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3.3.3( 易蒸發)高飽和蒸氣壓液體流量的測量

  本節以液氨為例討論乙烯、丙稀、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,在標準大氣壓條件下,其沸點為-33.4℃,一次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的出口處產生氣穴和伴隨而來的氣蝕現象,引起流量計示值偏高和流量一次裝置受損。液態乙烯、丙稀等流量測量中遇到的情況也相同。本節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值。

  (1)液氨流量測量的特點

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。圖3.49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、氣態氨、液態氨混合物在氨分離器中進行分離,液氨經流量計和液位調節閥送低壓氨中間槽。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。

圖3.49液氨流量測量典型流程

液氨流量測量應盡量避免出現兩相流。然而接近氣液平衡狀態的液氨,在流過流量計時,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較大。從液氨的 =f(t)函數表可知,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,液氨計量必須進行溫度補償。

③ 精確度要求高。原化工部有關文件要求,液氨計量達到1級精確度。如果不采取有效措施,是很難達到這個要求的。

④ 流體易燃易爆。儀表選型時應選用防爆型儀表,儀表安裝、使用和維修中,都應遵守防爆規程。

⑤ 被測介質有腐蝕性。氨對銅等材料有強烈的腐蝕作用,因此,儀表被測介質直接接觸的部分應能耐受氨的腐蝕,儀表的電子學部分應有IP67及以上的防護能力,以防周圍環境中腐蝕性氣體對電子學部分的氣體腐蝕。

(2)氣穴和氣蝕防止流體汽化問題  在液體流動的管路中,如果某一區域的壓力降低到液體飽和蒸氣壓力之下,那么在這個區域內液體將會產生氣泡,這種氣泡聚集在低壓區域附近,就會形成氣穴,發生氣穴現象。在裝有透明管道的試驗裝置上,能觀察到氣穴的存在,它表現為在管道內一個基本不變的區域出現一個氣團。

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到壓強高的區域時,氣泡中的蒸汽會重新凝結為液體,此時氣泡會變形破裂,四周液體流向氣泡中心,發生劇烈的撞擊,壓力急劇增高,其值可達幾百個大氣壓,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,則氣蝕現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氣蝕現象。

氣蝕現象與熱力學中的沸騰現象有所不同,兩者雖然都有氣泡產生,但是氣蝕起因是由于壓強降低,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,流量一次裝置內或出口端極易出現氣穴現象。

處于氣液平衡狀態的流體,在溫度升高或壓力降低時,必然有部分液體發生相變。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氨排掉一些),必然引起一定數量的液氨汽化,氣騰到氣相中。由于這一蒸發過程是從液相中吸取汽化熱,所以,汽化現象發生的同時,液相溫度下降,一直降低到與槽中新的壓力相對應的平衡溫度。

同樣,如果為槽中的氣相提供一定冷量,則有一部分氣態氨變成液態氨,槽中氣相壓力相應下降。

處于氣液平衡狀態的氨,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),則液氨進入過冷狀態。

處于過冷狀態的液氨,如果壓力降低一些,只要不低于當時液氨溫度相對應的平衡壓力,雅安不會出現汽化現象。

液氨儲槽或中間槽,總有一定高度,在穩態情況下,處于氣液平衡狀態的液氨,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,所以進入過冷狀態。離分界面越遠,液氨過冷深度越深。

為了避免液氨流量測量時出現汽化現象,選用下面的設計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渦街流量計時的最大壓力損失為0.02MPa,比選用DN50渦輪流量計的壓力損失(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,與槽的出口處應盡量近些。這樣,液氨在輸送過程中,可減少經輸送管道從大氣中吸收熱量。同時,安裝位置應盡量低些,這樣可提高過冷深度。

③ 將調節閥安裝在流量計后面。圖3.49所示的流程中,氨中間槽與氨分離器之間有較大差壓,此壓差絕大部分降落在調節閥上。液氨流過此閥時,壓力突然降低,一定數量的液體汽化,從而出現氣液兩相流,為了避免流過流量計的流體中存在兩相流,節流閥必須裝在流量計下游。如果氨分離器的液相出口配有切斷閥,則正常測量時必須將切斷閥開足。在現場曾經發生過切斷閥逐漸關小的同時,流量計示值不僅不下降反而大幅度升高的情況,就是因為切斷閥關小時,液氨迅速汽化,體積膨脹數十倍到數百倍,從而使輸出與體積流量成正比的速度式流量計輸出突然升高,出現短時間的虛假指示。

④ 提高過冷深度。橫河電機公司提出了該公司生產的YF100型渦街流量計壓力損失和不發生氣穴現象的管道壓力計算公式,即

                               (3.84)

                                (3.85)

式中  ——壓力損失,MPa;

             ——液體的密度,kg/m3;

* ——流速,m/s;

p——最低管道壓力(絕對壓力),MPa;

p0——流體的飽和蒸氣壓(絕對壓力),MPa。

如果能滿足式(3.85)的要求,肯定能不產生氣穴,但是在使用現場往往滿足不了這一要求,幸運的是該公式的第二項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,溫度越低p0越低。液氨在進流量計前,經適度冷卻,使溫度降低,從而p0降低,這樣,盡管流量計進口壓力不變,也能收到不產生氣穴的效果。

  冷卻進流量計的液氨在氨廠不是一件難事,只要將流量計前一定長度的管道改為夾套管,并引入少量的液氨經節流膨脹,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回收系統。流程示意如圖3.50所示。

圖3.50防止產生氣穴的措施

(3)儀表的選型與使用

 ① 渦輪流量計。在液氨流量測量中,渦輪流量計使用最為廣泛,在第3.3.2節的油品流量測量中渦輪流量計表現出來的優點,在液氨流量測量中也都具有。尤其是其優越的重復性為提高計量精確度奠定了基礎。液氨極為純凈,流量計前不一定要裝過濾器。但是其軸承材質的選擇很值得研究,有很多氨廠使用國產渦輪流量計,其軸承為改性石墨,據報道效果不佳,原因是液氨對改性石墨有侵蝕性,影響使用壽命。近幾年從國外引進的配有硬質合金軸寶石軸承的渦輪流量計,能耐一般介質的侵蝕合腐蝕,又耐磨,在容易汽化的液體中使用效果很好。

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

   ② 渦街流量計。渦街流量計完全沒有可動部件,液氨對旋渦發生體也無磨損,因此,可以說其壽命是無限的。除此之外,它還有下列優點:結構簡單牢固,安裝維護方便;精確度較高,測量液體時,一般可達±(0.5~1.0)%R,無零點漂移;范圍度寬,合理選擇儀表口徑,范圍度可達20∶1;壓損小。

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

  其局限性是不適用低雷諾數測量(ReD應大于2 104),所以高黏度、低流速的測量對象不宜選用。

  ③ 容積式流量計。有些飽和蒸氣壓較高的流體也有容積式流量計成功應用的實例,老式的容積式流量計只能計工作工作狀態下的體積總量。帶電脈沖(頻率)信號輸出的新式容積式流量計與顯示儀表配合,不但可計體積總量和瞬時流量,也可進行流體溫度補償。

④ 科氏力質量流量計。用科氏力質量流量計測量高蒸氣壓流體流量選用時應謹慎,因為科氏力質量流量計測量管內流速高,壓損大,過冷深度不足夠深的液體流過儀表測量管時極易產生汽化而不能工作。

(4)流量傳感器非線性誤差的修正

 圖3.51是某臺渦輪流量傳感器在全量程范圍內的誤差曲線,其最大誤差不大于±0.5%,該流量傳感器在出廠檢驗時,通過實流(一般為水)校準,確定各規定校驗點流量系數,然后取各流量系數中數值最大和最小的兩個之算術平均數作為該臺儀表的儀表常數,因此。所謂誤差就是各校驗點流量系數相對于儀表常數之間的相對誤差。傳統的流量顯示儀表接收傳感

器送來的頻率信號fi,然后按下式計算體積流量。

圖3.51渦輪流量傳感器誤差曲線

qv=3.6                                  (3.86)

式中 qv——體積流量,m3/h;

——傳感器輸出的頻率信號,P/s;

Km——傳感器平均流量系數(儀表常數),P/L。

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

 其實在流量全量程范圍內都用一個流量系數是不合理的,因為客觀上一臺流量傳感器在不同瞬時流量時,其流量系數也不同,如果能將流量傳感器校準時各校驗點所對應的流量系數置入儀表,然后用查表和線性插值的方法計算流量系數,并進一步計算瞬時流量,那么,各點的誤差即得到校正,最后只剩下重復性誤差,從而使系統精確度大大提高。

在智能化流量顯示儀表或DCS中,上述校準通常是用折線方法完成,折線段數一般取9或15段,折線的橫坐標為瞬時流量,其縱坐標為校正系數k 。當流量顯示儀的功能指定欄選中“進行校正”時,式(3.86)變為

   qv=                                   (3.87)

式中 k ——流量系數校正系數。

   k                                       (3.88)

式中Ki——各點實際流量系數,P/L。

k 隨qv變化的關系通常用對照表給出,由于k 和qv都是未知數,因此求k 和qv是一個迭代的過程。圖3.52所示為某型號流量演算器實際使用的傳感器誤差校正計算程序框圖。

工業用流量傳感器出廠校準時,校驗點一般自取5個,用這些數據只能組成4段折線。用4段折線來代表一根完整的Ki=f(qv)曲線,實踐表明是不夠理想的。如有必要可在儀表訂貨時要求儀表制造廠適當增加校驗點,這些校驗點的選取應能覆蓋具體測量對象的測量上限,在流量常用點附近和流量系數變化較大的區間,校驗點可取得密一些。表3.11所示為一臺渦輪流量計傳感器的校驗點流量值qv、流量系數Ki、儀表常數Km、誤差、流量系數校正系數k 對照表。

(5)液氨密度的溫度補償

①溫度補償模型的建立。用戶要求液氨以質量流量計量,而渦輪流量計、渦街流量計等給出的僅僅是體積流量,即

  qv=3.6

式中qv——體積流量,m3/h;

    fi——流量傳感器輸出頻率,P/s;

    kt——流量傳感器在流體溫度為t條件下的流量系數,P/L。

圖3.52流量系數校正計算框圖

表3.11流量傳感器實流校準結果及校正系數例

序號

流量/(m3/h)

流量系數/(P/L)

平均流量系數/(P/L)

誤差 /%

校正系數k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3.02

4.55

6.02

7.45

8.84

10.52

11.97

13.54

15.07

72.85

73.01

73.12

73.24

73.35

73.23

73.11

72.94

72.79

73.07

-0.30

-0.08

0.07

0.23

0.38

0.22

0.05

-0.18

-0.38

1.0030

1.0002

0.9993

0.9977

0.9962

0.9978

0.9995

1.0018

1.0038

由質量流量與體積流量的關系知

                                                    (3.89)

式中  qm——質量流量,kg/h;

     ——工作狀態下流體密度,kg/m3。

而液氨密度又是溫度函數,即

液氨密度隨溫度變化的關系,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比較麻煩,所以,一般都將此表格回歸成表達式的形式。

由于液氨的 函數并非直線,所以如果用一次關系式去擬合,在不同的溫度段,就必須使用不同的系數和常數[29]。使用起來很不方便。在早期的二次儀表中,只能作一次關系式運算的情況下,實屬不得已而為之。

現在的流量二次表運算功能已經相當豐富,將二次多項式的系數和常數項填入菜單并置入儀表,已是舉手之勞。所以,用一般二次多項式去描述 的關系,不僅使用方便,而且精確度也高。

              (3.90)

式中 t——液氨溫度,℃;

     td——液氨參考溫度,℃;

    ——與td對應的液氨密度,kg/m3。

 下面舉例說明從表格形式變換到二次表達式的方法。

實現從表格形式到二次表達式的變換,可以用線性回歸方法,但若手頭沒有現成的回歸程序,則可列出二元一次方程組手算,后一種方法既不復雜,而且得到的表達式精確度也不低。例如有一液氨流量對象,流體常用溫度為5℃,常年可能出現的最低溫度和最高溫度分別為-5℃和15℃,從手冊中查到這三個溫度條件下的液氨密度,如表3.12所示。

表3.12液氨密度

溫度t/℃

密度

-5

5

15

645.3

631.7

617.6

如圖3.53,選td =5℃,則 =631.7kg/m3,將這段曲線的兩個端點的溫度和密度數據,以及td、 數據代入式(3.90)得到下面的方程組。

圖3.53 液氨密度與溫度的關系曲線

    [1+10 10-2 ]

解此方程組得

   

    

    其中 為一次項系數, 為二次項系數。于是式(3.90)就具體                     具體化為

  

 經驗證,這一求解結果與表3.12中所列的三點 數據完全吻合,而與曲線兩端點之間的其他點數據比較,最大誤差為±0.01%,所以是可以使用的。

②流體溫度補償的實施。流體溫度補償的數學模型建立之后,在流量顯示儀或DCS中實現補償實質上是將數學模型寫入儀表DCS,其中參考溫度(流體常用溫度)td以及td所對應的密度 作為常數寫入儀表。流體實際溫度t為自變量,是儀表輸入信號,儀表運行后,每一個計算周期將t代入式(3.90)計算一次 ,進而計算質量流量。

③ 測量元件的選型。由于液氨密度的溫度系數絕對值較大,相應的補償量也較大,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,其誤差限為0.18℃。典型的流量二次表在300℃以下時最大誤差為±0.3℃,用方和根的方法合成后,測溫系統最大誤差為±0.35℃,由此給流量測量帶來的不確定度 約為±0.08%。

鉑熱電阻的結構選擇應考慮易燃易爆環境和被測介質的低溫可能導致測溫套管內結冷凝水,因此可選用隔爆型鎧裝結構。

 

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