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辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司 辽宁省阜新市 123000
摘要：现代工业生产中经常会碰到大量程比流量测量的问题，受管道口径，使用温度和压力等工艺参数的影响，这时流量计的选型会有困难，本文比较了几种大量程比流量计的特点和应用场合，主要介绍了国内某大型项目中采用孔板配置双变送器分段测大量程比流量的方法。
关键词：大量程比；流量计；孔板；双变送器
量程比是最大测量范围和最小测量范围之比。通常情况下工艺专业是按最小流量是正常流量的一半，最大流量是正常流量的1.2-1.5倍来考虑，这种提法主要是考虑正常生产阶段，以测量正常生产流量为主要目的，在这种情况下，我们选择流量计的量程比在3：1～4：1之间，选择的余地较大，仅从量程比来考虑的话，几乎所有的流量计都可以测量。但是工业生产中经常会碰到大量程比的流量测量问题，比如需要考虑到开车时的工况，并且开车时的流量需要准确测量时，因为开车时的流量都较小，需要测量的量程比就比较大，一般可到10：1或者10：1以上。最常用的标准孔板，文丘里管等都达不到这样的测量要求
一、差压法测流量原理
充满管道的流体在流经管道内的节流装置时，流束将在节流处收缩，使流速增加，静压降低，在孔板前后产生了静压差。流体的流速越大，压差也越大，根据差压与流量之间的这种关系，可以用孔板来测量流体的流量。
根据标准ISO5167-1和GB/T2624-93的规定，流体流量与差压的关系由下式确定：
从公式中可知，流量与流出系数C，开孔比，膨胀系数，差压，密度等量有关，差压类流量计的量程比也和这些参数有关
ReD为管道雷诺数
由上述公式可知，在孔板的开孔值确定的前提下，影响流量的参数有流出系数、膨胀系数、密度、差压值。
1、与流体的压缩性能有关，对于不可压缩流体， =1，对低速气体，可以近似认为≈1，但当气体马赫数Ma大于0.3时，必须要考虑流体的压缩性，可由相关图查取；
2、在使用差压计时，通常都认为流量系数C是不变的。其实，C不变，是有一定条件的，即当流体的雷诺数Re大于一个临界值时，C不变，否则，C会随Re的减小而增加，这样，就带来了计算误差，即未能考虑实际Re下的C。Ca除与Re有关外，还与开孔比有关。
3、差压值与流量关系为平方关系，当流量发生变化时差压将以平方的关系发生相应变化。这里因为差压和流量的平方成比例，流量比低于30%时，精度就不能保证，另外，流量低于30%时，雷诺数往往低于界限雷诺数，流量系数C不是常数，造成流量测量不准。
由以上的分析我们就可以看出，当所测量最小流量为最大流量的1/10时，差压值就只有刻度差压值的1/100，在此时差压变送器所测得的差压值已经很小了，小流量下误差会放大几倍甚至十几倍，这也是差压变送器为什么要做小信号切除的原因。这时，单纯地用差压流量计要准确测量已经很困难。
二、测大量程比流量的流量仪表
测量大量程比的流量，规范中罗列了以下这几种可供选择选用流量仪表，下面分别介绍各自的特点和应用场合：
1.涡街流量计：规范中对量程比没有要求，可以测量大量程比的流量，但一些厂家对量程比做了限制，一般为10：1.但可能会出现为满足最小流量下的流速要求，需要进行缩颈处理，可能会导致最大流量下流量计的压损过大，不满足工艺的要求，另外，涡街流量计一般适用于300℃以下的干净介质测量。
2.容积式流量计：量程比可达到10：1，但结构笨重，安装复杂，很少应用于大管道的流量测量中。
3.楔形流量计，量程比可达到10：1。主要特点：雷诺数下限低，应用范围广，稳定性好。一般用于粘稠介质和含少量固体的液体流量测量。
4.电磁流量计：量程比可达100：1，选择时需要计算电磁流量计的口径以保证腔体内的流速在可测范围即可。但是它只能测量满足一定导电率的液体和固液两项介质。
5.靶式流量计：量程比不大于10：1。适用于粘度 较 高，含少量固体颗粒的液体流量测量。当要求精确度不优于1 .00 %。
6.转子流量计：量程比可达到10：1，但是精度不高，需要安装在垂直管道上，使用温度不超过300℃。
三、应用实例
在测量大量程比流量时可以在合适的条件下采用以上流量仪表。但上述仪表在使用时受限制条件较多，下面结合实际工程项目中的流量计选型，介绍孔板配合双变送器测在大量程比流量测量时的应用。
某项目一台测量原料气的流量计的工艺参数如下：
介质为蒸汽
刻度流量67000kg/h；
最大流量65688kg/h；
正常流量57120 kg/h；
最小流量：5712 kg/h；
操作温度297℃，设计温度490℃；
操作压力2.96MPa（G）；设计压力3.6MPa（G）
管道口径为DN300。
因为管道口径较大，首选差压类流量计，但该工况量程比达到了12：1，如果只是显示和调节功能，可以考虑采用差压类流量计，用小信号切除法切除误差较大的小流量信号，但是该流量参与甲烷化装置的安全联锁，要求从最小流量到最大流量都需要较精确地测量。显然，如此量程比的测量首选能够测量大量程比流量的流量计，但是本文前面所列出的几种流量计从介质，温度，管径选择等方面均不能满足测量要求，只能采用差压式流量。但量程比太大，采用常规的一台孔板配置一台变送器的方法，不仅小流量下误差会放大几倍甚至十几倍，还会出现根本测不到流量的情况。
经过以上分析，该工况条件下一台变送器无法满足测量要求，该流量测量我们采用了多孔孔板配备双变送器的测量方法，采用两台变送器分段测量的方法进行实现。 双变送器测量在整个量程范围内分作两段，两段的测量上变送器都能够在流量计合适的量程比范围内进行工作，两台变送器的测量信号在控制系统上实现无缝切换，这样就实现了整个测量范围内的准确测量。
将整个流量范围分成两个流量区间段：5712-20000 kg/h，17500～67000 kg/h。
（1）量程：0～10KPa，根据计算结果选差压范围为：0～1.76 KPa，对应流量输出为：0～20000 kg/h；变送器输出标记为EF1-1。
（2）量程：0～40KPa，根据计算结果选差压范围为：0～26.0KPa，对应流量输出为：17500～67000 kg/h；变送器输出标记为EF1-2
在 DCS内对这二路信号做下述组态：
分别将大量程变送器及小量程变送器测量信号引入DCS系统，通过上位机编程实现大、小量程切换，完成流量监测及累计。自动切换可利用小量程变送器的上限电流值作为判断条件：在DCS系统中取EF1-1、EF1-2两点输出流量显示，把两变送器信号分别接入DCS系统中的EF1-1、EF1-2两点。
以小量程变送器的输入信号为切换点，EF1-1为4～20mA信号，对应的测量范围为 0～20000 kg/h；当检测到小量程变送器输入信号≤20mA时，在EF1-1点显示小量程变送器的测量流量，大量程变送器流量指示屏蔽
当检测到小量程变送器输入信号>20mA时，切换到大量程变送器，EF1-2为4～20mA信号，对应的测量范围为 17500～67000 kg/h，在EF1-2点显示大量程变送器的测量流量，小量程变送器流量指示屏蔽。
四、总结
以上量程的切换在DCS中完全可以实现，并且在大部分DCS厂家都有实现该功能的集成模块。需要注意的是，为了使两台变送器的流量显示可以实现无缝切换，在选取切换点时除了要考虑节流元件本身的量程比之外，还要保证小量程范围内的最大流量要大于达两成范围内的最小流量值，使得两个量程范围有一个交集，个人认为在量程比满足的范围内这个交集可以取得大一点，因为这样大量程变送器在小信号切除时留的余地更大，可以减少大量程变送器所对应小流量下该段测量精度的影响。
参考文献：
[1]孙淮清，王建中. 流量测量节流装置设计手册. 北京：化学工业出版社，2000：6.
[2]天然气流量计量编写组. 天然气流量计量. 北京：石油工业出版社，2001：2
[3]自动化仪表选型设计规定 HG/T 20507一2000
[4]陆德民，石油化工自动控制设计手册. 北京：化学工业出版社，1999
[5]张洪垠压力 差压变送器的应用及选型
摘要：现代工业生产中经常会碰到大量程比流量测量的问题，受管道口径，使用温度和压力等工艺参数的影响，这时流量计的选型会有困难，本文比较了几种大量程比流量计的特点和应用场合，主要介绍了国内某大型项目中采用孔板配置双变送器分段测大量程比流量的方法。
关键词：大量程比；流量计；孔板；双变送器
量程比是最大测量范围和最小测量范围之比。通常情况下工艺专业是按最小流量是正常流量的一半，最大流量是正常流量的1.2-1.5倍来考虑，这种提法主要是考虑正常生产阶段，以测量正常生产流量为主要目的，在这种情况下，我们选择流量计的量程比在3：1～4：1之间，选择的余地较大，仅从量程比来考虑的话，几乎所有的流量计都可以测量。但是工业生产中经常会碰到大量程比的流量测量问题，比如需要考虑到开车时的工况，并且开车时的流量需要准确测量时，因为开车时的流量都较小，需要测量的量程比就比较大，一般可到10：1或者10：1以上。最常用的标准孔板，文丘里管等都达不到这样的测量要求
一、差压法测流量原理
充满管道的流体在流经管道内的节流装置时，流束将在节流处收缩，使流速增加，静压降低，在孔板前后产生了静压差。流体的流速越大，压差也越大，根据差压与流量之间的这种关系，可以用孔板来测量流体的流量。
根据标准ISO5167-1和GB/T2624-93的规定，流体流量与差压的关系由下式确定：
从公式中可知，流量与流出系数C，开孔比，膨胀系数，差压，密度等量有关，差压类流量计的量程比也和这些参数有关
ReD为管道雷诺数
由上述公式可知，在孔板的开孔值确定的前提下，影响流量的参数有流出系数、膨胀系数、密度、差压值。
1、与流体的压缩性能有关，对于不可压缩流体， =1，对低速气体，可以近似认为≈1，但当气体马赫数Ma大于0.3时，必须要考虑流体的压缩性，可由相关图查取；
2、在使用差压计时，通常都认为流量系数C是不变的。其实，C不变，是有一定条件的，即当流体的雷诺数Re大于一个临界值时，C不变，否则，C会随Re的减小而增加，这样，就带来了计算误差，即未能考虑实际Re下的C。Ca除与Re有关外，还与开孔比有关。
3、差压值与流量关系为平方关系，当流量发生变化时差压将以平方的关系发生相应变化。这里因为差压和流量的平方成比例，流量比低于30%时，精度就不能保证，另外，流量低于30%时，雷诺数往往低于界限雷诺数，流量系数C不是常数，造成流量测量不准。
由以上的分析我们就可以看出，当所测量最小流量为最大流量的1/10时，差压值就只有刻度差压值的1/100，在此时差压变送器所测得的差压值已经很小了，小流量下误差会放大几倍甚至十几倍，这也是差压变送器为什么要做小信号切除的原因。这时，单纯地用差压流量计要准确测量已经很困难。
二、测大量程比流量的流量仪表
测量大量程比的流量，规范中罗列了以下这几种可供选择选用流量仪表，下面分别介绍各自的特点和应用场合：
1.涡街流量计：规范中对量程比没有要求，可以测量大量程比的流量，但一些厂家对量程比做了限制，一般为10：1.但可能会出现为满足最小流量下的流速要求，需要进行缩颈处理，可能会导致最大流量下流量计的压损过大，不满足工艺的要求，另外，涡街流量计一般适用于300℃以下的干净介质测量。
2.容积式流量计：量程比可达到10：1，但结构笨重，安装复杂，很少应用于大管道的流量测量中。
3.楔形流量计，量程比可达到10：1。主要特点：雷诺数下限低，应用范围广，稳定性好。一般用于粘稠介质和含少量固体的液体流量测量。
4.电磁流量计：量程比可达100：1，选择时需要计算电磁流量计的口径以保证腔体内的流速在可测范围即可。但是它只能测量满足一定导电率的液体和固液两项介质。
5.靶式流量计：量程比不大于10：1。适用于粘度 较 高，含少量固体颗粒的液体流量测量。当要求精确度不优于1 .00 %。
6.转子流量计：量程比可达到10：1，但是精度不高，需要安装在垂直管道上，使用温度不超过300℃。
三、应用实例
在测量大量程比流量时可以在合适的条件下采用以上流量仪表。但上述仪表在使用时受限制条件较多，下面结合实际工程项目中的流量计选型，介绍孔板配合双变送器测在大量程比流量测量时的应用。
某项目一台测量原料气的流量计的工艺参数如下：
介质为蒸汽
刻度流量67000kg/h；
最大流量65688kg/h；
正常流量57120 kg/h；
最小流量：5712 kg/h；
操作温度297℃，设计温度490℃；
操作压力2.96MPa（G）；设计压力3.6MPa（G）
管道口径为DN300。
因为管道口径较大，首选差压类流量计，但该工况量程比达到了12：1，如果只是显示和调节功能，可以考虑采用差压类流量计，用小信号切除法切除误差较大的小流量信号，但是该流量参与甲烷化装置的安全联锁，要求从最小流量到最大流量都需要较精确地测量。显然，如此量程比的测量首选能够测量大量程比流量的流量计，但是本文前面所列出的几种流量计从介质，温度，管径选择等方面均不能满足测量要求，只能采用差压式流量。但量程比太大，采用常规的一台孔板配置一台变送器的方法，不仅小流量下误差会放大几倍甚至十几倍，还会出现根本测不到流量的情况。
经过以上分析，该工况条件下一台变送器无法满足测量要求，该流量测量我们采用了多孔孔板配备双变送器的测量方法，采用两台变送器分段测量的方法进行实现。 双变送器测量在整个量程范围内分作两段，两段的测量上变送器都能够在流量计合适的量程比范围内进行工作，两台变送器的测量信号在控制系统上实现无缝切换，这样就实现了整个测量范围内的准确测量。
将整个流量范围分成两个流量区间段：5712-20000 kg/h，17500～67000 kg/h。
（1）量程：0～10KPa，根据计算结果选差压范围为：0～1.76 KPa，对应流量输出为：0～20000 kg/h；变送器输出标记为EF1-1。
（2）量程：0～40KPa，根据计算结果选差压范围为：0～26.0KPa，对应流量输出为：17500～67000 kg/h；变送器输出标记为EF1-2
在 DCS内对这二路信号做下述组态：
分别将大量程变送器及小量程变送器测量信号引入DCS系统，通过上位机编程实现大、小量程切换，完成流量监测及累计。自动切换可利用小量程变送器的上限电流值作为判断条件：在DCS系统中取EF1-1、EF1-2两点输出流量显示，把两变送器信号分别接入DCS系统中的EF1-1、EF1-2两点。
以小量程变送器的输入信号为切换点，EF1-1为4～20mA信号，对应的测量范围为 0～20000 kg/h；当检测到小量程变送器输入信号≤20mA时，在EF1-1点显示小量程变送器的测量流量，大量程变送器流量指示屏蔽
当检测到小量程变送器输入信号>20mA时，切换到大量程变送器，EF1-2为4～20mA信号，对应的测量范围为 17500～67000 kg/h，在EF1-2点显示大量程变送器的测量流量，小量程变送器流量指示屏蔽。
四、总结
以上量程的切换在DCS中完全可以实现，并且在大部分DCS厂家都有实现该功能的集成模块。需要注意的是，为了使两台变送器的流量显示可以实现无缝切换，在选取切换点时除了要考虑节流元件本身的量程比之外，还要保证小量程范围内的最大流量要大于达两成范围内的最小流量值，使得两个量程范围有一个交集，个人认为在量程比满足的范围内这个交集可以取得大一点，因为这样大量程变送器在小信号切除时留的余地更大，可以减少大量程变送器所对应小流量下该段测量精度的影响。
参考文献：
[1]孙淮清，王建中. 流量测量节流装置设计手册. 北京：化学工业出版社，2000：6.
[2]天然气流量计量编写组. 天然气流量计量. 北京：石油工业出版社，2001：2
[3]自动化仪表选型设计规定 HG/T 20507一2000
[4]陆德民，石油化工自动控制设计手册. 北京：化学工业出版社，1999
[5]张洪垠压力 差压变送器的应用及选型