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摘要:孔板流量計是流量檢測領域較為傳統的方法，技術成熟，應用行業廣泛，有較高的可信度，由于目前制造精度的提高，所以無論在計量精度、可靠性、維修護用等方面都比其他計量器具有其自身的優勢。針對氫氣體的生產工藝，氫氣計量的特點，介紹雙孔板流量計在氫氣計量系統中的實際應用情況，闡述了氫氣計量系統中相關儀表選型原則，過孔板的安裝及日常維護方面，運用圖表計算分析雙孔板在計量氫氣時的經濟優勢和雙孔板在運行中及項目前期投入上的劣勢;同時也對計量相關模式進行淺析，不同計量組合會對計量精度、穩定性及成本帶來很大的影響。
0引言
天然氣制氫生產工藝是以天然氣為原料生產氫氣，與水蒸汽進行重整反應，得氫氣產品，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系著供需雙方進行公平的貿易結算，還關系到成本控制，因此整個計量系統受到各方的高度重視。
1系統方案
如圖1所示，整個計量系統由雙孔板、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，經計算后在流量積算儀中顯示。
兩塊孔板可根據實際生產需要串聯、并聯測量，但同一時刻只用一塊孔板的數值用于貿易結算。當在運行過程中發現兩塊孔板有較大的偏差時，操作人員會及時查看歷史趨勢，根據工藝判斷查找出有流量突變的一臺，及時送第三方單位進行檢定。
這種采用雙孔板的計量方式，雖然在項目建設初期投入費用高一些，但是如果有偏差出現而未及時進行干預，會造成很大的經濟損失。

1.1流量計選型
流量計采用EMEＲSON公司的DANIEL品牌孔板，孔板原理如圖2所示。根據伯努利方程，流體在管道中流動，當接近阻攔處時，有一部分流體的勢能轉換成動能，在孔板的前入口端面壓力增加;當經過節流元件時，流體逐漸收縮，流速升高，壓力最小，所以在孔板上下游兩側產生壓力差，流量越大，壓差就越大，孔板即是通過測量壓差來體現流量大小。其基本公式如下:

式中:Q工為工況下體積流量(m3/s);C為流出系數;�x為孔板直徑與管道內徑之比;ε為膨脹系數，默認為1;△P為孔板前后壓差(kPa);ρ1為介質密度(kg/m3)

1.2溫壓補償
由于氣體可以壓縮，隨著壓力、溫度的變化，體積也相應地發生變化，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，即標準狀態下1個標準物理大氣壓(0.101325MPa)、0℃(273.15K)時的流量，進行溫壓補償，公式如下:

式中:Q實為實際測量流量;Q設為設計流量;P實為實測壓力;P設為設計壓力;T實為實測溫度;T設為設計溫度。
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據類型，4～20mA、1～5V、歐姆、開關量和脈沖量輸入以及模擬量、開關量輸出等，還能夠實現流量溫壓補償及流量的分段計量。根據合同條款規定，在程序內設置流量分段值，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據。
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流向一致。在取壓口附近標有“+”的一端應與流體上游管段連接，標有“－”的一端應與流體下游管段連接。
2.2中心線
孔板的中心、法蘭中心、管道中心應在同一軸線上。
2.3直管段長度
GB/T2624.2-2006表3(無流動調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，采用兩塊孔板A和B，由于兩塊孔板上游側存在的阻流件不同，所以直管段要求也不相同。
根據孔板計算書得出β值為0.37572，A孔板的上游側為一個全孔球閥和一個三通，需要12D的直管段;B孔板的流體質量較差，在其上游側有一個截止閥和一個90°彎頭，一個三通，共需要28D的直管段。
由于現場安裝空間有限，不能滿足28D的直管段要求，為了能夠實現較好的流體質量，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，解決了現場安裝空間不足的問題。

3計量系統模式選擇
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。
計量系統的整個環節沒有人工參與，僅僅是利用變送器、熱電阻等相關設備實時檢測所涉及的各參數，通過預設在流量積算儀軟件的公式或在PLC中編程來計算流量。隨著技術的發展，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。一般應用于沒有分段計量的模式，結算的依據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值。優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據的功能，數據則需要送到HMI中進行存儲，而且累積流量需要將通信協議由Modbus485轉換成ModbusTCP/IP后傳輸給HMI，硬件成本會相應增加，且數據容易丟失。
3.1檢測元件+PLC+工控機
檢測元件將現場壓力、差壓、溫度等信號送入流量計PLC的AI模塊，通過數據轉換后，在PLC內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，采用簡化版溫壓補償公式，有些參數并沒有在公式中體現，這些參數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據采集卡，由流量積算儀內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置相關參數，操作簡單方便。在流量計算時，會比在PLC人工開發程序精度高很多，整個系統的可靠性也提高很多。
采用流量積算儀的優點在于它除了能夠進行流量計算、溫壓補償以外，還能夠實現流量的分段計量，自動生成日報表、月報表，減少了在工控機上人工編程實現分段計量所產生的誤差。與傳統的計量模式相比較，流量計算及報表的生成都是在流量積算儀上實現的，也避免了在PLC上編程，工控機上顯示時兩設備時鐘不同步造成數據有差異的問題。
隨著自動化技術快速發展，流量積算儀的功能也日益增強，除了能夠實現流量的相關數據處理外，還能夠實現簡單的控制功能，適用于需要計量且控制回路不多的現場。
4雙孔板偏差計算
如圖4所示為孔板運行曲線，12h內平均偏差為50.25Nm3，由此可以推算出一年的偏差約為440190Nm3。
由圖4可以看出如果兩塊孔板偏差高出實際生產需求值時，會造成很大的經濟損失，需要及時查找原因，解決問題。

5雙孔板流量計的優缺點及應用
5.1雙孔板流量計的優點
1)孔板結構簡單;
2)孔板屬于標準節流裝置，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)兩塊孔板的優點在于當發現流量偏差很大時，能夠及時發現問題，避免了經濟損失。
5.2雙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)孔板以內孔銳角線來保證精度，對于腐蝕、磨損、結垢、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，易產生跑、冒、滴、漏問題，大大增加了維護工作量;
7)雙孔板流量計在計量時需與客戶協商結算方法，以免引起異議;
8)成本增加，維護量增加。
6總結
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，所以雙孔板能夠實現這樣的目的。
雙孔板流量計在實際應用中并不多見，主要其成本提高而不被廣泛采用。但在貿易結算中，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，應及時分析原因，解決問題，避免造成雙方的經濟損失。雖然一次性投入成本較高，但從長期、穩定的運行角度來考慮，會比單孔板更有效率。

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