6气体流量测量 温压补偿

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Tb: Reference temperature (_℃) 在上式中， Fi 为测量流量， F0 为补偿后的流量， P 为测量压力（表压）单位 kPa,T 为测量温度，单位为摄氏度（℃） ，DCS 计算时将温度转换为热力学温度 K，压 力转换为绝对压力，Pb: 和 Tb 分别为设计状态下的压力和温度，这两个参数可 以在操作站的参数设置画面中设定， 比如 100kPa 和 0℃， 具体可以询问厂家确定。 注意在组态时要选中 Temperature and Pressure Correction 并且选择相应的温 度、压力单位。GAIN 参数的意义在 CS3000 中的文档没有说明，笔者认为如果 需要对温度、压力之外的其它因素（例如湿度）进行粗略补偿，可以通过调整 GAIN 的数值来实现。 具体组态见下图，来自 FT104 变送器的信号先经 FF104 开方，其 PV 值送 至温压补偿模块 TP104 的 IN 端， 温度和压力变送器分别经过 PVI 模块进入温压 补偿模块 TP104 的 Q01 和 Q02 端， 经过 TP104 补偿后的 CPV 送至 PVI 模块 FI104 显示。
气体流量测量与温压补偿
摘 要：本文介绍了气体流量测量中温度、压力补偿的原理及数学模型，并且给 出工程上的实现方法、 故障处理 关键词：气体流量测量 温压补偿 工程实现 故障处理 1 引 言 流量检测仪表是发展生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理 水平的重要工具， 物料总量的计量也是经济核算和能源管理的重要依据。随着全 球能源价格的上涨， 为了加强能源管理，提高流量测量的精度成为企业更为迫切 的要求。 我厂配套至尿素界区的 CO2 流量 FI104（原合成至尿素 CO2 流量 FI101） 不仅作为 CO2 压缩机防喘振控制运算参考，而且参与氨炭比计算，是尿素车间 工艺操作的重要依据之一。尿素操作工反映，按以往经验，该流量指示不准，并 且与位于配套界区的 CO2 流量 FT22010 指示完全不一致。为了解决这一问题， 需要对该流量计引入温压补偿，并就气体的流量测量问题进行一些其它的探讨。 2 补偿原理与公式推导 流量计的种类繁多， 检测原理也多种多样，实际选用时要根据不同的工作场 合选择。本文主要讨论干气体流量的测量与温度、压力补偿。由于气体具有可压 缩性，因此比液体的测量更为复杂。气体的流量测量主要是采用差压流量计，根 据差压流量计的测量原理， 体积流量 Q 是差压与密度的函数，而密度又是温度和 压力的函数，实际使用时，由于介质的密度与设计时的密度不同，会出现较大的 测量误差，这是要对其进行温压补偿的原因。 差压流量计的基本计算公式为：
（1） 式中：q 为被测气体在工作状态下的体积流量；ρ为被测气体在工作状态下的密 度；Δp 为变送器测得的差压；K 为系数，它包含流量系数、膨胀系数、管道孔 径等参数， 一般情况下可以认为它为常数。本文讨论的温压补偿是指补偿密度随 温度、压力的变化所造成的影响。 在实际使用中， 仪表的标尺是以标准状态下的流量 qn 为刻度。根据管道内
Ps P ρ sT s ρ T
导出在不同状态下气体的密度转换式：
（7） 便可得到通常使用的温压补偿公式：
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q
n=
PTs q ns P sT （8）
上式中压力为绝对压力，温度为热力学温度。从式（8）可见，当气体的实际工 况与设计工况相同时，流量计的示值与实际值相符（仅与差压有关），当实际工 况偏离设计工况时，实际流量还会随着温度、压力的变化而变化。例如，压力变 化 6.25％(1/16)，流量就会相差 25％，可见误差极大。因此，气体流量测量必 须进行量输入，Q01 为温度输入，Q02 为压力输入，OUT 端为温压 补偿后的输出，其算法为 CPV = GAIN • F0，其中 GAIN 的默认值为 1.00（可以 修改） ，F0 为：
Fi: Measured flowrate F0: Corrected flowrate P: Measured pressure [kPa] Pb: Reference pressure [kPa] T: Measured temperature (_℃)
19600=
(0 101)x(0+273.15) qns (0 101)x(45+273.15)
=19600/0.926=21166Nm3/h 再送至 PVI 指示模块。 经向工艺询问， 确
q
ns
认这个示值是准确的。 关于示值与配套示值不一致的问题，经查阅，配套的 FT22010 组态时参 数设置有误，将设计参数 Tb、Pb 设置为 219.426K 和 2MPa，而该一次测量元件 威牛巴（wellbar）的设计参数 Tb、Pb 分别为 273.15K(0℃)和 101.33 kPa，重新设 置并下装后，已能和尿素界区的指示相一致。 运行时若发现流量测量不准的情况，需要按要求开检修工作票，由工艺签 字后按下面步骤检查: a．检查压力变送器工作是否正常。 b．检查热电偶是否正常，检查中间接线端子是否有锈蚀的情况并作处理。 c．检查差压变送器是否正常，预计可能堵塞探头取压孔时 ,可使用 0.6MPa 的仪表空气进行吹洗。把空气引入传感器反吹,把高压孔和低压孔粘上的尘 粒吹掉 , 防止堵塞现象发生。 每次吹洗时间不超过 30 秒 , 在这段时间应
3 工程实现 对于一般的干气体或者可以近似为干气体的流量测量，可以利用 DCS 中 温压补偿模块对其进行补偿，以下以横河 CENTUM CS3000 为例，对我厂尿素 界区 CO2 压缩机入口流量 FI104 进行温压补偿。 CS3000 中温压补偿模块 The Temperature and Pressure Correction Block (TPCFL)如下图所示：
仪表的精度与设计，安装、使用一系列环节密切相关，FT104 的一次元件为 威牛巴（wellbar） ，安装时必须与管道截面的水平线垂直，前后应该有足够的直 管段， 我厂尿素界区的使用条件是前后有双弯管道而且它们不在一个平面，如果
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要求有 0.5%的精度，则上游侧直管段要有 24D 以上，下游直管段 6D 以上。压力 变送器的取压点取流量变送器前端的压力， 为了避免测温元件对差压元件的测量 造成影响，热偶或者一体化温变应安装在差压元件之后。 4 使用效果及故障排除 由于 FI104 的量程为 45000Nm3/h， 实际工况为压力 （表压） 17kPa， 温度 （摄 氏度） 19℃， 与一次测量元件威牛巴 （wellbar） 的设计参数 T（ 、 b Base Temperature） Pb（Base Pressure）差别较大，分别为 101.33 kPa 和 0℃，因此在未作温压补偿之 前，即 FF104 的指示为 26400 Nm3/h，补偿后 FI104 的指示为 19600 Nm3/h ，δ =(26400-19600)/45000=15%，可见未作温压补偿之前误差非常大。但是工艺按以 前（FI101）的操作经验，认为该示值偏小。经查，原 FI101 的设计参数为 0 kPa 和 45℃，并且未作温压补偿，也就是说如果工艺仍然按照以前工况下的流量作 参考，必须将 FI104 的示值通过 DCS 的一个 Calculation Blocks 模块，经过如下 计算：
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气体流量满足连续性方程 （2） 式中，带下标“n”的参数为标准状态下的值。由此可得到流量在两种状态 （标准状态和工作状态）下的转换式：
（3） 将式（1）代入式（3）得：
（4） 而仪表的刻度是按设计工况设计的，即：
（5） 式（4）、式（5）相除即可得到当工况偏离设计值时密度的补偿公式：
（6） 式中，带下标“s”的参数为设计值。 再根据气体状态方程
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把通向差压变送器的引压管路关闭 , 吹洗完毕再重新开启。 d． 检查三阀组平衡阀是否有漏气，用肥皂水检查三阀组和各接头是否有漏气 的现象。由于威牛巴传感器的差压较小，微小的漏气都会对测量精度造成 较大的影响。 5 结束语 在气体流量测量系统中， 普遍存在温压补偿问题，这是由气体的特性所确定 了的。因此，通过温压补偿，并做好安装，维护方面的工作，就可以大大的减少 测量误差，为企业经济核算和能源管理提供有力的依据。
参考文献： [1]. 蔡武昌，孙淮清. 流量测量方法和仪表的选用.北京:化学工业出版社，2001.4 [2]. CS 3000 Reference: Function Block Details 10th Edition : Dec.18,2003-00 [3]. ECE wellbar 威尔巴传感器 [4]. 张宝芳，张毅，曹丽 自动检测技术及仪表控制系统 化学工业出版社