安裝在管道中的節(jié)流件和測(cè)量差壓并顯示流量的差壓變送器組成。優(yōu)點(diǎn)在于：(1) 結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，工作可靠，成本低，能滿足工程測(cè)量的需要。(2) 使用歷史長，有豐富的、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)加工標(biāo)準(zhǔn)化，不需要進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，也能在已知的不確定的范圍內(nèi)進(jìn)行流量測(cè)量[3]。以節(jié)流式流量計(jì)應(yīng)用非常廣泛的標(biāo)準(zhǔn)件—標(biāo)準(zhǔn)孔板為例，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要提供測(cè)量介質(zhì)氫氣的工況壓力、工況溫度、非常大流量、非常小流量、常用流量、介質(zhì)粘度值、密度值等參數(shù)，而實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況發(fā)生變化，一般做法是進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償進(jìn)行校正。氣體節(jié)流式流量計(jì)補(bǔ)償公式：式中：V 實(shí)為實(shí)際工況的介質(zhì)標(biāo)況體積流量(Nm3/h);V 設(shè)為設(shè)計(jì)工況的介質(zhì)標(biāo)況體積流量(Nm3/h)；ρ 實(shí)為設(shè)計(jì)工況的介質(zhì)密度(kg/m3)；ρ 設(shè)為設(shè)計(jì)工況的介質(zhì)密度(kg/m3)；P 實(shí)為實(shí)際工況的介質(zhì)絕對(duì)壓力(MPa)；P 設(shè)為設(shè)計(jì)工況的介質(zhì)絕對(duì)壓力(MPa)； T 實(shí)為實(shí)際工況的介質(zhì)溫度(K)；T 設(shè)為設(shè)計(jì)工況的介質(zhì)溫度(K)。 由(1) 式得，實(shí)際測(cè)量必須對(duì)測(cè)量流量值進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，否則直接影響節(jié)流式流量計(jì)的準(zhǔn)確性。但即便經(jīng)過溫度壓力補(bǔ)償后的流量值，其應(yīng)用也不理想，主要表現(xiàn)在：(1) 量程比小，測(cè)量準(zhǔn)確度不高，一般為3%。

(2) 節(jié)流件在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)介質(zhì)參數(shù)是固定值，在實(shí)際使用的介質(zhì)參數(shù)卻因與設(shè)計(jì)值不同，而形成較大的差異，數(shù)據(jù)可信度不高。(3) 在被測(cè)氣體組份發(fā)生變化，實(shí)際密度偏離設(shè)計(jì)密度，而產(chǎn)生流量測(cè)量誤差。

1.2 速度式流量計(jì)

速度式流量計(jì)是基于與流體流速有關(guān)的各種物理現(xiàn)象，儀表的輸出與流速有確定的關(guān)系，即可知流體的體積流量。常用氣體計(jì)量的流量計(jì)有：渦輪流量計(jì)、漩渦流量計(jì)、旋進(jìn)式渦輪流量計(jì)、旋進(jìn)式漩渦流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。渦輪流量計(jì)因有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，且渦輪轉(zhuǎn)速高，維修量大而應(yīng)用逐漸減少。漩渦流量計(jì)也因?yàn)榻橘|(zhì)組份、溫度和壓力補(bǔ)償?shù)鹊纫蛩赜绊?，?yīng)用效果也不理想，其測(cè)量精度也基本不能滿足計(jì)量的要求。旋進(jìn)式漩渦流量計(jì)和旋進(jìn)式渦輪流量計(jì)具有信號(hào)強(qiáng)、低流速特性好的優(yōu)勢(shì)，測(cè)量氫氣工況流量的同時(shí)還能測(cè)量工況溫度和壓力，直接采集溫度和壓力信號(hào)，在流量計(jì)內(nèi)進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量。相關(guān)數(shù)據(jù)不僅可就地指示還能通過(4～20)mA 模擬信號(hào)和RS485 通訊到DCS 機(jī)柜室進(jìn)行顯示和積算。在量程范圍的20%～80% 可以正常工作，但在實(shí)際使用中還是有很多因素制約著流量計(jì)的準(zhǔn)確度，如流量計(jì)是用壓縮空氣進(jìn)行的檢定，用于溫度壓力補(bǔ)償測(cè)量的傳感器的檢定則被忽視，使用中的雜質(zhì)和含水的影響，低流量的小信號(hào)切除等問題，高流量下的共振問題等，都使無故障運(yùn)行周期得不到保障，非常終應(yīng)用效果也不理想。

超聲波流量計(jì)因氫氣密度小的原因，測(cè)量精度不能滿足要求而應(yīng)用較少。

1.3 質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)有直接式和間接式二種，本文只討論科里奧利質(zhì)量流量計(jì)?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)是利用流動(dòng)的介質(zhì)與振蕩管之間的相互作用而產(chǎn)生的科氏力，使振蕩管出入口安裝的檢測(cè)線圈檢測(cè)產(chǎn)生的相位差來直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。一般由振動(dòng)管與轉(zhuǎn)換器組成，振動(dòng)管( 測(cè)量管道) 是敏感器件，有U 形、Ω形、環(huán)形、直管形及螺旋形等幾種形狀[4]。質(zhì)量流量計(jì)不僅可直接測(cè)量通過流量計(jì)的介質(zhì)質(zhì)量，還可測(cè)量介質(zhì)的密度、溫度，具有測(cè)量精度高，受介質(zhì)物性影響小，無上下游直管段的優(yōu)點(diǎn)，輸出信號(hào)多樣，在能源、石油化工產(chǎn)業(yè)、化學(xué)等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，不論是氣體還是液體測(cè)量，尤其在裝車和貿(mào)易交接提供了非常好的解決方案。

質(zhì)量流量計(jì)在測(cè)量混合氣的氫氣質(zhì)量時(shí)，非氫氣的介質(zhì)所帶來的誤差不容忽視。在氫氣貿(mào)易交接中常以純氫的標(biāo)況體積數(shù)據(jù)結(jié)算，若由測(cè)量的質(zhì)量直接轉(zhuǎn)換為純氫標(biāo)況體積，將產(chǎn)生超出氣體貿(mào)易交接的質(zhì)量流量計(jì)精度的計(jì)量誤差，以氫氣/ 氮?dú)怏w積比為例，氫氣體積濃度每降低0.1%，純氫的質(zhì)量比數(shù)據(jù)將降低1.3%，應(yīng)根據(jù)在線分析數(shù)據(jù)及時(shí)修正計(jì)量交接修正系數(shù)，減少需方經(jīng)濟(jì)損失。

2 應(yīng)用和建議

2.1 節(jié)流式流量計(jì)在實(shí)際使用中應(yīng)關(guān)注的事項(xiàng)

(1) 定期排空節(jié)流式流量計(jì)的膜盒中積液。

(2)標(biāo)定的差壓值對(duì)應(yīng)的流量量程與積算量程設(shè)置是否一致。

(3) 定期修正因氫氣組份變化對(duì)工況密度的造成的影響。

2.2 速度式流量計(jì)

旋進(jìn)式漩渦流量計(jì)和旋進(jìn)式渦輪流量計(jì)在離線標(biāo)定的同時(shí)，對(duì)溫度和壓力變送器進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，并將修正值輸入積算放大器中。因氫氣質(zhì)量小，需合理設(shè)置零點(diǎn)切除值，避免無流量有干擾小流量和切除值過大而小流量缺失計(jì)量的發(fā)生。增加現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，定期對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)軸承加油，減小渦輪始動(dòng)的系統(tǒng)誤差。

2.3 質(zhì)量流量計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，必須及時(shí)零點(diǎn)標(biāo)定操作，以消除環(huán)境溫度變化和安裝產(chǎn)生的管線應(yīng)力，消除零點(diǎn)漂移。另外還需要定期計(jì)量比對(duì)核查，計(jì)量數(shù)據(jù)偏小就要考慮旁路閥內(nèi)漏的影響，其必須研磨打壓測(cè)試閥門的密封性直至更換。貿(mào)易交接的氫氣質(zhì)量流量計(jì)，應(yīng)根據(jù)在線或離線氣體分析儀測(cè)量的體積百分比和組成，折算純氫質(zhì)量比進(jìn)行修正，再換算成標(biāo)況體積進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量結(jié)算。

3 結(jié)語

氫氣計(jì)量在實(shí)際使用中，上海自儀公司應(yīng)根據(jù)對(duì)計(jì)量精度的要求，本著經(jīng)濟(jì)合理的原則，選用流量計(jì)，對(duì)裝置內(nèi)部物料供需的企業(yè)內(nèi)部計(jì)量，可采用一體化溫度壓力補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)分析氫氣組成，定期修正密度系數(shù)，降低計(jì)量誤差；對(duì)貿(mào)易交接計(jì)量的氫氣流量計(jì)，首選羅斯蒙特質(zhì)量流量計(jì)，并結(jié)合在線分析儀表測(cè)量的氫氣純度比，修正交接系數(shù)，減少計(jì)量交接損失。