雙孔板流量計在氫氣計量中應用 發(fā)布時間:2020-2-11 14:42:24
摘要:孔板流量計是流量檢測領域較為傳統(tǒng)的方法,技術成熟,應用行業(yè)廣泛,有較高的可信度,由于目前制造精度的提高,所以無論在計量精度、可靠性、維修護用等方面都比其他計量器具有其自身的優(yōu)勢。針對氫氣體的生產工藝,氫氣計量的特點,介紹雙孔板流量計在氫氣計量系統(tǒng)中的實際應用情況,闡述了氫氣計量系統(tǒng)中相關儀表選型原則,過孔板的安裝及日常維護方面,運用圖表計算分析雙孔板在計量氫氣時的經濟優(yōu)勢和雙孔板在運行中及項目前期投入上的劣勢;同時也對計量相關模式進行淺析,不同計量組合會對計量精度、穩(wěn)定性及成本帶來很大的影響。 0引言 天然氣制氫生產工藝是以天然氣為原料生產氫氣,與水蒸汽進行重整反應,得氫氣產品,然后通過管道輸送給客戶。氫氣相比其他氣體,價格偏貴,因此氫氣計量的準確性不僅關系著供需雙方進行公平的貿易結算,還關系到成本控制,因此整個計量系統(tǒng)受到各方的高度重視。 1系統(tǒng)方案 如圖1所示,整個計量系統(tǒng)由雙孔板、差壓變送器、壓力變送器、熱電阻、流量積算儀組成。孔板與差壓變送器組合采集差壓信號,壓力變送器采集壓力信號與熱電阻采集溫度信號組合用于溫壓補償,經計算后在流量積算儀中顯示。 兩塊孔板可根據實際生產需要串聯(lián)、并聯(lián)測量,但同一時刻只用一塊孔板的數值用于貿易結算。當在運行過程中發(fā)現兩塊孔板有較大的偏差時,操作人員會及時查看歷史趨勢,根據工藝判斷查找出有流量突變的一臺,及時送第三方單位進行檢定。 這種采用雙孔板的計量方式,雖然在項目建設初期投入費用高一些,但是如果有偏差出現而未及時進行干預,會造成很大的經濟損失。 1.1流量計選型 流量計采用EMERSON公司的DANIEL品牌孔板,孔板原理如圖2所示。根據伯努利方程,流體在管道中流動,當接近阻攔處時,有一部分流體的勢能轉換成動能,在孔板的前入口端面壓力增加;當經過節(jié)流元件時,流體逐漸收縮,流速升高,壓力最小,所以在孔板上下游兩側產生壓力差,流量越大,壓差就越大,孔板即是通過測量壓差來體現流量大小。其基本公式如下: 式中:Q工為工況下體積流量(m3/s);C為流出系數;為孔板直徑與管道內徑之比;ε為膨脹系數,默認為1;△P為孔板前后壓差(kPa);ρ1為介質密度(kg/m3) 1.2溫壓補償 由于氣體可以壓縮,隨著壓力、溫度的變化,體積也相應地發(fā)生變化,因此需將工況下的氣體流量換算成標況下的體積流量進行計量,即標準狀態(tài)下1個標準物理大氣壓(0.101325MPa)、0℃(273.15K)時的流量,進行溫壓補償,公式如下: 式中:Q實為實際測量流量;Q設為設計流量;P實為實測壓力;P設為設計壓力;T實為實測溫度;T設為設計溫度。 1.3流量積算儀 流量積算儀采用浙大中控的U6-200,IO模塊能夠處理多種數據類型,4~20mA、1~5V、歐姆、開關量和脈沖量輸入以及模擬量、開關量輸出等,還能夠實現流量溫壓補償及流量的分段計量。根據合同條款規(guī)定,在程序內設置流量分段值,可自動生成日報表、月報表。操作人員只需要選擇要打印的報表日期,及日報或月報即可,不能人為進行修改任何數據。 2雙孔板安裝和使用 儀表的安裝是儀表運行的重要部分,孔板對安裝的要求尤其高,它直接影響計量的誤差。雙孔板的安裝與單個孔板相比,要求更加嚴格。 2.1孔板安裝方向 孔板上下端面裝反,流量會比實際流量低,在安裝初期應檢查管道流向,在孔板上也有箭頭標識,箭頭的方向要與介質流向一致。在取壓口附近標有“+”的一端應與流體上游管段連接,標有“-”的一端應與流體下游管段連接。 2.2中心線 孔板的中心、法蘭中心、管道中心應在同一軸線上。 2.3直管段長度 GB/T2624.2-2006表3(無流動調整器情況下孔板與管徑之間所需的直管段)中對不同情況下孔板直管段做了詳細分類,采用兩塊孔板A和B,由于兩塊孔板上游側存在的阻流件不同,所以直管段要求也不相同。 根據孔板計算書得出β值為0.37572,A孔板的上游側為一個全孔球閥和一個三通,需要12D的直管段;B孔板的流體質量較差,在其上游側有一個截止閥和一個90°彎頭,一個三通,共需要28D的直管段。 由于現場安裝空間有限,不能滿足28D的直管段要求,為了能夠實現較好的流體質量,使測量滿足精度要求,因此在孔板前面采用整流器。整流器安裝如圖3所示,采用DANIEL整流器后,直管段要求從28D變成17D,解決了現場安裝空間不足的問題。 3計量系統(tǒng)模式選擇 雙孔板計量與單孔板計量的不同是選擇的檢測元件數量增加一倍,所以除了需要滿足精度要求外,成本及第三方鑒定也是需要著重考慮的問題。 計量系統(tǒng)的整個環(huán)節(jié)沒有人工參與,僅僅是利用變送器、熱電阻等相關設備實時檢測所涉及的各參數,通過預設在流量積算儀軟件的公式或在PLC中編程來計算流量。隨著技術的發(fā)展,差壓流量計的計量方法眾多,主要可分為以下兩種模式:檢測元件+PLC+HMI,檢測元件+流量積算儀+工控機。 檢測元件可以分為多參量智能變送器與單參變送器。多參量變送器通過一個檢測器將溫度,壓力,差壓同時檢測,并在表頭進行顯示。一般應用于沒有分段計量的模式,結算的依據僅僅是流量的累積值,每月約定某一時間甲乙雙方共同讀取數值。優(yōu)點是第三方鑒定簡單方便,變送器可以單獨校驗,也可以隨流量計一起校驗;缺點是變送器本身沒有存儲數據的功能,數據則需要送到HMI中進行存儲,而且累積流量需要將通信協(xié)議由Modbus485轉換成ModbusTCP/IP后傳輸給HMI,硬件成本會相應增加,且數據容易丟失。 3.1檢測元件+PLC+工控機 檢測元件將現場壓力、差壓、溫度等信號送入流量計PLC的AI模塊,通過數據轉換后,在PLC內進行編程后計算出氫氣瞬時流量、累積流量,再通過HMI進行顯示。 這種計量方式是屬于目前普遍采用的模式,由于溫壓補償是由人工在PLC中編程實現,采用簡化版溫壓補償公式,有些參數并沒有在公式中體現,這些參數會對計量精度有一些影響。這種模式采用硬件較多,人工參與度較大,可靠性相對較差,信任度較低;并且計量系統(tǒng)需要第三方進行鑒定。 3.2檢測元件+流量積算儀+工控機 檢測元件采集到壓力、差壓、溫度后,輸入到流量積算儀數據采集卡,由流量積算儀內部軟件進行溫壓補償后,計算得出氫氣的瞬時流量、累積流量等信號。 流量積算儀的計算軟件是固化在其CPU中,內部程序無法人工更改,操作人員只需在其自帶的觸摸屏上設置相關參數,操作簡單方便。在流量計算時,會比在PLC人工開發(fā)程序精度高很多,整個系統(tǒng)的可靠性也提高很多。 采用流量積算儀的優(yōu)點在于它除了能夠進行流量計算、溫壓補償以外,還能夠實現流量的分段計量,自動生成日報表、月報表,減少了在工控機上人工編程實現分段計量所產生的誤差。與傳統(tǒng)的計量模式相比較,流量計算及報表的生成都是在流量積算儀上實現的,也避免了在PLC上編程,工控機上顯示時兩設備時鐘不同步造成數據有差異的問題。 隨著自動化技術快速發(fā)展,流量積算儀的功能也日益增強,除了能夠實現流量的相關數據處理外,還能夠實現簡單的控制功能,適用于需要計量且控制回路不多的現場。 4雙孔板偏差計算 如圖4所示為孔板運行曲線,12h內平均偏差為50.25Nm3,由此可以推算出一年的偏差約為440190Nm3。 由圖4可以看出如果兩塊孔板偏差高出實際生產需求值時,會造成很大的經濟損失,需要及時查找原因,解決問題。 5雙孔板流量計的優(yōu)缺點及應用 5.1雙孔板流量計的優(yōu)點 1)孔板結構簡單; 2)孔板屬于標準節(jié)流裝置,得到國際組織的認可,可以采用幾何測量法,不需要實流標定; 3)孔板的壓損相對較小; 4)可以與不同廠家的變送器配合使用; 5)兩塊孔板的優(yōu)點在于當發(fā)現流量偏差很大時,能夠及時發(fā)現問題,避免了經濟損失。 5.2雙孔板流量計的存在的問題 1)孔板的精度在流量計中屬于中等水平,很多因素都能影響其精度,在流量小于其量程30%時,尤為突出; 2)壓力損失大; 3)測量范圍窄,量程比小; 4)有較長的直管段長度要求,要求安裝有足夠的空間; 5)孔板以內孔銳角線來保證精度,對于腐蝕、磨損、結垢、臟污敏感,長期使用精度難以保證,需每年拆下強檢一次; 6)采用法蘭連接,易產生跑、冒、滴、漏問題,大大增加了維護工作量; 7)雙孔板流量計在計量時需與客戶協(xié)商結算方法,以免引起異議; 8)成本增加,維護量增加。 6總結 由于計量站一般為無人值守站,日常維護帶來一定的難度,所以在設計計量方案時要充分考慮操作、維護的簡要性,操作簡單,維護方便,而且要非?煽,所以雙孔板能夠實現這樣的目的。 雙孔板流量計在實際應用中并不多見,主要其成本提高而不被廣泛采用。但在貿易結算中,最重要的一條原則就是保證計量精度,無論偏差是正值還是負值,對買賣雙方來說都是不公平的,所以兩塊孔板偏差較大時,應及時分析原因,解決問題,避免造成雙方的經濟損失。雖然一次性投入成本較高,但從長期、穩(wěn)定的運行角度來考慮,會比單孔板更有效率。
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