自1989质量流量计成功地应用于齐鲁石化股份有限公司烯烃厂和第二化肥厂以来,经过不断地摸索与实践,从与公司外部的贸易交接计量,到内部厂际之间以及车间工艺控制的物料计量,从液体应用到气体应用,质量流量计已经成为该公司高价值流体计量的重要手段。目前主要使用MicroMotion,E+H, Yokogawa, Schlumberger等厂家生产的不同型号的质量流量计。
气体计量是计量工作中的难点。由于气体物料存在密度小、粘度低、受温度和压力影响大等特点,利用传统流量仪表很难达到高精度计量。
在齐鲁石化股份有限公司烯烃厂,乙烯气计量采用涡街流量计,由于下游装置乙烯用量不稳定,流量、压力波动大,造成计量数据失准。乙烯装置的产量没有正确地计量出来,下游生产装置反映计量数据不符合生产实际。1991年,在各质量流量计生产厂家没有宣称可以应用于气体计量以前,该厂试探性地更换成两台Micro Motion公司的DH300流量计,计量数据与工艺平衡数据吻合程度远比原始设计的涡街流量计好,该类型流量计计量气体得到了供收双方生产技术人员的肯定。1994年,流量计升级更换为该公司新开发的更适合气体计量的CMF300,到目前使用情况良好。
在应用质量流量计计量乙烯气体取得成功后,质量流量计的气体测量逐渐扩展到氢气、氧气、千气等,均达到了预期的效果。
1.检测的基本原理与选型
质量流量计依据科里奥利原理,即δFc=2ωVδm。其中δFc为科氏力;V为流速;ω为角速度;m为质量。科氏力的大小可以检测因科氏力作用发生形变产生的相位差。这种检测要求有一定的分辨率。如果质量流量太小,仪表就可能无法检测到由科氏力产生的相位差。与液体不同,由于气体密度小,只有提高流速,才能满足仪表分辨率所要求的质量流量。
目前电子技术的发展几乎是全球同步,相信各家在电路检测方面不会有太大差异。在测量管结构上,应当说在测量的质量相同时能产生形变较大的质量流量计,在灵敏度方面占有较大的优势。如果对摆长不同的两个单摆施加相同的力,则摆长更长的摆会有更大的摆幅。同样道理,在相同大小的科氏力作用下,测量管径向距离越长的结构其形变越大。根据Micro Motion公司提供的数据,U形测量管的ZUI大振幅可以达到0.8mm而直管的ZUI大振幅只能达到0.1mm。在电子部件检测能力相同的情况下,形变大的结构将提高系统的灵敏度。U形测量管在ZUI大流量时的相位差可以达到60uS,而直管在ZUI大流量时的相位差为12uS。这种结构相当于在系统中设计了一个机械的放大器,可以让电子部件检测到更小的科氏力效应,也就能检测到更小的质量流量。但是,任何事物都是分为二的。既然它的测量管径向距离长、形变大,同时也就存在着容易受到外界因素的干扰、零点更容易漂移等缺点。由于气体的特性限制,测量气体的质量流量计的测量管结构应该以灵敏度大的为宜。
2.高流速问题
在气体计量仪表选型过程中,生产厂家所提供的计算书显示,在达到额定精度时的测量管内气体流速都非常高,一般是10²m/s,甚至为10³m/s,一些资料显示,质量流量计气体限速170m/s。对于如此高的流速,实际使用时一直有所保留,担心流速太高产生危险。为此,曾经要求生产厂家对此作出过书面的承诺。
高流速是指发生在测量管内的局部的流速变化。管道流经流量计时流通口径变小,流体会在流量计的入口速率变大,在出口会由于口径变大而恢复到原来的正常流速。由于流体本身是气体,不存在液体由于流速和压力的变化而产生质量流量计所应当避免的汽化问题,因此只要产生的压损可以接受,那么该速率的变化就不会对操作过程产生影响。
流速的增加,加大了信号噪声。为了单纯的计量而提高流速是设计部门所不允许的,首先有管道材质和流体性质决定的流速上限,其次有流量计本身因流道减小造成流速的提高影响流量计的计量。虽然Micro Motion公司在其产品介绍上有E,R,F型传感器+MVD没有流速限制,但在实际工作中需要在满足计量准确度的前提下尽量选择口径较大的流量计以降低流速,以保证安全并降低因高流速而产生的噪声。烯烃厂计量中心对于高流速采取了谨慎的态度。氢气流量在2t/h左右,选用的是Micro Motion公司CMP300流量计,按照流量、压降的要求,可选CMF200流量计,流速为299m/s,CMF300流量计流速为108m/s。选用CMF30O流量计主要目的就是在保证正常计量精度的前提下,降低氢气的流速防止常年流速过高出现不可预见的后果。
3.质量流量计的标定
AGA11#报告中明确指出,克里奥利流量计标定时使用液体而不是使用气体,主要原因是液体标定的成本低廉。使用液体标定而应用于气体计量具有相同的性能指标。也就是说,应用于气体测量的克里奥利流量计可以用常见的标定液体的装置来标定。这就为质量流量计应用于气体计量提供了很大方便。图1为Micro Motion公司提供的水标定与乙烯气标定结果对比。
4.操作条件的影响
4.1操作温度的影响
日常计量工作中对气体温度的影响很容易忽略。当温度发生变化时,质量流量计传感器测量管的刚性会发生变化。这种刚性与温度的变化存在一定的函数关系,因此可以被修正。每台质量流量计都内置了Pt100进行测量管温度的检测,目的就在于补偿由温度变化而引起的影响。
当操作温度相对于仪表调零时的温度相差较大时,必须考虑质量流量计加工过程中几何机构上的不完全对称对仪表的零点稳定性的影响。为尽可能消除这种影响,需对质量流量计在操作温度下进行调零。
4.2操作压力的影响
齐鲁石化炼油厂计量中心早在1991年应用DS300型质量流量计计量烯烃厂的物料时,发现罐计量数量比流量计高3%左右,经过半年的人工检尺与流量计数据的比对,厂家技术人员经现场多次确认后进行了压力系数修正。以后厂家在自己的产品样本中明确地标明其不同型号的质量流量计的温度及压力影响,并且对如何分析操作条件的影响大小及消除方法也有了比较详细的描述。由于对这个问题认识较晚,各厂家分别针对压力影响问题使用了新技术,开发了新型号的流量计,从一定程度上掩盖了这一问题。各厂家在产品介绍、新技术讲座等过程中有意或无意地回避了在实际应用中不同情况下流量计所受到的影响,致使人们忽视操作条件对计量的影响。
当操作压力上升时,测量管会变硬,产生一个负向的偏差。当操作压力下降时,测量管变软,产生个正向偏差。由于流量表标定的压力都很低,一般在0.3MPa左右,实际生产过程中实际压力较该压力低而产生的正向偏差可以忽略不计。
由于同口径质量流量计所使用的流量管相同,所以在压力影响因素中没有考虑流量计本身磅级不同对精度的影响。在一般情况下,采用流量系数修正法能解决大多数问题。但有时由于确实存在一个比较大的压力波动,比如由收方阀门控制流量,不是相同压头的泵经常互相切换使用等,这就需要考虑采用增加压力变送器以进行适时补偿。
5.调零方式的影响
与质量流量计初期应用不同,目前质量流量计零点的调整要求在正常工况下进行,简单的说,就是除了流量为零外,其它各方面都应和正常计量没有区别。这样进行零点调整以后,理论上可以消除因被测介质温度与流量计测量管温度不一致、测量管重心偏移、测量管微小的不平衡等因素的影响。
调零方式:测量管充满被测介质,流速为零。
①管道内无压力或压力很小时,关闭表前阀或关闭前后阀。②管道内有压力时,关闭表后阀。调零示意图见图2。
因为流量计基本没有工作在无压力的情况下,所以一般按②进行。在齐鲁石化股份有限公司调零时不但完全按②进行,计量表还要求安装阀组,具备旁路,旁路加装8字盲板,以方便再出现计量纠纷时,检查流量表的零点以及日常检查、修复、在线拆卸送检等工作。
值得注意的是小信号切除在零点检查和零点调整时要去除,否则观察到的零点虽然稳定,但却不能真实地反映零点。测量气体时质量流量计的精度只有0.5%,加上其它因素的影响,在实际的计量工作中,供收双方的差率很可能要比理论上的差率大很多,特别是氢气的供收差率有时超过3%,气体计量需要及时核对双方的表量,检查计量表状态和工艺状况,调整零点。经过十几年的应用,目前乙烯总的供收差率一般维持在0.4%或更少,氢气供收差率一般在0.5%~2%左右。
6.振动和应力的消除对策
由于大部分的质量流量计安装位置的局限性比较强,很多情况下无法达到远离振动源的要求,特别是管线的振动。为了减少振动对流量计精度的影响,很多资料上都提出要安装支撑进行固定,用来避免或减少振动。齐鲁石化股份有限公司的技术人员创造性地使用了可调式支架,较好地解决了振动的影响,同时还可以实现对流量计安装不规范产生的应力的消除。可调式支架示意图见图3。支架可调部分示意图见图4。
安装应力从开始安装前就可以尽量避免,避免的主要方式有:(1)安装时仪表技术人员必须在场通过目测基本确认应力是否存在;(2)使用技术熟练的、懂得质量流量计特性的队伍进行施工;(3)首先做好短节连接完表体后整体安装;(4)固定支架牢固;(5)增加柔性管等。
安装完成后,用手操器进行调零测试(仅限于9739),如果STD,DEV值较小,就可以认为安装良好,否则就需要使用可调式支架进行调节。此外,工艺管道在使用一段时间以后,由于各种原因也会发生形变,此时,也可以使用可调支架进行调整,以消除应力的影响。
7.结论
采用质量流量计进行管输气体的计量有很多常规计量表不可比拟的优点。质量流量计的技术在不断发展,质量流量计的应用更是一个不断实践、不断发现问题、解决问题的学习过程。在实际应用中要找出影响质量流量计的因素,并采取相应的措施加以消除,使质量流量计的应用水平再上一个新台阶。