富氫氣流量的測(cè)量與純氫流量的計(jì)算

孫尚峰，李劍，李金強(qiáng)，孫廣軍，紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1. 營(yíng)創(chuàng)三征(營(yíng)口)精細(xì)化工有限公司，遼寧營(yíng)口115003； 2. 中國(guó)石油撫順石化公司石油二廠機(jī)動(dòng)工程部，遼寧撫順113004； 3. 上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海200070)

某化工廠從附近的氯堿廠輸入純度為98%的氫氣，用于生產(chǎn)氫體積分?jǐn)?shù)φH2為70%～90%的富氫氣體，再經(jīng)1根內(nèi)徑為468 mm的管道返送回氯堿廠，混合氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，通過熱導(dǎo)式氫分析儀測(cè)量混合氣中的氫體積分?jǐn)?shù)，測(cè)量范圍為50%～100%。該分析儀測(cè)量出的是干氣體中的氫體積分?jǐn)?shù)，而工藝要求測(cè)量的是濕氣體干部分流量，并與氫體積分?jǐn)?shù)一起計(jì)算純氫的體積流量，因此文中所述是一個(gè)變組分氣體的濕氣體干部分流量測(cè)量問題。

1 測(cè)量方案的確定

1.1 渦街流量計(jì)方法

1)該方法信號(hào)處理較為簡(jiǎn)單。渦街流量計(jì)是一種體積流量計(jì)，即輸出信號(hào)僅與流過旋渦發(fā)生體處的流體平均流速成正比，而與物料的密度、黏度等無關(guān)。如果能用渦街流量計(jì)測(cè)量某種氣體的體積流量，則信號(hào)經(jīng)下面的處理后，就可得到純氫體積流量。

a)將濕氣體中的水汽量扣除。

b)將濕氣體的干部分流量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量。

c)將測(cè)量到的干氣體中氫體積分?jǐn)?shù)值與濕氣體的干部分體積流量相乘，即得到純氫的體積流量。

由于測(cè)量對(duì)象具有管徑大、流速低、靜壓低、流體密度小的特點(diǎn)，用渦街流量計(jì)測(cè)量是否可行，須經(jīng)分析和具體驗(yàn)算才可確定。

2)已知條件。該測(cè)量對(duì)象與最低可測(cè)流速有關(guān)的參數(shù)包括： 管道內(nèi)徑D20=468 mm，最高壓力為70 kPa，常用壓力為40 kPa，最低壓力為 20 kPa，干部分最大體積流量為1×104m3/h，干部分常用體積流量為7×103m3/h，最小體積流量為2.8×103m3/h，介質(zhì)溫度為21.0～63.5 ℃(常用50 ℃)，常用工況流體密度ρ1=0.413 8 kg/m3。由于工況條件下的流體密度小于0.5 kg/m3，使用渦街流量計(jì)測(cè)量將受到流體密度的限制，因此根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算得到常用工況條件下最小體積流量對(duì)應(yīng)的流速為3.57 m/s。

3)最低可測(cè)流速驗(yàn)算[1-2]。橫河公司提供了大口徑DY型渦街流量計(jì)最低可測(cè)流速公式：

(1)

式中：v——最低可測(cè)流速，m/s；ρ——流體密度，kg/m3。

將ρ=0.413 8 kg/m3代入式(1)得到最低可測(cè)流速為8.73 m/s，顯然比最小體積流量對(duì)應(yīng)的最低流速大得多。

4)縮小管徑的可行性?？s徑前后的管徑與縮徑流速的關(guān)系可用式(2)計(jì)算：

(2)

式中：D2——縮小后的管徑，mm；D1——縮小前的管徑，mm；v2——縮小后的流速，m/s；v1——縮小前的流速，m/s。

將D1=468 mm，v1=3.57 m/s，v2=8.73 m/s代入式(2)，得D2=299.3 mm，即要選DN300渦街流量計(jì)才能將最小可測(cè)流量覆蓋，如果混合氣中的氫體積分?jǐn)?shù)高于常用值或流體壓力低于常用值，流體密度減小時(shí)將導(dǎo)致最小流量無法測(cè)量；而且管道流通截面積縮徑后只有縮徑前的41%，縮徑導(dǎo)致流速增高，最大流量時(shí)的流速高達(dá)31 m/s，遠(yuǎn)高于規(guī)程規(guī)定的安全流速[3]。因此，渦街流量計(jì)不適用富氫氣體積流量的測(cè)量。

1.2 科氏力質(zhì)量流量計(jì)方法

用科氏力質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量變組分氣體的質(zhì)量流量，是個(gè)既省力又準(zhǔn)確的方案，但要求被測(cè)氣體靜壓在100 kPa以上，以便測(cè)量管內(nèi)氣體達(dá)到必要的流速。但在該案例中，靜壓最低時(shí)僅 20 kPa，而且流速較高，也不符合安全流速的規(guī)定。

1.3 孔板流量計(jì)方法

只要雷諾數(shù)大于5×103，采用該方法就能保證測(cè)量的精確度，不受下限流速的約束。但對(duì)于組分變化的氣體，在溫度、壓力不變的情況下，其密度會(huì)隨組分的變化而變化，從而產(chǎn)生誤差，為此必須針對(duì)組分變化對(duì)測(cè)量的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

2 孔板流量計(jì)方法的實(shí)施

2.1 孔板流量計(jì)基本公式：

孔板流量計(jì)的基本公式如式(3)所示[4-6]：

(3)

式中：qm——質(zhì)量流量，kg/s；C——流出系數(shù)；β——直徑比，β=d/D；ε1——節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù)；d——工作條件下節(jié)流件的開孔直徑，m；D——管道內(nèi)徑，m；Δp——差壓，Pa；ρ1——節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度，kg/m3。

當(dāng)流量用體積流量表示時(shí)，式(3)轉(zhuǎn)換為式(4)：

(4)

式中：qV——體積流量，m3/s。

2.2 混合氣密度計(jì)算公式

1)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕氣體干部分的密度ρgn用式(5)計(jì)算[7-8]：

(5)

式中：φi——干部分各組分的體積分?jǐn)?shù)，%；ρgni——干部分各組分的密度，kg/m3。

由于氫體積分?jǐn)?shù)較大，該案例中只測(cè)量濕氣體干部分中的氫體積分?jǐn)?shù)，即認(rèn)為除氫之外的幾種其他氣體的體積分?jǐn)?shù)恒定不變，則式(5)簡(jiǎn)化成式(6)：

ρgn=φH2ρH2+(1-φH2)ρNn

(6)

式中：φH2——?dú)潴w積分?jǐn)?shù)，%；ρH2——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣密度，kg/m3；ρNn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫之外其他氣體的平均密度，kg/m3。

2)工作狀態(tài)下濕氣體干部分密度ρg的計(jì)算如式(7)所示[7-8]：

(7)

式中：p1——工作狀態(tài)下差壓裝置正端取壓口絕對(duì)壓力，Pa；φ1——濕氣體相對(duì)濕度，取φ1=100%；ps1max——工作狀態(tài)下飽和水蒸氣的分壓，Pa；pn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體絕對(duì)壓力，Pa；Tn，Tf——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工作狀態(tài)下氣體的熱力學(xué)溫度，K；Zn，Zf——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工作狀態(tài)下氣體的壓縮系數(shù)，取Zn=Zf=1。其中ps1max由表1查得。

表1 飽和水蒸氣的壓力ps1max和密度ρs1max[9]

3)工作狀態(tài)下濕氣體密度ρ1的計(jì)算如式(8)所示：

(8)

式中：ρs1——工作狀態(tài)下水蒸氣的密度，kg/m3。

工作狀態(tài)下飽和水蒸氣密度如式(9)所示：

ρs1max=f(Tf)

(9)

2.3 工作狀態(tài)下混合氣干部分體積流量的計(jì)算

(10)

式中：qV1——工作狀態(tài)下混合氣干部分體積流量，m3/h；qVn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混合氣干部分體積流量，通常由測(cè)量任務(wù)書給出，包括刻度最大流量qV n max，常用流量qV n com和最小流量qV n min，m3/h。

2.4 差壓裝置的計(jì)算

求得qV1和ρ1后，可按GB/T 2624—2006設(shè)計(jì)計(jì)算差壓裝置。

3 溫度壓力及ε1的補(bǔ)償

3.1 溫度壓力補(bǔ)償氫體積分?jǐn)?shù)的補(bǔ)償公式

氣體溫度、壓力偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，氫體積分?jǐn)?shù)也會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，此時(shí)濕氣體干部分流量可用式(11)進(jìn)行補(bǔ)償[10]：

(11)

式中： 帶“′”的物理量為實(shí)際使用工況條件下的參數(shù)，不帶“′”的物理量為設(shè)計(jì)工況所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，在差壓裝置計(jì)算書中可以獲得。

式(9)中，由于工況變化，ρ1已經(jīng)從式(8)所表示的值變成式(12)所表示的值：

(12)

(13)

(14)

式中：ρhn=0.083 8 kg/m3，ρNn被看做常數(shù)。

因此，將式(14)代入式(11)就可得到完整的補(bǔ)償公式：

(15)

3.2 流量示值的可膨脹性系數(shù)補(bǔ)償

為了提高濕氣體干部分流量測(cè)量的精確度，必須進(jìn)行氣體可膨脹性系數(shù)(expansibility)的補(bǔ)償，并按GB/T 2624—2006中的公式C=f(β，ReD)進(jìn)行雷諾數(shù)補(bǔ)償，具體操作方法詳見參考文獻(xiàn)[10-11]。

3.3 補(bǔ)償公式的實(shí)現(xiàn)

式(15)中有一半的物理量是已知的，只需按儀表說明書的要求填入菜單，其余的則是測(cè)量值或計(jì)算值，具體見表2所列。

表2 補(bǔ)償公式的物理量信息

3.4 結(jié)構(gòu)上的處理

由于混合氣中的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)總是達(dá)到飽和程度，為防止冷凝水在孔板前、三閥組內(nèi)、差壓變送器高低壓室內(nèi)的聚積對(duì)測(cè)量的精確度產(chǎn)生影響，該項(xiàng)目?jī)x表采用偏心孔板，并將差壓變送器布置在水平管道上方，而且棄用針形閥三閥組，改用不銹鋼球閥，從而杜絕了積水。

為便于清理差壓信號(hào)導(dǎo)壓管內(nèi)可能生成的污物，差壓裝置采用徑距取壓方法。

4 純氫流量的計(jì)算

孔板流量計(jì)經(jīng)密度補(bǔ)償測(cè)得的濕氣體干部分體積流量，換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量后，乘上干氣體中的氫體積分?jǐn)?shù)，就得到純氫的體積流量。

5 結(jié)束語

1)文中計(jì)算是變組分氣體流量測(cè)量問題，組分的變化源自混合氣中氫體積分?jǐn)?shù)的變化和氣體溫度變化引起的水汽體積分?jǐn)?shù)的變化。介質(zhì)溫度冬季最低達(dá)21 ℃，夏季最高達(dá)63.5 ℃，水汽體積分?jǐn)?shù)相差9倍之多，因此混合氣密度變化很大。

2)該案例中采用熱導(dǎo)式氫分析儀測(cè)量氣體干部分的氫體積分?jǐn)?shù)，并根據(jù)氣體中飽和水蒸氣壓力與飽和水蒸氣密度表，扣除水汽體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算得到純氫體積流量。

3)該案例中采用流量演算器實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)計(jì)算，由于使用的是匯編語言，所以杜絕了病毒的侵?jǐn)_，運(yùn)行安全可靠。

4)該案例中的系統(tǒng)在東北某化工企業(yè)投運(yùn)6 a以來，運(yùn)行可靠，未發(fā)生過故障。測(cè)量結(jié)果與產(chǎn)品產(chǎn)量一起計(jì)算得到的氫單耗不受季節(jié)影響，因此作為貿(mào)易交接手段得到了雙方認(rèn)可，從而解決了經(jīng)營(yíng)管理中的難題。