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双孔板流量计在氢气计量中应用
发布时间:2020-2-11 14:42:24

摘要:孔板流量计是流量检测领域较为传统的方法,技术成熟,应用行业广泛,有较高的可信度,由于目前制造精度的提高,所以无论在计量精度、可靠性、维修护用等方面都比其他计量器具有其自身的优势。针对氢气体的生产工艺,氢气计量的特点,介绍双孔板流量计在氢气计量系统中的实际应用情况,阐述了氢气计量系统中相关仪表选型原则,过孔板的安装及日常维护方面,运用图表计算分析双孔板在计量氢气时的经济优势和双孔板在运行中及项目前期投入上的劣势;同时也对计量相关模式进行浅析,不同计量组合会对计量精度、稳定性及成本带来很大的影响。
0引言
天然气制氢生产工艺是以天然气为原料生产氢气,与水蒸汽进行重整反应,得氢气产品,然后通过管道输送给客户。氢气相比其他气体,价格偏贵,因此氢气计量的准确性不仅关系着供需双方进行公平的贸易结算,还关系到成本控制,因此整个计量系统受到各方的高度重视。
1系统方案
如图1所示,整个计量系统由双孔板、差压变送器压力变送器热电阻流量积算仪组成。孔板与差压变送器组合采集差压信号,压力变送器采集压力信号与热电阻采集温度信号组合用于温压补偿,经计算后在流量积算仪中显示。
两块孔板可根据实际生产需要串联、并联测量,但同一时刻只用一块孔板的数值用于贸易结算。当在运行过程中发现两块孔板有较大的偏差时,操作人员会及时查看历史趋势,根据工艺判断查找出有流量突变的一台,及时送第三方单位进行检定。
这种采用双孔板的计量方式,虽然在项目建设初期投入费用高一些,但是如果有偏差出现而未及时进行干预,会造成很大的经济损失。

1.1流量计选型
流量计采用EMERSON公司的DANIEL品牌孔板,孔板原理如图2所示。根据伯努利方程,流体在管道中流动,当接近阻拦处时,有一部分流体的势能转换成动能,在孔板的前入口端面压力增加;当经过节流元件时,流体逐渐收缩,流速升高,压力最小,所以在孔板上下游两侧产生压力差,流量越大,压差就越大,孔板即是通过测量压差来体现流量大小。其基本公式如下:

式中:Q工为工况下体积流量(m3/s);C为流出系数;为孔板直径与管道内径之比;ε为膨胀系数,默认为1;△P为孔板前后压差(kPa);ρ1为介质密度(kg/m3)

1.2温压补偿
由于气体可以压缩,随着压力、温度的变化,体积也相应地发生变化,因此需将工况下的气体流量换算成标况下的体积流量进行计量,即标准状态下1个标准物理大气压(0.101325MPa)、0℃(273.15K)时的流量,进行温压补偿,公式如下:

式中:Q实为实际测量流量;Q设为设计流量;P实为实测压力;P设为设计压力;T实为实测温度;T设为设计温度。
1.3流量积算仪
流量积算仪采用浙大中控的U6-200,IO模块能够处理多种数据类型,4~20mA、1~5V、欧姆、开关量和脉冲量输入以及模拟量、开关量输出等,还能够实现流量温压补偿及流量的分段计量。根据合同条款规定,在程序内设置流量分段值,可自动生成日报表、月报表。操作人员只需要选择要打印的报表日期,及日报或月报即可,不能人为进行修改任何数据。
2双孔板安装和使用
仪表的安装是仪表运行的重要部分,孔板对安装的要求尤其高,它直接影响计量的误差。双孔板的安装与单个孔板相比,要求更加严格。
2.1孔板安装方向
孔板上下端面装反,流量会比实际流量低,在安装初期应检查管道流向,在孔板上也有箭头标识,箭头的方向要与介质流向一致。在取压口附近标有“+”的一端应与流体上游管段连接,标有“-”的一端应与流体下游管段连接。
2.2中心线
孔板的中心、法兰中心、管道中心应在同一轴线上。
2.3直管段长度
GB/T2624.2-2006表3(无流动调整器情况下孔板与管径之间所需的直管段)中对不同情况下孔板直管段做了详细分类,在本项目中,采用两块孔板A和B,由于两块孔板上游侧存在的阻流件不同,所以直管段要求也不相同。
根据孔板计算书得出β值为0.37572,A孔板的上游侧为一个全孔球阀和一个三通,需要12D的直管段;B孔板的流体质量较差,在其上游侧有一个截止阀和一个90°弯头,一个三通,共需要28D的直管段。
由于现场安装空间有限,不能满足28D的直管段要求,为了能够实现较好的流体质量,使测量满足精度要求,因此在孔板前面采用整流器。整流器安装如图3所示,采用DANIEL整流器后,直管段要求从28D变成17D,解决了现场安装空间不足的问题。

3计量系统模式选择
双孔板计量与单孔板计量的不同是选择的检测元件数量增加一倍,所以除了需要满足精度要求外,成本及第三方鉴定也是需要着重考虑的问题。
计量系统的整个环节没有人工参与,仅仅是利用变送器、热电阻等相关设备实时检测所涉及的各参数,通过预设在流量积算仪软件的公式或在PLC中编程来计算流量。随着技术的发展,差压流量计的计量方法众多,主要可分为以下两种模式:检测元件+PLC+HMI,检测元件+流量积算仪+工控机。
检测元件可以分为多参量智能变送器与单参变送器。多参量变送器通过一个检测器将温度,压力,差压同时检测,并在表头进行显示。一般应用于没有分段计量的模式,结算的依据仅仅是流量的累积值,每月约定某一时间甲乙双方共同读取数值。优点是第三方鉴定简单方便,变送器可以单独校验,也可以随流量计一起校验;缺点是变送器本身没有存储数据的功能,数据则需要送到HMI中进行存储,而且累积流量需要将通信协议由Modbus485转换成ModbusTCP/IP后传输给HMI,硬件成本会相应增加,且数据容易丢失。因此,在本项目中没有采用多参量变送器。
3.1检测元件+PLC+工控机
检测元件将现场压力、差压、温度等信号送入流量计PLC的AI模块,通过数据转换后,在PLC内进行编程后计算出氢气瞬时流量、累积流量,再通过HMI进行显示。
这种计量方式是属于目前普遍采用的模式,由于温压补偿是由人工在PLC中编程实现,采用简化版温压补偿公式,有些参数并没有在公式中体现,这些参数会对计量精度有一些影响。这种模式采用硬件较多,人工参与度较大,可靠性相对较差,信任度较低;并且计量系统需要第三方进行鉴定。
3.2检测元件+流量积算仪+工控机
检测元件采集到压力、差压、温度后,输入到流量积算仪数据采集卡,由流量积算仪内部软件进行温压补偿后,计算得出氢气的瞬时流量、累积流量等信号。
流量积算仪的计算软件是固化在其CPU中,内部程序无法人工更改,操作人员只需在其自带的触摸屏上设置相关参数,操作简单方便。在流量计算时,会比在PLC人工开发程序精度高很多,整个系统的可靠性也提高很多。
采用流量积算仪的优点在于它除了能够进行流量计算、温压补偿以外,还能够实现流量的分段计量,自动生成日报表、月报表,减少了在工控机上人工编程实现分段计量所产生的误差。与传统的计量模式相比较,流量计算及报表的生成都是在流量积算仪上实现的,也避免了在PLC上编程,工控机上显示时两设备时钟不同步造成数据有差异的问题。
随着自动化技术快速发展,流量积算仪的功能也日益增强,除了能够实现流量的相关数据处理外,还能够实现简单的控制功能,适用于需要计量且控制回路不多的现场。
4双孔板偏差计算
如图4所示为孔板运行曲线,12h内平均偏差为50.25Nm3,由此可以推算出一年的偏差约为440190Nm3。
由图4可以看出如果两块孔板偏差高出实际生产需求值时,会造成很大的经济损失,需要及时查找原因,解决问题。

5双孔板流量计的优缺点及应用
5.1双孔板流量计的优点
1)孔板结构简单;
2)孔板属于标准节流装置,得到国际组织的认可,可以采用几何测量法,不需要实流标定;
3)孔板的压损相对较小;
4)可以与不同厂家的变送器配合使用;
5)两块孔板的优点在于当发现流量偏差很大时,能够及时发现问题,避免了经济损失。
5.2双孔板流量计的存在的问题
1)孔板的精度在流量计中属于中等水平,很多因素都能影响其精度,在流量小于其量程30%时,尤为突出;
2)压力损失大;
3)测量范围窄,量程比小;
4)有较长的直管段长度要求,要求安装有足够的空间;
5)孔板以内孔锐角线来保证精度,对于腐蚀、磨损、结垢、脏污敏感,长期使用精度难以保证,需每年拆下强检一次;
6)采用法兰连接,易产生跑、冒、滴、漏问题,大大增加了维护工作量;
7)双孔板流量计在计量时需与客户协商结算方法,以免引起异议;
8)成本增加,维护量增加。
6总结
由于计量站一般为无人值守站,日常维护带来一定的难度,所以在设计计量方案时要充分考虑操作、维护的简要性,操作简单,维护方便,而且要非常可靠,所以双孔板能够实现这样的目的。
双孔板流量计在实际应用中并不多见,主要其成本提高而不被广泛采用。但在贸易结算中,最重要的一条原则就是保证计量精度,无论偏差是正值还是负值,对买卖双方来说都是不公平的,所以两块孔板偏差较大时,应及时分析原因,解决问题,避免造成双方的经济损失。虽然一次性投入成本较高,但从长期、稳定的运行角度来考虑,会比单孔板更有效率。

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