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0 引言
   天然氣制氫生產(chǎn)工藝是以天然氣為原料生產(chǎn)氫氣，與水蒸汽進行重整反應(yīng)，得氫氣產(chǎn)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(guān)系著供需雙方進行公平的貿(mào)易結(jié)算，還關(guān)系到成本控制，因此整個計量系統(tǒng)受到各方的高度重視。帶溫壓補償孔板流量計在氫氣計量中的應(yīng)用
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(jīng)計算后在流量積算儀中顯示。
   兩塊孔板可根據(jù)實際生產(chǎn)需要串聯(lián)、并聯(lián)測量，但同一時刻只用一塊孔板的數(shù)值用于貿(mào)易結(jié)算。當(dāng)在運行過程中發(fā)現(xiàn)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(jù)工藝判斷查找出有流量突的一臺，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(shè)初期投入費用高一些，但是如果有偏差出現(xiàn)而未及時進行干預(yù)，會造成很大的經(jīng)濟損失。

   孔板原理如圖2 所示。根據(jù)伯努利方程，流體在管道中流動，當(dāng)接近阻攔處時，有一部分流體的勢能轉(zhuǎn)換成動能，在孔板的前入口端面壓力增加; 當(dāng)經(jīng)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(cè)產(chǎn)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(xiàn)流量大小。其基本公式如下:


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(yīng)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． 101 325 MPa) 、0 ℃( 273． 15 K) 時的流量，進行溫壓補償，公式如下:

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(shù)據(jù)類型，4 ～20 mA、1 ～5 V、歐姆、開關(guān)量和脈沖量輸入以及模擬量、開關(guān)量輸出等，還能夠?qū)崿F(xiàn)流量溫壓補償及流量的分段計量。根據(jù)合同條款規(guī)定，在程序內(nèi)設(shè)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(shù)據(jù)。
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(yīng)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(zhì)流向一致。在取壓口附近標有“+”的一端應(yīng)與流體上游管段連接，標有“－”的一端應(yīng)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(yīng)在同一軸線上。
2． 3 直管段長度
   GB / T 2624． 2-2006 表 3( 無流動調(diào)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，在本項目中，采用兩塊孔板 A 和B，由于兩塊孔板上游側(cè)存在的阻流件不同，所以直管段要求也不相同。
   根據(jù)孔板計算書得出 β 值為 0． 375 72，A 孔板的上游側(cè)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(zhì)量較差，在其上游側(cè)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(xiàn)場安裝空間有限，不能滿足 28D 的直管段要求，為了能夠?qū)崿F(xiàn)較好的流體質(zhì)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(xiàn)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(shù)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(guān)設(shè)備實時檢測所涉及的各參數(shù)，通過預(yù)設(shè)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(shù)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(yīng)用于沒有分段計量的模式，結(jié)算的依據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成 Modbus TCP/IP 后傳輸給HMI，硬件成本會相應(yīng)增加，且數(shù)據(jù)容易丟失。因此，在本項目中沒有采用多參量變送器。
3． 1 檢測元件+PLC+工控機
   檢測元件將現(xiàn)場壓力、差壓、溫度等信號送入流量計 PLC 的 AI 模塊，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，在 PLC 內(nèi)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(xiàn)，采用簡化版溫壓補償公式，有些參數(shù)并沒有在公式中體現(xiàn)，這些參數(shù)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(shù)據(jù)采集卡，由流量積算儀內(nèi)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(nèi)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(shè)置相關(guān)參數(shù)，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?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)分段計量所產(chǎn)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(xiàn)的，也避免了在 PLC 上編程，工控機上顯示時兩設(shè)備時鐘不同步造成數(shù)據(jù)有差異的問題。隨著自動化技術(shù)快速發(fā)展，流量積算儀的功能也日益增強，除了能夠?qū)崿F(xiàn)流量的相關(guān)數(shù)據(jù)處理外，還能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的控制功能，適用于需要計量且控制回路不多的現(xiàn)場。
4 雙孔板偏差計算

如圖4 所示為孔板運行曲線，12 h 內(nèi)平均偏差為50．25Nm3，由此可以推算出一年的偏差約為440 190 Nm3。
由圖 4 可以看出如果兩塊孔板偏差高出實際生產(chǎn)需求值時，會造成很大的經(jīng)濟損失，需要及時查找原因，解決問題 。
圖 4 流量曲線圖
5 帶溫壓補償孔板流量計的優(yōu)缺點及應(yīng)用
5． 1 帶溫壓補償孔板流量計的優(yōu)點
1) 孔板結(jié)構(gòu)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(dāng)發(fā)現(xiàn)流量偏差很大時，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題 ，避免了經(jīng)濟損失。
5． 2 帶溫壓補償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(nèi)孔銳角線來保證精度，對于腐蝕、磨損、結(jié)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(chǎn)生跑、冒、滴、漏問題，大大增加了維護工作量;
7) 帶溫壓補償孔板流量計在計量時需與客戶協(xié)商結(jié)算方法，以免引起異議;
8) 成本增加，維護量增加。
6 總結(jié)
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(shè)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，而且要非常可靠，所以雙孔板能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的目的。帶溫壓補償孔板流量計在實際應(yīng)用中并不多見，主要其成本提高而不被廣泛采用。但在貿(mào)易結(jié)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(yīng)及時分析原因，解決問題，避免造成雙方的經(jīng)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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