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渦街流量計

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渦街流量計在氫氣與氣態氨流量測量中的應用實例剖析

來源:作者:發表時間:2019-03-27

 摘 要 :渦街流量計用來測量氫氣之類的低密度流體時,因推力小,需做密度驗算。液氨等高飽和蒸汽壓介質,在蒸發器得到熱量後氣化,變成蒸氣,輸送到下一道工序。如果環境溫度低,沿途損失熱量,會有部分蒸氣冷凝成液體,積在差壓變送器高低壓室及三閥組內,影響正常測量。采用偏心孔板 ;用球形閥代替針形三閥組 ;並將差壓變送器安裝在差壓裝置上方,就能徹底解決問題。

 
1 氫氣流量測量係統的設計與診斷
1.1 用渦街流量計測量 H2 流量須做密度驗算用渦街流量測量氫氣流量而未獲成功的例子,人們已經聽到不少。究其原因,根源在於氫氣的物性。
 
人們已經熟知,在用渦街流量計測量的流體中,隻要雷諾數不小於 20 000,就能保證精確度。故在此數據的基礎上計算,如被測流體在常壓下溫度為 0 ℃的空氣,保證精確度的好低流速為 6 m/s。但是,如果被測氣體的分子量比空氣小,保證測量精確度的下限流速就隻能大於 6 m/s。
 
這是因為在渦街流量計中,用於探測旋渦個數的檢測件在工作時,是將旋渦產生的推力信號轉換成電信號,此電信號的幅值與流體密度 ρ 成正比,同旋渦剝離頻率 f 的平方成正比 [1-2]。也就是說,流體密度越小,產生的電信號幅值越小。太小的幅值將使信噪比減小,同樣 6 m/s 的流速將無法測量,必須將流速提高,f 增大,才能恢複測量,在被測氣體密度已知的情況下,保證精確度的好低流速為多少,這要根據原理,用公式來計算,這項計算就是渦街流量計用於低密度氣體測量時的密度驗算過程。例如山東某製藥廠有一氫氣流體測量對象,技術條件如下:
被測介質 :氫氣 ;
常用壓力(G):1.5 MPa ;
常用溫度 :常溫 ;
管道公稱通徑 :DN 125 mm ;
好大流量 :2 000 Nm3/h ;
好小流量 :400 Nm3/h。
 
由於氫氣屬易燃易爆物質,氫氣在管道中流動有安全流速的規定。氫氣管道設計規範規定,對於不鏽鋼管道,好高流速不能高於 25 m/s[3]。根據安全流速,渦街流量計好小隻能選 DN 50,這時,如果被測流體為空氣,按照儀表製造廠的選型樣本,保證精確度的好小流量為 233 Nm3/h。但是由於氫的分子量隻有空氣的 1/14[4],在相同的溫度、壓力條件下,氫氣的密度隻有空氣的 1/14,因此,渦街流量傳感器內信號檢測件送出的電信號幅值,比測量空氣時小得多,所以,測量氫氣時,電信號幅值很小,不一定能使流量計正常測量。儀表製造廠規定,在遇到此類情況時,須做密度驗算。對於 DY 型渦街流量計,橫河公司提出了驗算公式 [5],即當流體密度 ρ < 7.8 kg/m3,下限流速應滿足 :
 
式中 Vmin —— 保證精確度的下限流速,m/s ;ρf ——工況條件下的氣體密度,kg/m3。
 
對於 P(G)=1.5 MPa、溫度為 20 ℃的氫氣,工狀條件下的密度為 0.8。
 
1.2 關於各種流量計測量氫氣流量的討論
氫氣流量測量中的流量計選型,是一件難度很高的工作。其原因有兩個,一是流體密度太小,二是受安全流速的限製。在本例中,測量任務要求的量程比為 5 倍,渦街流量計已經不能勝任。標準孔板流量計在氫氣流量測量中,扮演著重要角色,但是因為節流件的節流作用,孔板開孔處的氫氣流速比工藝管內的流速有顯著提高,所以,差壓裝置的直徑比 β,要設計得大一些,滿量程差壓ΔPmax,要設計得小一些,而且要進行安全流速計算,以確保安全。
 
上海某公司曾經采用浮子式流量計測量氫氣流量,也獲得成功 [6]。但與標準孔板流量計相似,浮子四周的環隙中,流速也被提升。此環隙中的流速雖然可以通過浮子的幾何尺寸—外徑,以及錐管的內徑進行計算,但不象差壓式流量計那樣,能進行靈活的設計,所以,設計采用這種方法的並不多。曾經有儀表公司宣傳,說孔板流量計精確度太低,采用科氏力質量流量計測量氫氣流量,可以提高測量精確度。但是,為了得到幅值足夠大的科氏力,必須將測量管內徑縮得很小,以致管內流速高達 200 ~ 300 m/s,這比安全流速高幾十倍,冒的風險十分巨大。流速高帶來的另一個問題是流體對測量管的磨損。用了一段時間發現測量管被氫氣磨穿了。
淄博和鎮海的石化廠都發生過科氏力質量流量計測量管被氫氣磨穿的事件。幸虧及時發現,沒有發生爆炸事故。
 
2 氣態氨流量測量係統的設計與診斷
2.1 用巴類流量計測量氣氨流量不準
實例概況 :山東某製藥廠用巴類流量計測量氣態氨流量,流量計安裝在氨蒸發器出口管道上。流體常用溫度 15 ℃,氨氣管外夏季總是濕漉漉的,偶爾出現結霜現象。
 
2.2 分析
液氨經蒸發器蒸發變成氣態氨,然後去下一道工序,這是很多化工流程中的常用方法 [7]。在氣氨管道上增設流量計,既是控製的需要也是計量的需要。在解決此類流量測量的方法中,常見的有巴類流量計、孔板流量計、渦街流量計、科氏力質量流量計等。不管采用何種流量計,碰到的都是相似的問題。從現場描述中的管道狀況可知,管道表麵幹燥、濕漉漉和結霜三種情況,反映的實際是管內的氣態氨的三種不同的形態。
 
(1)環境溫度高於 15 ℃的情況
首先,管道表麵濕漉漉,意味著環境溫度比管內流體溫度高,這時,大氣為管內流體提供熱量。氨蒸發器出口如果不帶過熱器,則管內氣氨處於飽和狀態。由於管內流體溫度比環境溫度低,所以有從飽和狀態變成過熱狀態的趨勢。不管過熱度為多少,隻要是過熱狀態,工藝管道內的氣氨就不會帶液,在這樣的狀況下,巴類流量計的根部閥和三閥組內,一般不會積液,流量計能進行正常測量。
 
(2)環境溫度低於 15 ℃的情況
當環境溫度低於 15 ℃時,管內流體經管道表麵散發熱量,流體溫度有下降趨勢。本已處於飽和狀態的氣氨,在損失熱量後,部分氣氨冷凝,以微小液滴的形式,懸浮在氣氨中,在管道中流動。這時,巴類流量計受到兩個因素的影響。其一是氣氨因有一部分冷凝變成液體,所以體積縮小,流速降低。所以流量示值減小。其二是巴類根部閥流路內 [8]、三閥組的各個通道內的氣氨,也會有部分冷凝,影響差壓信號的準確傳送,導致流量計零點偏移。嚴重的時候,連差壓變送器高低壓室內都會積液氨。產生流量零點的嚴重漂移 [9]。
 
驗證三閥組內和高低壓室內是否積液的簡單方法,是在差壓變送器高低壓室的排液口進行排液操作,如果排液後的流量示值與排液前有顯著差異,則證明已經帶液。
 
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