TFM氣體質量流量計測量優勢

自1989質量流量計成功地應用于齊魯石化股份有限公司烯烴廠和第二化肥廠以來,經過不斷地摸索與實踐,從與公司外部的貿易交接計量,到內部廠際之間以及車間工藝控制的物料計量,從液體應用到氣體應用,質量流量計已經成為該公司高價值流體計量的重要手段。目前主要使用MicroMotion,E+H, Yokogawa, Schlumberger等廠家生產的不同型號的質量流量計。

氣體計量是計量工作中的難點。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,利用傳統流量儀表很難達到高精度計量。

在齊魯石化股份有限公司烯烴廠,乙烯氣計量采用渦街流量計,由于下游裝置乙烯用量不穩定,流量、壓力波動大,造成計量數據失準。乙烯裝置的產量沒有正確地計量出來,下游生產裝置反映計量數據不符合生產實際。1991年,在各質量流量計生產廠家沒有宣稱可以應用于氣體計量以前,該廠試探性地更換成兩臺Micro Motion公司的DH300流量計,計量數據與工藝平衡數據吻合程度遠比原始設計的渦街流量計好,該類型流量計計量氣體得到了供收雙方生產技術人員的肯定。1994年,流量計升級更換為該公司新開發的更適合氣體計量的CMF300,到目前使用情況良好。

在應用質量流量計計量乙烯氣體取得成功后,質量流量計的氣體測量逐漸擴展到氫氣、氧氣、千氣等,均達到了預期的效果。

 

1.檢測的基本原理與選型

質量流量計依據科里奧利原理,即δFc=2ωVδm。其中δFc為科氏力;V為流速;ω為角速度;m為質量。科氏力的大小可以檢測因科氏力作用發生形變產生的相位差。這種檢測要求有一定的分辨率。如果質量流量太小,儀表就可能無法檢測到由科氏力產生的相位差。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量流量。

目前電子技術的發展幾乎是全球同步,相信各家在電路檢測方面不會有太大差異。在測量管結構上,應當說在測量的質量相同時能產生形變較大的質量流量計,在靈敏度方面占有較大的優勢。如果對擺長不同的兩個單擺施加相同的力,則擺長更長的擺會有更大的擺幅。同樣道理,在相同大小的科氏力作用下,測量管徑向距離越長的結構其形變越大。根據Micro Motion公司提供的數據,U形測量管的ZUI大振幅可以達到0.8mm而直管的ZUI大振幅只能達到0.1mm。在電子部件檢測能力相同的情況下,形變大的結構將提高系統的靈敏度。U形測量管在ZUI大流量時的相位差可以達到60uS,而直管在ZUI大流量時的相位差為12uS。這種結構相當于在系統中設計了一個機械的放大器,可以讓電子部件檢測到更小的科氏力效應,也就能檢測到更小的質量流量。但是,任何事物都是分為二的。既然它的測量管徑向距離長、形變大,同時也就存在著容易受到外界因素的干擾、零點更容易漂移等缺點。由于氣體的特性限制,測量氣體的質量流量計的測量管結構應該以靈敏度大的為宜。

 

2.高流速問題

在氣體計量儀表選型過程中,生產廠家所提供的計算書顯示,在達到額定精度時的測量管內氣體流速都非常高,一般是10²m/s,甚至為10³m/s,一些資料顯示,質量流量計氣體限速170m/s。對于如此高的流速,實際使用時一直有所保留,擔心流速太高產生危險。為此,曾經要求生產廠家對此作出過書面的承諾。

高流速是指發生在測量管內的局部的流速變化。管道流經流量計時流通口徑變小,流體會在流量計的入口速率變大,在出口會由于口徑變大而恢復到原來的正常流速。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生質量流量計所應當避免的汽化問題,因此只要產生的壓損可以接受,那么該速率的變化就不會對操作過程產生影響。

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

 

3.質量流量計的標定

AGA11#報告中明確指出,克里奧利流量計標定時使用液體而不是使用氣體,主要原因是液體標定的成本低廉。使用液體標定而應用于氣體計量具有相同的性能指標。也就是說,應用于氣體測量的克里奧利流量計可以用常見的標定液體的裝置來標定。這就為質量流量計應用于氣體計量提供了很大方便。圖1為Micro Motion公司提供的水標定與乙烯氣標定結果對比。

4.操作條件的影響

4.1操作溫度的影響

日常計量工作中對氣體溫度的影響很容易忽略。當溫度發生變化時,質量流量計傳感器測量管的剛性會發生變化。這種剛性與溫度的變化存在一定的函數關系,因此可以被修正。每臺質量流量計都內置了Pt100進行測量管溫度的檢測,目的就在于補償由溫度變化而引起的影響。

當操作溫度相對于儀表調零時的溫度相差較大時,必須考慮質量流量計加工過程中幾何機構上的不完全對稱對儀表的零點穩定性的影響。為盡可能消除這種影響,需對質量流量計在操作溫度下進行調零。

4.2操作壓力的影響

齊魯石化煉油廠計量中心早在1991年應用DS300型質量流量計計量烯烴廠的物料時,發現罐計量數量比流量計高3%左右,經過半年的人工檢尺與流量計數據的比對,廠家技術人員經現場多次確認后進行了壓力系數修正。以后廠家在自己的產品樣本中明確地標明其不同型號的質量流量計的溫度及壓力影響,并且對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的描述。由于對這個問題認識較晚,各廠家分別針對壓力影響問題使用了新技術,開發了新型號的流量計,從一定程度上掩蓋了這一問題。各廠家在產品介紹、新技術講座等過程中有意或無意地回避了在實際應用中不同情況下流量計所受到的影響,致使人們忽視操作條件對計量的影響。

當操作壓力上升時,測量管會變硬,產生一個負向的偏差。當操作壓力下降時,測量管變軟,產生個正向偏差。由于流量表標定的壓力都很低,一般在0.3MPa左右,實際生產過程中實際壓力較該壓力低而產生的正向偏差可以忽略不計。

由于同口徑質量流量計所使用的流量管相同,所以在壓力影響因素中沒有考慮流量計本身磅級不同對精度的影響。在一般情況下,采用流量系數修正法能解決大多數問題。但有時由于確實存在一個比較大的壓力波動,比如由收方閥門控制流量,不是相同壓頭的泵經常互相切換使用等,這就需要考慮采用增加壓力變送器以進行適時補償。

 

5.調零方式的影響

與質量流量計初期應用不同,目前質量流量計零點的調整要求在正常工況下進行,簡單的說,就是除了流量為零外,其它各方面都應和正常計量沒有區別。這樣進行零點調整以后,理論上可以消除因被測介質溫度與流量計測量管溫度不一致、測量管重心偏移、測量管微小的不平衡等因素的影響。

調零方式:測量管充滿被測介質,流速為零。

①管道內無壓力或壓力很小時,關閉表前閥或關閉前后閥。②管道內有壓力時,關閉表后閥。調零示意圖見圖2。

因為流量計基本沒有工作在無壓力的情況下,所以一般按②進行。在齊魯石化股份有限公司調零時不但完全按②進行,計量表還要求安裝閥組,具備旁路,旁路加裝8字盲板,以方便再出現計量糾紛時,檢查流量表的零點以及日常檢查、修復、在線拆卸送檢等工作。

值得注意的是小信號切除在零點檢查和零點調整時要去除,否則觀察到的零點雖然穩定,但卻不能真實地反映零點。測量氣體時質量流量計的精度只有0.5%,加上其它因素的影響,在實際的計量工作中,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超過3%,氣體計量需要及時核對雙方的表量,檢查計量表狀態和工藝狀況,調整零點。經過十幾年的應用,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.振動和應力的消除對策

由于大部分的質量流量計安裝位置的局限性比較強,很多情況下無法達到遠離振動源的要求,特別是管線的振動。為了減少振動對流量計精度的影響,很多資料上都提出要安裝支撐進行固定,用來避免或減少振動。齊魯石化股份有限公司的技術人員創造性地使用了可調式支架,較好地解決了振動的影響,同時還可以實現對流量計安裝不規范產生的應力的消除。可調式支架示意圖見圖3。支架可調部分示意圖見圖4。

安裝應力從開始安裝前就可以盡量避免,避免的主要方式有:(1)安裝時儀表技術人員必須在場通過目測基本確認應力是否存在;(2)使用技術熟練的、懂得質量流量計特性的隊伍進行施工;(3)首先做好短節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,用手操器進行調零測試(僅限于9739),如果STD,DEV值較小,就可以認為安裝良好,否則就需要使用可調式支架進行調節。此外,工藝管道在使用一段時間以后,由于各種原因也會發生形變,此時,也可以使用可調支架進行調整,以消除應力的影響。

 

7.結論

采用質量流量計進行管輸氣體的計量有很多常規計量表不可比擬的優點。質量流量計的技術在不斷發展,質量流量計的應用更是一個不斷實踐、不斷發現問題、解決問題的學習過程。在實際應用中要找出影響質量流量計的因素,并采取相應的措施加以消除,使質量流量計的應用水平再上一個新臺階。