摘要(yao): 孔闆流(liu)量計 是(shi)流量檢(jian)測領域(yu)較爲傳(chuan)統的方(fang)法，技術(shu)成熟，應(ying)用行✉️業(ye)廣☎️泛，有(you)較高的(de)可信度(du)，由于目(mu)前制造(zao)精度的(de)提高，所(suo)以無論(lun)在計量(liang)精度、可(ke)靠性、維(wei)修護用(yong)等方面(mian)都比其(qi)他計📱量(liang)器具有(you)其自身(shen)的優勢(shi)。針對氫(qing)氣體的(de)生産工(gong)藝，氫氣(qi)計量的(de)特⛱️點，介(jie)紹雙孔(kong)闆流量(liang)計 在氫(qing)氣計量(liang)系統中(zhong)的實際(ji)應用情(qing)況，闡述(shu)了氫氣(qi)🤩計量系(xi)統中相(xiang)關儀表(biao)選型原(yuan)則，過孔(kong)闆的安(an)裝及日(ri)常維護(hu)方面㊙️，運(yun)用圖表(biao)計算分(fen)析雙孔(kong)闆在計(ji)量氫氣(qi)時的經(jing)濟🚩優勢(shi)和雙孔(kong)闆在運(yun)行🙇‍♀️中及(ji)項目前(qian)期投入(ru)上的劣(lie)勢;同時(shi)也對計(ji)量相關(guan)模👅式進(jin)行淺析(xi)，不同計(ji)量組合(he)會對計(ji)量精度(du)、穩定性(xing)及成本(ben)帶來很(hen)大的影(ying)響。
0引言(yan)
天然氣(qi)制氫生(sheng)産工藝(yi)是以天(tian)然氣爲(wei)原料生(sheng)産氫氣(qi)，與水💃🏻蒸(zheng)汽進行(hang)重整反(fan)應，得氫(qing)氣産品(pin)，然後通(tong)過管道(dao)💛輸送給(gei)客戶。氫(qing)氣相✔️比(bi)其他氣(qi)體，價格(ge)偏貴，因(yin)♌此氫氣(qi)⛱️計量的(de)💃🏻準确性(xing)不僅關(guan)✨系着供(gong)需雙方(fang)進行公(gong)平的貿(mao)易結算(suan)，還🌈關系(xi)到成🍓本(ben)控制，因(yin)此整個(ge)計量系(xi)統受到(dao)各方的(de)高度重(zhong)視。
1系統(tong)方案
如(ru)圖1所示(shi)，整個計(ji)量系統(tong)由雙孔(kong)闆、 差壓(ya)變送器(qi) 、 壓力變(bian)送器 、 熱(re)電阻 、 流(liu)量積算(suan)儀 組成(cheng)。孔闆與(yu)差壓變(bian)送器組(zu)合采集(ji)差壓信(xin)号，壓力(li)變送器(qi)采集壓(ya)力信号(hao)與熱電(dian)阻采集(ji)溫度信(xin)号組合(he)用于溫(wen)壓補償(chang)，經計算(suan)後在流(liu)量積算(suan)儀中顯(xian)示。
兩塊(kuai)孔闆可(ke)根據實(shi)際生産(chan)需要串(chuan)聯、并聯(lian)測量，但(dan)✔️同一時(shi)刻隻用(yong)一塊孔(kong)闆的數(shu)值用于(yu)貿易結(jie)算。當在(zai)運行過(guo)程中發(fa)現👄兩塊(kuai)孔闆有(you)較大的(de)偏差時(shi)，操作人(ren)員會及(ji)時查看(kan)曆史趨(qu)勢，根據(ju)工藝判(pan)斷查找(zhao)✊出有流(liu)量突變(bian)的一台(tai)，及時送(song)第三方(fang)單位進(jin)行檢♍定(ding)。
這種采(cai)用雙孔(kong)闆的計(ji)量方式(shi)，雖然在(zai)項目建(jian)設初期(qi)😍投入💰費(fei)用高一(yi)些，但是(shi)如果有(you)偏差出(chu)現而未(wei)及時進(jin)📞行幹預(yu)，會🔱造成(cheng)💔很大的(de)經濟損(sun)失。

1.1流量(liang)計選型(xing)
流量計(ji)采用EMEＲSON公(gong)司的DANIEL品(pin)牌孔闆(pan)，孔闆原(yuan)理如圖(tu)2所示。根(gen)🈲據伯🧡努(nu)利方程(cheng)，流體在(zai)管道中(zhong)流動，當(dang)接近阻(zu)攔處時(shi)，有一部(bu)分流體(ti)的勢能(neng)轉換成(cheng)動能，在(zai)孔闆的(de)前入口(kou)端面壓(ya)力增加(jia);當經過(guo)節流元(yuan)♍件時，流(liu)體逐漸(jian)收縮，流(liu)速升高(gao)，壓力最(zui)小，所⛷️以(yi)在孔闆(pan)上下遊(you)兩側産(chan)生壓力(li)差，流量(liang)越大，壓(ya)差就越(yue)大，孔闆(pan)即是通(tong)🌈過測量(liang)壓差來(lai)體現流(liu)量大小(xiao)🌂。其基本(ben)公式如(ru)下:

式中(zhong):Q工爲工(gong)況下體(ti)積流量(liang)(m3/s);C爲流出(chu)系數;爲(wei)孔闆直(zhi)徑與管(guan)道内徑(jing)之比;ε爲(wei)膨脹系(xi)數，默認(ren)爲1;△P爲孔(kong)闆前後(hou)壓差(kPa);ρ1爲(wei)♌介質密(mi)度(kg/m3)

1.2溫壓(ya)補償
由(you)于氣體(ti)可以壓(ya)縮，随着(zhe)壓力、溫(wen)度的變(bian)化，體積(ji)也相應(ying)地🐆發生(sheng)💃變化，因(yin)此需将(jiang)工況下(xia)的氣體(ti)流量換(huan)算成标(biao)況下的(de)體積流(liu)量進行(hang)計量，即(ji)标準狀(zhuang)态下1個(ge)标準物(wu)理大氣(qi)壓(0.101325MPa)、0℃(273.15K)時的(de)流量，進(jin)行溫壓(ya)補償，公(gong)式如下(xia):

式中:Q實(shi)爲實際(ji)測量流(liu)量;Q設爲(wei)設計流(liu)量;P實爲(wei)實測壓(ya)力;P設爲(wei)設計壓(ya)力;T實爲(wei)實測溫(wen)度;T設爲(wei)設計溫(wen)度。
1.3流量(liang)積算儀(yi)
流量積(ji)算儀采(cai)用浙大(da)中控的(de)U6-200，IO模塊能(neng)夠處理(li)多種數(shu)據☁️類型(xing)❤️，4～20mA、1～5V、歐姆、開(kai)關量和(he)脈沖量(liang)輸入以(yi)及模拟(ni)量、開關(guan)量輸出(chu)等，還能(neng)🔴夠實💋現(xian)流量溫(wen)壓補償(chang)及流量(liang)的分段(duan)計量。根(gen)據合同(tong)條款規(gui)定，在程(cheng)序内設(she)置流💋量(liang)分段值(zhi)，可自動(dong)生成日(ri)報表、月(yue)報表。操(cao)作人員(yuan)隻需要(yao)選擇要(yao)打印的(de)報表日(ri)期，及日(ri)報或月(yue)報即可(ke)，不能人(ren)爲進行(hang)🏃🏻修改任(ren)何數據(ju)。
2雙孔闆(pan)安裝和(he)使用
儀(yi)表的安(an)裝是儀(yi)表運行(hang)的重要(yao)部分，孔(kong)闆對安(an)裝的要(yao)求尤其(qi)高，它直(zhi)接影響(xiang)計量的(de)誤差。雙(shuang)孔闆的(de)安裝🈲與(yu)單個孔(kong)闆相比(bi)，要求更(geng)加嚴格(ge)。
2.1孔闆安(an)裝方向(xiang)
孔闆上(shang)下端面(mian)裝反，流(liu)量會比(bi)實際流(liu)量低，在(zai)安裝初(chu)期應檢(jian)查管道(dao)流向，在(zai)孔闆上(shang)也有箭(jian)頭标識(shi)，箭🙇🏻頭的(de)方向⭐要(yao)與介質(zhi)流向一(yi)緻。在取(qu)壓口附(fu)近标有(you)“+”的一端(duan)應與流(liu)體上遊(you)管段連(lian)接，标有(you)“－”的一端(duan)應與流(liu)體下遊(you)管段連(lian)接。
2.2中心(xin)線
孔闆(pan)的中心(xin)、法蘭中(zhong)心、管道(dao)中心應(ying)在同一(yi)軸線上(shang)。
2.3直管段(duan)長度
GB/T2624.2-2006表(biao)3(無流動(dong)調整器(qi)情況下(xia)孔闆與(yu)管徑之(zhi)間所需(xu)的直管(guan)段)中對(dui)💔不同情(qing)況下孔(kong)闆直管(guan)段做了(le)詳細分(fen)♋類，采用(yong)兩🚶‍♀️塊孔(kong)闆A和B，由(you)于兩塊(kuai)孔闆上(shang)遊側存(cun)在的阻(zu)流件不(bu)同，所以(yi)直管段(duan)要求也(ye)不相同(tong)。
根據孔(kong)闆計算(suan)書得出(chu)β值爲0.37572，A孔(kong)闆的上(shang)遊側爲(wei)一個全(quan)孔球閥(fa)和一個(ge)三通，需(xu)要12D的直(zhi)管段;B孔(kong)闆的流(liu)體質量(liang)👨‍❤️‍👨較差，在(zai)其上遊(you)側有一(yi)個截止(zhi)閥和一(yi)個90°彎頭(tou)，一個三(san)通，共需(xu)✊要28D的直(zhi)管段。
由(you)于現場(chang)安裝空(kong)間有限(xian)，不能滿(man)足28D的直(zhi)管段要(yao)求，爲了(le)🐅能夠實(shi)現較好(hao)的流體(ti)質量，使(shi)測量滿(man)足精度(du)要求🐕，因(yin)此在孔(kong)闆前面(mian)采💋用整(zheng)流器。整(zheng)流器安(an)裝如圖(tu)3所示，采(cai)用DANIEL整流(liu)器後，直(zhi)管段要(yao)求從28D變(bian)成17D，解決(jue)了現場(chang)安裝空(kong)間不足(zu)的問題(ti)。

3計量系(xi)統模式(shi)選擇
雙(shuang)孔闆計(ji)量與單(dan)孔闆計(ji)量的不(bu)同是選(xuan)擇的檢(jian)測✍️元⛹🏻‍♀️件(jian)數量增(zeng)加一倍(bei)，所以除(chu)了需要(yao)滿足精(jing)度要求(qiu)外，成本(ben)及第三(san)方鑒定(ding)也是需(xu)要着重(zhong)考慮的(de)問題。
計(ji)量系統(tong)的整個(ge)環節沒(mei)有人工(gong)參與，僅(jin)僅是利(li)用變送(song)器、熱電(dian)阻等相(xiang)關設備(bei)實時檢(jian)測所涉(she)及的各(ge)👄參數♍，通(tong)過預設(she)在流量(liang)積算儀(yi)軟件的(de)公式或(huo)在PLC中編(bian)程來㊙️計(ji)算流量(liang)。随着技(ji)術的發(fa)展，差壓(ya)流量計(ji)的計量(liang)方法衆(zhong)多，主要(yao)可分爲(wei)以下兩(liang)種模🈚式(shi):檢測元(yuan)🤩件+PLC+HMI，檢測(ce)元件+流(liu)量積算(suan)儀+工控(kong)機。
檢測(ce)元件可(ke)以分爲(wei)多參量(liang)智能變(bian)送器與(yu)單參變(bian)送器。多(duo)♻️參量變(bian)送器通(tong)過一個(ge)檢測器(qi)将溫度(du)，壓力，差(cha)壓同時(shi)檢測，并(bing)在表頭(tou)進行顯(xian)示。一般(ban)應用于(yu)沒有分(fen)段計量(liang)的模式(shi)，結算的(de)依據僅(jin)僅👄是流(liu)量的累(lei)⛷️積值，每(mei)月約定(ding)某一時(shi)間甲乙(yi)雙方共(gong)同讀取(qu)數值。優(you)點是第(di)三方鑒(jian)定簡單(dan)方便，變(bian)送器可(ke)以單獨(du)校🐅驗，也(ye)可以随(sui)流✍️量計(ji)一起校(xiao)驗;缺點(dian)是變送(song)器本身(shen)沒有存(cun)儲🔞數據(ju)的功能(neng)，數據則(ze)需要送(song)到HMI中進(jin)行存📞儲(chu)，而且累(lei)積流量(liang)需🛀🏻要将(jiang)通信協(xie)議由Modbus485轉(zhuan)換成ModbusTCP/IP後(hou)傳輸給(gei)HMI，硬件成(cheng)本會相(xiang)應🔴增加(jia)，且數據(ju)容易丢(diu)失。
3.1檢測(ce)元件+PLC+工(gong)控機
檢(jian)測元件(jian)将現場(chang)壓力、差(cha)壓、溫度(du)等信号(hao)送入流(liu)量計PLC的(de)AI模塊，通(tong)過數據(ju)轉換後(hou)，在PLC内進(jin)行編程(cheng)後計算(suan)出氫氣(qi)瞬⛱️時流(liu)量、累🤞積(ji)流量，再(zai)通過HMI進(jin)行顯示(shi)。
這種計(ji)量方式(shi)是屬于(yu)目前普(pu)遍采用(yong)的模式(shi)，由于溫(wen)壓補償(chang)是由人(ren)工在PLC中(zhong)編程實(shi)現，采用(yong)簡化版(ban)溫壓補(bu)🐇償公🈚式(shi)，有♉些參(can)數并沒(mei)有在公(gong)式中體(ti)現，這些(xie)參數會(hui)對計量(liang)精度有(you)一些影(ying)響。這種(zhong)模式采(cai)用硬件(jian)較多，人(ren)工參與(yu)度較大(da)，可靠性(xing)相對較(jiao)差，信任(ren)度較低(di);并且計(ji)量系統(tong)需要第(di)三方進(jin)行🌈鑒定(ding)。
3.2檢測元(yuan)件+流量(liang)積算儀(yi)+工控機(ji)
檢測元(yuan)件采集(ji)到壓力(li)、差壓、溫(wen)度後，輸(shu)入到流(liu)量積算(suan)儀數據(ju)采集卡(ka)，由流量(liang)積算儀(yi)内部軟(ruan)件進行(hang)溫壓補(bu)償後，計(ji)算得出(chu)氫氣的(de)瞬時流(liu)量、累積(ji)流量等(deng)信号。
流(liu)量積算(suan)儀的計(ji)算軟件(jian)是固化(hua)在其CPU中(zhong)，内部程(cheng)序無法(fa)🙇‍♀️人㊙️工更(geng)改，操作(zuo)人員隻(zhi)需在其(qi)自帶的(de)觸摸屏(ping)上設置(zhi)相關參(can)數，操🌍作(zuo)簡單方(fang)便。在流(liu)量計算(suan)時，會👄比(bi)在PLC人工(gong)開發程(cheng)序精度(du)高很多(duo)，整個系(xi)統的可(ke)靠性也(ye)提高很(hen)多。
采用(yong)流量積(ji)算儀的(de)優點在(zai)于它除(chu)了能夠(gou)進行流(liu)量計算(suan)、溫壓補(bu)償以外(wai)，還能夠(gou)實現流(liu)量的分(fen)段計量(liang)，自動生(sheng)成日報(bao)表、月報(bao)☔表，減少(shao)了在工(gong)控機上(shang)人工編(bian)程實現(xian)分段計(ji)量所産(chan)生的誤(wu)差。與傳(chuan)統的計(ji)量模式(shi)相比較(jiao)，流量計(ji)算及報(bao)表的生(sheng)成♋都是(shi)在流量(liang)積算儀(yi)上✂️實現(xian)的，也避(bi)✔️免了在(zai)PLC上編程(cheng)，工控機(ji)上顯示(shi)時兩設(she)備時鍾(zhong)不同步(bu)造♈成數(shu)據有差(cha)異的問(wen)題。
随着(zhe)自動化(hua)技術快(kuai)速發展(zhan)，流量積(ji)算儀的(de)功能也(ye)日益增(zeng)強🚶‍♀️，除了(le)能夠實(shi)現流量(liang)的相關(guan)數據處(chu)理外，還(hai)能夠實(shi)🌈現簡♊單(dan)的控制(zhi)功能，适(shi)用于需(xu)要計量(liang)且控制(zhi)回路不(bu)多的現(xian)場。
4雙孔(kong)闆偏差(cha)計算
如(ru)圖4所示(shi)爲孔闆(pan)運行曲(qu)線，12h内平(ping)均偏差(cha)爲50.25Nm3，由此(ci)可以推(tui)算出一(yi)年的偏(pian)差約爲(wei)440190Nm3。
由圖4可(ke)以看出(chu)如果兩(liang)塊孔闆(pan)偏差高(gao)出實際(ji)生産需(xu)♋求值時(shi)，會造成(cheng)很大的(de)經濟損(sun)失，需要(yao)及時查(cha)找原因(yin)，解決問(wen)題。

5雙孔(kong)闆流量(liang)計的優(you)缺點及(ji)應用
5.1雙(shuang)孔闆流(liu)量計的(de)優點
1)孔(kong)闆結構(gou)簡單;
2)孔(kong)闆屬于(yu)标準節(jie)流裝置(zhi)，得到國(guo)際組織(zhi)的認可(ke)，可以采(cai)⁉️用幾何(he)測量法(fa)，不需要(yao)實流标(biao)定;
3)孔闆(pan)的壓損(sun)相對較(jiao)小;
4)可以(yi)與不同(tong)廠家的(de)變送器(qi)配合使(shi)用;
5)兩塊(kuai)孔闆的(de)優點在(zai)于當發(fa)現流量(liang)偏差很(hen)大時，能(neng)🚩夠🏃🏻及時(shi)發現問(wen)題，避免(mian)了經濟(ji)損失。
5.2雙(shuang)孔闆流(liu)量計的(de)存在的(de)問題
1)孔(kong)闆的精(jing)度在流(liu)量計中(zhong)屬于中(zhong)等水平(ping)，很多因(yin)素都⭐能(neng)影響其(qi)精度，在(zai)流量小(xiao)于其量(liang)程30%時，尤(you)爲突出(chu);
2)壓力損(sun)失大;
3)測(ce)量範圍(wei)窄，量程(cheng)比小;
4)有(you)較長的(de)直管段(duan)長度要(yao)求，要求(qiu)安裝有(you)足夠的(de)空間;
5)孔(kong)闆以内(nei)孔銳角(jiao)線來保(bao)證精度(du)，對于腐(fu)蝕、磨損(sun)、結垢、髒(zang)污📱敏☎️感(gan)，長期使(shi)用精度(du)難以保(bao)證，需每(mei)年拆下(xia)強檢一(yi)次;
6)采用(yong)法蘭連(lian)接，易産(chan)生跑、冒(mao)、滴、漏問(wen)題，大大(da)增加了(le)維👈護工(gong)作量🌂;
7)雙(shuang)孔闆流(liu)量計在(zai)計量時(shi)需與客(ke)戶協商(shang)結算方(fang)法，以免(mian)引起異(yi)議;
8)成本(ben)增加，維(wei)護量增(zeng)加。
6總結(jie)
由于計(ji)量站一(yi)般爲無(wu)人值守(shou)站，日常(chang)維護帶(dai)來一🛀定(ding)的難度(du)🤩，所以在(zai)設計計(ji)量方案(an)時要充(chong)分考慮(lü)操作、維(wei)護的簡(jian)要性，操(cao)作簡單(dan)，維護方(fang)便，而且(qie)要非常(chang)可靠，所(suo)㊙️以雙孔(kong)闆能夠(gou)實現這(zhe)樣的目(mu)🏃的。
雙孔(kong)闆流量(liang)計在實(shi)際應用(yong)中并不(bu)多見，主(zhu)要其成(cheng)本提高(gao)而不被(bei)廣泛采(cai)用。但在(zai)貿易結(jie)算中，最(zui)重要的(de)一條原(yuan)則就是(shi)保證計(ji)🐪量精度(du)，無論偏(pian)差是正(zheng)值還是(shi)負值，對(dui)買賣雙(shuang)方來說(shuo)都是不(bu)公🌈平的(de)，所以兩(liang)塊孔闆(pan)偏差較(jiao)大時，應(ying)及時分(fen)析原因(yin)，解決問(wen)題，避免(mian)造成雙(shuang)方的經(jing)濟損失(shi)。雖然一(yi)次性投(tou)入成本(ben)較高，但(dan)從長期(qi)㊙️、穩定的(de)運行角(jiao)度來考(kao)慮，會比(bi)單孔闆(pan)更有效(xiao)率。

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