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液體流量測量方法(三)
發(fā)布時(shí)間:2024-08-31 08:32:19| 瀏覽次數(shù):

(易蒸發(fā))高飽和蒸氣壓液體流量的測量

  本節(jié)以液氨為例討論乙烯、丙烯、氯乙烯等高飽和蒸氣壓液體流量的測量。

液氨流量測量同前面討論過的水流量測量、油流量測量有以下兩個重大的差別。一是液氨的飽和蒸氣壓高,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下,其沸點(diǎn)為-33.4℃,因此必須在壓力條件下輸送和儲存。二是這種流體的流量測量中容易因儀表的壓力損失而在流量計(jì)的出口處產(chǎn)生氣穴和伴隨而來的汽蝕現(xiàn)象,引起流量計(jì)示值偏高和流量一次裝置受損。液態(tài)乙烯、丙烯等流量測量中遇到的情況也相同。本節(jié)分析液氨流量測量中遇到的問題及其處理方法,對其他飽和蒸氣壓較高液體的流量測量也有參考價(jià)值。

(1)液氨流量測量的特點(diǎn)

①儲存在儲槽中液氨的氣液分界面處一般處于氣液平衡狀態(tài)。圖3.52所示為氨廠入庫液氨流量測量的典型流程。來自氨冷凝器的合成氣、氣態(tài)氨、液態(tài)氨混合物在氨分離器中進(jìn)行分離,液氨經(jīng)流量計(jì)和液位調(diào)節(jié)閥送低壓氨中間槽。顯然圖中氨分離器和中間槽的氣液分界面處,氣液兩相均處于平衡狀態(tài)。

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液氨流量測量應(yīng)盡量避免出現(xiàn)兩相流。然而接近氣液平衡狀態(tài)的液氨,在流過流量計(jì)時(shí),如果壓頭損失較大,則很容易引起部分汽化,影響測量精確度。

②流體密度的溫度系數(shù)較大。從液氨的ρ=f(t) 函數(shù)表可知,在常溫條件下,液氨溫度每變化1℃,其密度變化0.2%以上。因此,液氨計(jì)量必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

精確度要求高。原化工部有關(guān)文件要求,液氨計(jì)量應(yīng)達(dá)到1級精確度。如果不采取有效措施,是很難達(dá)到這個要求的。

④流體易燃易爆。儀表選型時(shí)應(yīng)選用防爆型儀表,儀表安裝、使用和維修中,都應(yīng)遵守防爆規(guī)程。

被測介質(zhì)有腐蝕性。氨對銅等材料有強(qiáng)烈的腐蝕作用,因此,儀表與被測介質(zhì)直接接觸的部分應(yīng)能耐受氨的腐蝕,儀表的電子學(xué)部分應(yīng)有IP67及以上的防護(hù)能力,以防周圍環(huán)境中腐蝕性氣體對電子學(xué)部分的氣體腐蝕。

(2)氣穴和汽蝕及防止流體汽化問題在液體流動的管路中,如果某一區(qū)域的壓力降低到液體飽和蒸氣壓力之下,那么在這個區(qū)域內(nèi)液體將會產(chǎn)生氣泡,這種氣泡聚集在低壓區(qū)域附近,就會形成氣穴,發(fā)生氣穴現(xiàn)象。在裝有透明管道的試驗(yàn)裝置上,能觀察到氣穴的存在,它表現(xiàn)為在管道內(nèi)一個基本不變的區(qū)域出現(xiàn)一個氣團(tuán)。

在水流管路中,這種氣泡所包含的主要是水蒸氣,但是由于水中溶解有一定量的氣體,所以氣泡中還夾帶有少量從水中析出的氣體。這種氣泡隨著水流達(dá)到壓強(qiáng)高的區(qū)域時(shí),氣泡中的蒸氣會重新凝結(jié)為液體,此時(shí)氣泡會變形破裂,四周液體流向氣泡中心,發(fā)生劇烈的撞擊,壓力急劇增高,其值可達(dá)幾百個大氣壓,不斷破裂的氣泡會使流道壁面的材料受到不斷的沖擊,從而使材料受到侵蝕。如果管路上裝有流量計(jì),則汽蝕現(xiàn)象將引起測量誤差增大,并能損壞一次裝置。氣泡從形成、增長、破裂以及造成材料侵蝕的整個過程就稱為汽蝕現(xiàn)象。

汽蝕現(xiàn)象與熱力學(xué)中的沸騰現(xiàn)象有所不同,兩者雖然都有氣泡產(chǎn)生,但是汽蝕起因是由于壓強(qiáng)降低,而沸騰則是由于溫度升高。

液氨同其他飽和蒸氣壓較高的流體一樣,在流量測量中,流量一次裝置內(nèi)或出口端極易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。

處于汽液平衡狀態(tài)的流體,在溫度升高或壓力降低時(shí),必然有部分液體發(fā)生相變。例如液氨在10℃條件下,平衡壓力為0.5951MPa,如果將壓力降低一些(例如將液氨中間槽中的氣態(tài)氨排掉一些),必然引起一定數(shù)量的液氨汽化,升騰到氣相中。由于這一蒸發(fā)過程是從液相中吸取汽化熱,所以汽化現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí),液相溫度下降,一直降低到與槽中新的壓力相對應(yīng)的平衡溫度。

同樣,如果為槽中的氣相提供一定的冷量,則有一部分氣態(tài)氨變成液態(tài)氨,槽中氣相壓力相應(yīng)下降。

處于汽液平衡狀態(tài)的氨,在輸送過程中,如果溫度不變而將其壓力升高(例如用泵加壓),或者壓力不變而將其溫度降低(例如用冷卻器將液氨冷卻),則液氨進(jìn)入過冷狀態(tài)。

處于過冷狀態(tài)的液氨,如果壓力降低一些,只要不低于當(dāng)時(shí)液氨溫度相對應(yīng)的平衡壓力,液氨不會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

液氨儲槽或中間槽總有一定高度,在穩(wěn)態(tài)情況下,處于汽液平衡狀態(tài)的液氨,僅僅是氣液兩相分界面處的那一部分,如果槽中無冷卻管之類的附件,槽中液體的溫度可看作是均勻一致的。因此,分界面以下液位深處的液氨,由于液柱的作用使靜壓升高,所以進(jìn)入過冷狀態(tài)。離分界面越遠(yuǎn),液氨過冷深度越深。

為了避免液氨流量測量時(shí)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象,選用下面的設(shè)計(jì)和安裝方法將是有效的。

①選用壓力損失較小的儀表。例如有一液氨流量測量對象的最大流量為40m3/h,選用 DN50 渦街流量計(jì)時(shí)的最大壓力損失為0.02MPa,比選用DN50渦輪流量計(jì)的壓力損失(為 0.025MPa)小。

②合理選擇安裝位置。流量傳感器安裝位置應(yīng)選擇在槽的底部出口管道上。在保證直管段的前提下,與槽的出口處應(yīng)盡量近些。這樣,液氨在輸送過程中,可減少經(jīng)輸送管道從大氣中吸收熱量。同時(shí),安裝位置應(yīng)盡量低些;這樣可提高過冷深度。

③將調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)后面。圖3.52所示的流程中,氨中間槽與氨分離器之間有較大壓差,此壓差絕大部分降落在調(diào)節(jié)閥上。液氨流過此閥時(shí),壓力突然降低,一定數(shù)量的液體汽化,從而出現(xiàn)氣液兩相流。為了避免流過流量計(jì)的流體中存在兩相流,節(jié)流閥必須裝在流量計(jì)下游。如果氨分離器的液相出口配有切斷閥,則正常測量時(shí)必須將切斷閥開足。在現(xiàn)場曾經(jīng)發(fā)生過切斷閥逐漸關(guān)小的同時(shí),流量計(jì)示值不僅不下降反而大幅度升高的情況,就是因?yàn)榍袛嚅y關(guān)小時(shí),液氨迅速汽化,體積膨脹數(shù)十倍到數(shù)百倍,從而使輸出與體積流量成正比的速度式流量計(jì)輸出突然升高,出現(xiàn)短時(shí)間的虛假指示。

④提高過冷深度。橫河電機(jī)公司提出了該公司生產(chǎn)的YF100型渦街流量計(jì)壓力損失和不發(fā)生氣穴現(xiàn)象的管道壓力計(jì)算公式,即:

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  如果能滿足式(3.102)的要求,肯定能不產(chǎn)生氣穴,但是在使用現(xiàn)場往往滿足不了這一要求,幸運(yùn)的是該公式的第二項(xiàng)提供了解決問題的另一個方法,即降低液體的飽和蒸氣壓。從前面分析可知,對于一種確定的液體,其飽和蒸氣壓p0是其溫度的函數(shù),溫度越低p0越低。液氨在進(jìn)流量計(jì)前,經(jīng)適度冷卻,使溫度降低,從而p0降低,這樣,盡管流量計(jì)進(jìn)口壓力不變,也能收到不產(chǎn)生氣穴的效果。

冷卻進(jìn)流量計(jì)的液氨在氨廠不是一件難事,只要將流量計(jì)前一定長度的管道改為夾套管,并引入少量的液氨經(jīng)節(jié)流膨脹,汽化后的氨溫度降低,為管中的液氨提供冷量,汽化后的氨放出冷量后進(jìn)回收系統(tǒng)。流程示意如圖3.53 所示。

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(3)儀表的選型與使用

①渦輪流量計(jì)。在液氨流量測量中,渦輪流量計(jì)使用最為廣泛,在油品流量測量中渦輪流量計(jì)表現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn),在液氨流量測量中也都具有。尤其是其優(yōu)越的重復(fù)性為提高計(jì)量精確度奠定了基礎(chǔ)。液氨極為純凈,流量計(jì)前不一定要裝過濾器。但是其軸承材質(zhì)的選擇很值得研究,有很多氨廠使用國產(chǎn)渦輪流量計(jì),其軸承為改性石墨,據(jù)報(bào)道效果不佳,原因是液氨對改性石墨有侵蝕性,影響使用壽命。近幾年來從國外引進(jìn)的配有硬質(zhì)合金軸和寶石軸承的渦輪流量計(jì),既耐一般介質(zhì)的侵蝕和腐蝕,又耐磨,在容易汽化的液體中使用效果很好。

渦輪流量計(jì)的美中不足仍然是軸承的壽命,石墨軸承的正常壽命可達(dá)2年,寶石軸承壽命更長些。徹底解決這一薄弱環(huán)節(jié)的方法是改用渦街流量計(jì)。

渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)完全沒有可動部件,液氨對旋渦發(fā)生體也無磨損,因此,可以說其壽命是無限的。除此之外,它還有下列優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單牢固,安裝維護(hù)方便;精確度較高、測量液體時(shí),一般可達(dá)±(0.5~1.0)%R,無零點(diǎn)漂移;范圍度寬,合理選擇儀表口徑,范圍度可達(dá)20:1;壓損小。

在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),輸出頻率信號不受流體物性(密度、黏度)和組分的影響,即流量系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān),只需在一種典型介質(zhì)(通常為水)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)。

其局限性是不適用低雷諾數(shù)測量(ReD應(yīng)大于2x104),所以高黏度、低流速的測量對象不宜選用。

③容積式流量計(jì)。有些飽和蒸氣壓力較高的流體也有容積式流量計(jì)成功應(yīng)用的實(shí)例,老式的容積式流量計(jì)只能計(jì)工作狀態(tài)下的體積總量。帶電脈沖(頻率)信號輸出的新式容積式流量計(jì)與顯示儀表配合,不但可計(jì)體積總量和瞬時(shí)流量,也可進(jìn)行流體溫度補(bǔ)償。

④科氏力質(zhì)量流量計(jì)。用科氏力質(zhì)量流量計(jì)測量高蒸氣壓流體流量選用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎,因?yàn)榭剖狭|(zhì)量流量計(jì)測量管內(nèi)流速高,壓損大,過冷深度不足的液體流過儀表測量管時(shí)極易產(chǎn)生汽化而不能工作。

(4)流量傳感器非線性誤差的修正

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圖3.54是某臺渦輪流量傳感器在全量程范圍內(nèi)的誤差曲線,其最大誤差不大于±0.5%。該流量傳感器在出廠檢驗(yàn)時(shí)通過實(shí)流(一般為水)校準(zhǔn),確定各規(guī)定校驗(yàn)點(diǎn)流量系數(shù),然后取各流量系數(shù)中數(shù)值最大和最小的兩個值算術(shù)平均數(shù)作為該臺儀表的儀表常數(shù),因此,所謂誤差就是各校驗(yàn)點(diǎn)流量系數(shù)相對于儀表常數(shù)之間的相對誤差。傳統(tǒng)的流量顯示儀表接收傳感器送來的頻率信號fi,然后按下式計(jì)算體積流量。

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這樣,在被測流體的黏度和密度同校準(zhǔn)時(shí)的流體相近,安裝也合理正確時(shí),測量系統(tǒng)能得到±0.5%R的準(zhǔn)確度(忽略流量顯示表的誤差),其誤差主要來自流量傳感器。

其實(shí)在流量全量程范圍內(nèi)都用一個流量系數(shù)是不合理的,因?yàn)榭陀^上一臺流量傳感器在不同瞬時(shí)流量時(shí),其流量系數(shù)也不同,如果能將流量傳感器校準(zhǔn)時(shí)各校驗(yàn)點(diǎn)所對應(yīng)的流量系數(shù)置入儀表,然后用查表和線性插值的方法計(jì)算流量系數(shù),并進(jìn)一步計(jì)算瞬時(shí)流量,那么各點(diǎn)的誤差即得到校正,最后只剩下重復(fù)性誤差,從而使系統(tǒng)精確度大大提高。

在智能化流量顯示儀表或DCS中,上述校正通常是用折線方法完成,折線段數(shù)一般取9或15段,折線的橫坐標(biāo)為瞬時(shí)流量,其縱坐標(biāo)為校正系數(shù)ka。當(dāng)流量顯示儀的功能指定欄選中“進(jìn)行校正”時(shí),式(3.103)變?yōu)?/span>

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液氨密度隨溫度變化的關(guān)系,在理化手冊中一般都用表格的形式描述,在二次表中直接使用這種表格較麻煩,所以一般都將此表格回歸成表達(dá)式的形式。

由于液氨的ρ=f(t)函數(shù)并非直線,所以如果用一次關(guān)系式去擬合,在不同的溫度段,就必須使用不同的系數(shù)和常數(shù),使用起來很不方便。在早期的二次儀表中,只能作一次關(guān)系式運(yùn)算的情況下,實(shí)屬不得已而為之。

現(xiàn)在的流量二次表運(yùn)算功能已經(jīng)相當(dāng)豐富,將二次多項(xiàng)式的系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)填入菜單并置入儀表,已是舉手之勞。所以,用一般二次多項(xiàng)式去描述ρ=f(t) 的關(guān)系,不僅使用方便,而且精確度也高。

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②流體溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)施。流體溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型建立之后,在流量顯示儀或DCS中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償實(shí)質(zhì)是將數(shù)學(xué)模型寫入儀表或DCS,其中參考溫度(流體常用溫度)td以及td所對應(yīng)的密度ρd作為常數(shù)寫入儀表。流體實(shí)際溫度t為自變量,是儀表輸入信號,儀表運(yùn)行后,每一個計(jì)算周期將t代入式(3.107)計(jì)算一次ρ,進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量。

③測量元件的選型。由于液氨密度的溫度系數(shù)絕對值較大,相應(yīng)的補(bǔ)償量也較大,所以,測溫元件最好選精確度較高的A級Pt100鉑熱電阻,在t=15℃時(shí),其誤差限為0.18℃。典型的流量二次表在300℃以下時(shí)最大誤差為±0.3℃,用方和根的方法合成后,測溫系統(tǒng)最大誤差為±0.35℃,由此給流量測量帶來的不確定度δρ/ρ約為±0.08%。

鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)考慮易燃易爆環(huán)境和被測介質(zhì)的低溫可能導(dǎo)致測溫套管內(nèi)結(jié)冷凝水,因此可選用隔爆型鎧裝結(jié)構(gòu)。


 
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