孔板流量計是流量檢測領(lǐng)域較為傳統(tǒng)的方法，技術(shù)成熟，應(yīng)用行業(yè)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(hù)用等方面都比其他計量器具有其自身的優(yōu)勢。針對氫氣氣體的生產(chǎn)工藝，氫氣計量的特點，介紹雙孔板在氫氣計量系統(tǒng)中的實際應(yīng)用情況，闡述了氫氣計量系統(tǒng)中相關(guān)儀表選型原則，通過孔板的安裝及日常維護(hù)方面，運(yùn)用圖表計算分析雙孔板在計量氫氣時的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和雙孔板在運(yùn)行中及項目前期投入上的劣勢; 同時也對計量相關(guān)模式進(jìn)行淺析，不同計量組合會對計量精度、穩(wěn)定性及成本帶來很大的影響。

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(jìn)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(zhǔn)確性不僅關(guān)系著供需雙方進(jìn)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。

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(bǔ)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(yùn)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變的一臺，及時送第三方單位進(jìn)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(fèi)用高一些，但是如果有偏差出現(xiàn)而未及時進(jìn)行干預(yù)，會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.1、流量計選型：

   流量計采用孔板流量計，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***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(bǔ)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(biāo)況下的體積流量進(jìn)行計量，即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 1 個標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓( 0. 101 325 MPa) 、0 ℃ ( 273. 15 K) 時的流量，進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，公式如下:

式中: Q實 為實際測量流量; Q設(shè) 為設(shè)計流量; P實 為實測壓力; P設(shè) 為設(shè)計壓力; T實 為實測溫度; T設(shè) 為設(shè)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(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(bǔ)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(jìn)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(yùn)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(yán)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(biāo)識，箭頭的方向要與介質(zhì)流向一致。在取壓口附近標(biāo)有“+”的一端應(yīng)與流體上游管段連接，標(biāo)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(xì)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。整流器安裝如圖所示，采用 DANIEL 整流器后，直管段要求從 28D 變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(jī)。

 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(jìn)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(jìn)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(jī)：

 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(jìn)行編程后計算出氫氣瞬時流量、累積流量，再通過 HMI 進(jìn)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(bǔ)償是由人工在 PLC 中編程實現(xiàn)，采用簡化版溫壓補(bǔ)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(jìn)行鑒定。

3. 2、檢測元件+流量積算儀+工控機(jī)：

 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(jìn)行溫壓補(bǔ)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(jìn)行流量計算、溫壓補(bǔ)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(jī)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(jī)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(qiáng)，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(yùn)行曲線，12 h 內(nèi)平均偏差為 50. 25 Nm3 ，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(jì)損失，需要及時查找原因，解決問題 。

5、雙孔板流量計的優(yōu)缺點及應(yīng)用：

5. 1、雙孔板流量計的優(yōu)點：

1) 孔板結(jié)構(gòu)簡單;

2) 孔板屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，得到國際組織的認(rèn)可，可以采用幾何測量法，不需要實流標(biāo)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(jì)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(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(qiáng)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(hù)工作量;

7) 雙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(hù)量增加。

6、總結(jié):

 由于計量站一般為無人值守站，日常維護(hù)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(hù)的簡要性，操作簡單，維護(hù)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。

 雙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，***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(fù)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(jì)損失。雖然一次性投入成本較高，但從長期、穩(wěn)定的運(yùn)行角度來考慮，會比單孔板更有效率 。