摘要：某冶煉企業(yè)每年用氧氣量約4億立方米，流量計量稍有偏差，每年可能造成上百萬的損失。故對幾種可應(yīng)用于大口徑管道氣體流量計進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)平衡流量計有良好的正確率和穩(wěn)定性，項目最終采用了平衡流量計作為貿(mào)易計量器具。
國內(nèi)冶煉企業(yè)配套空分項目大多是企業(yè)內(nèi)部運(yùn)營管理。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展和人力物力成本的上升，冶煉企業(yè)越來越傾向于將制氧系統(tǒng)通過BOO(Building-Owning-Operation)的方式交給專業(yè)團(tuán)隊來建設(shè)運(yùn)營，再通過購買氣體的方式獲得氧氣，這就涉及到供氣方與用氣方之間的貿(mào)易計量。企業(yè)正常生產(chǎn)時對純度為99．6%的高純氧需量為47000Nm3/h，最大需量為54000Nm3/h，最小需量為10000Nm3/h，氧氣輸送管道通徑達(dá)1200mm。通過對杭氧等國內(nèi)空分廠家調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其計量儀表多采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，少量采用巴類等均速管流量計。而法國液化空氣、德國林德等國外廠家中熱式氣體質(zhì)量流量計也廣泛使用，并開始嘗試使用新型平衡流量計用于貿(mào)易結(jié)算。
雖然巴類流量計采用的子彈頭截面?zhèn)鞲衅�，實驗室測量精度提高到0．72%，但工業(yè)現(xiàn)場影響其測量精度的因素過多，此處只對標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、熱式氣體質(zhì)量流量計和平衡流量計進(jìn)行比較。
1流量計的特點(diǎn)
1．1標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計是一種廣泛使用的流量計，孔板的特征尺寸和加工工藝按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624．2-2006執(zhí)行，檢定按JJG640-2016執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的優(yōu)點(diǎn)是制造簡單，一般不需要實流標(biāo)定就可直接投入使用。缺點(diǎn)較多，標(biāo)準(zhǔn)孔板有一個銳角，長期使用存在“銳角磨損”問題，測量精度隨時間推移越來越低。其次計量院對標(biāo)準(zhǔn)孔板一般采用物理檢定，也就是測量幾何尺寸和銳角偏差，有特殊要求時才用水進(jìn)行實流檢定，測量誤差在±(1%～5%)之間。同時標(biāo)準(zhǔn)孔板壓損大，量程比小(為3∶1)，安裝要求直管段滿足前10D后5D［1］。
盡管標(biāo)準(zhǔn)孔板有如此多的缺點(diǎn)，但其制造、檢定過程均按國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，故在貿(mào)易計量中仍被大量使用。要求量程比至少達(dá)到6∶1，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計無法滿足使用要求。
1．2熱式氣體質(zhì)量流量計
熱式氣體質(zhì)量流量計是基于金氏定律的一種插入式流量計，適合大管道流體測量，F(xiàn)CI、Sierra、Kurz這3個品牌的熱式氣體質(zhì)量流量計已有幾十年的歷史。熱式氣體質(zhì)量流量計理論模型為:
H=ΔTCpM(1)
式中
Cp———定壓比熱容，與氣體種類有關(guān);
H———加熱電功率;
M———質(zhì)量流量;
ΔT———兩個探頭的溫差。
式(1)可以引出兩種類型的產(chǎn)品:恒溫差型和恒功率型。兩類傳感器都由兩個并排的熱電阻組成，其中一個普通熱電阻測量管道內(nèi)氣體的溫度，另一個熱電阻帶加熱絲由電流進(jìn)行加熱，當(dāng)氣體流經(jīng)熱電阻，就會有冷卻效應(yīng)帶走熱量。由式(1)可知，對于恒溫差型流量計溫差ΔT恒定，當(dāng)質(zhì)量流量M增加時，冷卻效應(yīng)就增加，為保持兩個熱電阻的溫差恒定所需的加熱功率H增加，而加在加熱電阻上的功率H與質(zhì)量流量M成正比，測量功率H的大小可以計算出流過管道的氣體質(zhì)量。對于恒功率型，加在加熱電阻上的功率H始終保持恒定，在介質(zhì)靜止時溫差最大，隨著介質(zhì)流動溫差減小，溫差ΔT與質(zhì)量流量M成反比，通過測量溫差的變化來獲取流量的變化［2］。恒溫差型響應(yīng)速度快，在流速低到0．1Nm/s時都能保持很好的線性，隨著速度增大，精度降低。而恒功率型適合高速介質(zhì)，流速高達(dá)400Nm/s以上還可測量，但兩種類型的熱式流量計對于導(dǎo)熱性極好的氫氣等介質(zhì)都不適用。
熱式氣體質(zhì)量流量計測量的是質(zhì)量流量，無需溫壓補(bǔ)償，響應(yīng)快［3］，高性能型號實驗室測量誤差為±0．1%ＲS±0．5%FS，在要求高精度時多采用網(wǎng)格法來確認(rèn)安裝的最佳插入深度，同時可在管道同一截面不同位置安裝多支傳感器取平均值作為最終流體流量，現(xiàn)在FCI某系列的流量計上帶有2～3對傳感器。
1．3平衡流量計
A+K平衡流量計最早是NASA針對航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)液氧測量而發(fā)明的一種流量計。它相當(dāng)于一個帶整流器的多孔孔板，每個孔的尺寸和分布基于獨(dú)特的公式和測試數(shù)據(jù)定制，數(shù)量一般為4～26個，開孔數(shù)量、分布及大小等參數(shù)都在美國計算，國內(nèi)按照計算結(jié)果加工制作。當(dāng)流體從多個孔中流過時，渦流明顯減少，形成的是平衡穩(wěn)定的流場，通過取壓裝置可獲得穩(wěn)定的壓差信號，根據(jù)伯努利方程計算出體積流量，溫壓補(bǔ)償后得到最終流量。常規(guī)量程比為10∶1～7∶1，最大可以做到30∶1，無銳角，可雙向測量，永久壓力損失為標(biāo)準(zhǔn)孔板的1/3～1/2，由于降低了渦流、振動和信號噪聲，流場穩(wěn)定，測量精度比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計高5～10倍，穩(wěn)定性更好［4］。缺點(diǎn)是為非標(biāo)產(chǎn)品。為保證現(xiàn)場測量精度和便于計量院檢定，一般采用管道式平衡流量計，質(zhì)量大，安裝運(yùn)輸不方便。
2流量計檢定
2．1標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的檢定在第1．1節(jié)已提及，此處不再贅述。
2．2熱式氣體質(zhì)量流量計
熱式氣體質(zhì)量流量計出廠時要進(jìn)行實溫實壓實流標(biāo)定，可溯源到NIST。目前只有美國本土有實流標(biāo)定實驗室。在國內(nèi)省級計量院一般進(jìn)行N2、O2、CO及NO等接近理想氣體雙原子氣體檢定時，不進(jìn)行實流檢定，而是直接用空氣作為介質(zhì)，根據(jù)下式進(jìn)行計算:
H=ΔTCpM=ΔTCpρVt(2)
式中
t———時間;
V———流速;
ρ———密度。
根據(jù)式(2)可知測量出某一時間段t內(nèi)管道的空氣平均流速V，得到空氣的質(zhì)量流量，再通過空氣和氧氣定壓比熱容關(guān)系換算為氧氣的質(zhì)量流量。轉(zhuǎn)換過程中一般有±1%ＲS±1%FS的誤差。
2．3平衡流量計
平衡流量計不是標(biāo)準(zhǔn)件，使用前需要送至計量院對測量精度和重復(fù)性進(jìn)行檢定，流通介質(zhì)為水，送檢前設(shè)備廠家會以氧氣和水的雷諾數(shù)為橋梁出一份介質(zhì)為水的計算書，給計量院作為參考。為避免安裝過程對測量精度造成過大干擾，選用管道式平衡流量計，通徑1200mm，在東南地區(qū)能實流檢定1000mm以上孔板的計量院僅有開封市的國家水大流量計量站和常州市計量測試技術(shù)研究所，而且檢定周期長。
檢定過程遵照J(rèn)JG640-2016［5］采用標(biāo)定流出系數(shù)的方法，流出系數(shù)公式為:
式中
Cij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測的流出系數(shù)值;
D———管道內(nèi)徑，mm;m———節(jié)流面積比;
(qs)ij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測標(biāo)準(zhǔn)流量值，m3/h;
Δpij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測標(biāo)準(zhǔn)壓差值，kPa;
ρ1———水的密度，kg/m3。
根據(jù)式(3)可知，只要測出第i檢定點(diǎn)第j次標(biāo)準(zhǔn)流量值和第i檢定點(diǎn)第j次壓差值就可得到流出系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)流量值可通過標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計讀出，壓差值可通過平衡流量計上安裝的標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器讀出。檢定過程中選取Qmax、3/4Qmax、1/2Qmax、1/4Qmax、Qmin共計5個點(diǎn)，每個點(diǎn)測量4次。標(biāo)準(zhǔn)流量值和壓差值由計算機(jī)系統(tǒng)自動采集，得到平衡流量計的Cij。
各檢測點(diǎn)流出系數(shù)Ci為:
3對比結(jié)論
從功能特點(diǎn)對比3種類型的流量計可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計為標(biāo)準(zhǔn)件，精度不高、重復(fù)性差、價格低，量程比3∶1，不能滿足目的要求。熱式氣體質(zhì)量流量計量程比可達(dá)100∶1，直接測量氣體質(zhì)量流量，無需溫壓補(bǔ)償，但是對測量氣體組分要求較高，氣體內(nèi)不能含水，且組分不能有變化，否則會嚴(yán)重影響測量精度。同時直管段要求較高，一般為前20D后5D，對于前方有兩個不同向的彎頭時，要求前50D后5D。A+K平衡流量計基于壓差測量流量原理，可靠性高，量程比在10∶1左右，重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好，所需前后直管段短(前2D后2D)，永久壓損較低，節(jié)約能源。但需要溫壓補(bǔ)償，計量精度為整個系統(tǒng)的精度，價格也隨管徑的增大而增大，大管徑流量計價格更是成倍增加。
從檢定角度對比，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計一般進(jìn)行幾何檢定，可信度低。熱式氣體質(zhì)量流量計省級計量院可用標(biāo)流速的方法進(jìn)行檢定，拆下檢修或標(biāo)定期間可不停氣，不影響生產(chǎn)，但是計量院檢定誤差較大。A+K平衡流量計需通水進(jìn)行檢定，檢定結(jié)論可信度高，但大管徑流量計檢定比較困難，東南地區(qū)僅兩家計量院可檢定。綜上所述，除檢定困難以外，A+K平衡流量計更能滿足企業(yè)對計量準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性的需求，加上檢定周期為兩年甚至更長，不需要頻繁檢定。
4結(jié)束語
兩套同批次同類型的平衡流量計分別安裝在供氣方和用氣方廠區(qū)交界處，計量院檢定結(jié)果顯示，其中一套平衡流量計精確度為±0．6031%，另一套精度為±0．5538%，重復(fù)性均優(yōu)于0．01%。實際運(yùn)行過程中，兩套流量計最大示值偏差遠(yuǎn)低于1%，優(yōu)于合同中商定的允許最大3%的偏差。
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