1 氫氣流量測量系統(tǒng)的設(shè)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(jīng)聽到不少。究其原因，根源在于氫氣的物性。

 

人們已經(jīng)熟知，在用渦街流量計測量的流體中，只要雷諾數(shù)不小于 20 000，就能保證精確度。故在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算，如被測流體在常壓下溫度為 0 ℃的空氣，保證精確度的較低流速為 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只能大于 6 m/s。

 

這是因為在渦街流量計中，用于探測旋渦個數(shù)的檢測件在工作時，是將旋渦產(chǎn)生的推力信號轉(zhuǎn)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(chǎn)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，才能恢復(fù)測量，在被測氣體密度已知的情況下，保證精確度的較低流速為多少，這要根據(jù)原理，用公式來計算，這項計算就是渦街流量計用于低密度氣體測量時的密度驗算過程。例如山東某制藥廠有一氫氣流體測量對象，技術(shù)條件如下：

被測介質(zhì) ：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 ；

較大流量 ：2 000 Nm3/h ；

較小流量 ：400 Nm3/h。

 

由于氫氣屬易燃易爆物質(zhì)，氫氣在管道中流動有安全流速的規(guī)定。氫氣管道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，對于不銹鋼管道，較高流速不能高于 25 m/s[3]。根據(jù)安全流速，渦街流量計較小只能選 DN 50，這時，如果被測流體為空氣，按照儀表制造廠的選型樣本，保證精確度的較小流量為 233 Nm3/h。但是由于氫的分子量只有空氣的 1/14[4]，在相同的溫度、壓力條件下，氫氣的密度只有空氣的 1/14，因此，渦街流量傳感器內(nèi)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。儀表制造廠規(guī)定，在遇到此類情況時，須做密度驗算。對于 DY 型渦街流量計，橫河公司提出了驗算公式 [5]，即當(dāng)流體密度 ρ ＜ 7.8 kg/m3，下限流速應(yīng)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。

 

對于 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(guān)于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制。在本例中，測量任務(wù)要求的量程比為 5 倍，渦街流量計已經(jīng)不能勝任。標(biāo)準(zhǔn)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(jié)流件的節(jié)流作用，孔板開孔處的氫氣流速比工藝管內(nèi)的流速有顯著提高，所以，差壓裝置的直徑比 β，要設(shè)計得大一些，滿量程差壓ΔPmax，要設(shè)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(jīng)采用浮子式流量計測量氫氣流量，也獲得成功 [6]。但與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計相似，浮子四周的環(huán)隙中，流速也被提升。此環(huán)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(nèi)徑進行計算，但不象差壓式流量計那樣，能進行靈活的設(shè)計，所以，設(shè)計采用這種方法的并不多。曾經(jīng)有儀表公司宣傳，說孔板流量計精確度太低，采用科氏力質(zhì)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(nèi)徑縮得很小，以致管內(nèi)流速高達 200 ~ 300 m/s，這比安全流速高幾十倍，冒的風(fēng)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(fā)現(xiàn)測量管被氫氣磨穿了。

淄博和鎮(zhèn)海的石化廠都發(fā)生過科氏力質(zhì)量流量計測量管被氫氣磨穿的事件。幸虧及時發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)生爆炸事故。

 

2 氣態(tài)氨流量測量系統(tǒng)的設(shè)計與診斷

2.1 用巴類流量計測量氣氨流量不準(zhǔn)

實例概況 ：山東某制藥廠用巴類流量計測量氣態(tài)氨流量，流量計安裝在氨蒸發(fā)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(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

 

2.2 分析

液氨經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)變成氣態(tài)氨，然后去下一道工序，這是很多化工流程中的常用方法 [7]。在氣氨管道上增設(shè)流量計，既是控制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(zhì)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(xiàn)場描述中的管道狀況可知，管道表面干燥、濕漉漉和結(jié)霜三種情況，反映的實際是管內(nèi)的氣態(tài)氨的三種不同的形態(tài)。

 

（1）環(huán)境溫度高于 15 ℃的情況

首先，管道表面濕漉漉，意味著環(huán)境溫度比管內(nèi)流體溫度高，這時，大氣為管內(nèi)流體提供熱量。氨蒸發(fā)器出口如果不帶過熱器，則管內(nèi)氣氨處于飽和狀態(tài)。由于管內(nèi)流體溫度比環(huán)境溫度低，所以有從飽和狀態(tài)變成過熱狀態(tài)的趨勢。不管過熱度為多少，只要是過熱狀態(tài)，工藝管道內(nèi)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(nèi)，一般不會積液，流量計能進行正常測量。

 

（2）環(huán)境溫度低于 15 ℃的情況

當(dāng)環(huán)境溫度低于 15 ℃時，管內(nèi)流體經(jīng)管道表面散發(fā)熱量，流體溫度有下降趨勢。本已處于飽和狀態(tài)的氣氨，在損失熱量后，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(nèi) [8]、三閥組的各個通道內(nèi)的氣氨，也會有部分冷凝，影響差壓信號的準(zhǔn)確傳送，導(dǎo)致流量計零點偏移。嚴(yán)重的時候，連差壓變送器高低壓室內(nèi)都會積液氨。產(chǎn)生流量零點的嚴(yán)重漂移 [9]。

 

驗證三閥組內(nèi)和高低壓室內(nèi)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，如果排液后的流量示值與排液前有顯著差異，則證明已經(jīng)帶液。消除差壓信號傳輸通道內(nèi)積液的常用方法有兩個，其一是在根部閥、三閥組及高低壓室等已結(jié)液的部分進行伴熱保溫。其二是改用一體化濕氣體流量測量系統(tǒng)，根除部分冷凝帶來的問題，如圖 1 所示。

在圖 1 所示的濕氣體流量計中，完全消除了積液現(xiàn)象 ：

① 采用偏心孔板，完全消除孔板前的積液現(xiàn)象[10]。

② 用球閥代替三閥組中的針形閥，完全杜絕三閥組流道中的積液。

③ 將差壓變送器置于差壓裝置上方，完全消除高低壓室內(nèi)積液。

（3）管道外表面結(jié)霜的分析氣氨管道外表面結(jié)霜的機會并不多。之所以會結(jié)霜是因為液氨在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)不完全，被氣氨帶到出口管道中繼續(xù)蒸發(fā)，因而從管壁吸收很多熱量，導(dǎo)致管道表面溫度大幅度降低。管道表面一旦結(jié)霜，將使各種型式的差壓流量計流量示值嚴(yán)重偏低。如果采用的是渦街流量計，流量示值也嚴(yán)重偏低。以致在流量趨勢圖上出現(xiàn)一個向下的大缺口。

 

管道結(jié)霜不是儀表專業(yè)的問題，儀表專業(yè)是解決不了這個問題的。它是一個工藝問題，有效的解決方法是在蒸發(fā)器出口增設(shè)過熱器，使得從蒸發(fā)器出口管帶出的少量液氨，在過熱器中繼續(xù)蒸發(fā) [6]。

（4）積液為什么對巴類流量計影響特別大

 

在氣態(tài)氨之類介質(zhì)的流量測量中，差壓式流量計歷來使用得比較多，但是孔板流量計盡管也存在三閥組內(nèi)和高低壓室內(nèi)可能積液的問題，由于差壓上限取得比較大，少量的積液引起的誤差要小得多。后來用戶聽了巴類產(chǎn)品制造商節(jié)能效果的宣傳，片面追求阻力小、壓損小，選用了巴類流量計后，才發(fā)現(xiàn)巴類流量檢測件輸出的差壓信號幅值太小，積液引起的誤差很大，以致無法使用。

 

 

例如表壓 40 kPa，流速 15 m/s 的氣氨測量對象，由于氨的分子量只有空氣的 59%，所以，在相同的溫度、壓力和流速的條件下，檢測件輸出的差壓只有測量空氣時的 59%，即約 80 Pa（8 mm H2O），這樣，只要有一粒黃豆大小的液滴，就可將差壓信號全部抵消，當(dāng)然也可能是使差壓增大一倍。而如果是孔板流量計，假定 15 m/s 對應(yīng)的差壓是 8 kPa，那么一個液滴對差壓的影響就變?yōu)?1%，從而可能感覺不到。

 

（5）液滴影響的普遍意義

與氣氨流量測量相類似的測量對象，在流程工業(yè)中還有很多。例如，液態(tài)烴經(jīng)蒸發(fā)器變成氣相后，要求測量氣相流量，就與氣氨極為相似。其實，還不僅僅高飽和蒸氣壓介質(zhì)的氣相流量測量中有此問題，在用巴類流量計測量濕空氣、濕煤氣等潮濕氣體流量時，也有類似情況，即差壓變送器高低壓室內(nèi)、根部閥及三閥組通道內(nèi)積液，在冬季甚至結(jié)成冰，影響測量。

 

3 結(jié)束語

（1）渦街流量計用來測量氫氣流量時，上限流速要受到安全流速的制約。下限流速要受流體密度的制約，設(shè)計選型時應(yīng)做密度驗算。測量其他低分子量介質(zhì)流量時，也應(yīng)遵守安全規(guī)程并做密度驗算。

（2）液氨等高飽和蒸汽壓介質(zhì)，在蒸發(fā)器得到熱量后氣化變成氣相，輸送到下一道工序。如果環(huán)境溫度低，輸送過程中損失熱量，會有部分氣氨冷凝重新變?yōu)橐后w，積在差壓變送器高低壓室及三閥組內(nèi)。采用伴熱保溫方法或棄用三閥組等方法。可避免積液，保證正常測量。

（3）采用巴類流量計測量濕空氣、濕煤氣之類的濕氣體流量時，同樣存在高低壓室和三閥組內(nèi)積液的問題，應(yīng)采用伴熱保溫或其他方法解決之。