1 氫氣流量測量系統的設計與診斷

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，根源在于氫氣的物性。

 

人們已經熟知，在用渦街流量計測量的流體中，只要雷諾數不小于 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，才能恢復測量，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 ；

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，氫氣在管道中流動有安全流速的規定。氫氣管道設計規范規定，對于不銹鋼管道，較高流速不能高于 25 m/s[3]。根據安全流速，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并不多。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 氣態氨流量測量系統的設計與診斷

2.1 用巴類流量計測量氣氨流量不準

實例概況 ：山東某制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，管道表面干燥、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）環境溫度高于 15 ℃的情況

首先，管道表面濕漉漉，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，則管內氣氨處于飽和狀態。由于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，只要是過熱狀態，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）環境溫度低于 15 ℃的情況

當環境溫度低于 15 ℃時，管內流體經管道表面散發熱量，流體溫度有下降趨勢。本已處于飽和狀態的氣氨，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 [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，如果排液后的流量示值與排液前有顯著差異，則證明已經帶液。消除差壓信號傳輸通道內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，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，完全消除了積液現象 ：

① 采用偏心孔板，完全消除孔板前的積液現象[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積液。

（3）管道外表面結霜的分析氣氨管道外表面結霜的機會并不多。之所以會結霜是因為液氨在蒸發器內蒸發不完全，被氣氨帶到出口管道中繼續蒸發，因而從管壁吸收很多熱量，導致管道表面溫度大幅度降低。管道表面一旦結霜，將使各種型式的差壓流量計流量示值嚴重偏低。如果采用的是渦街流量計，流量示值也嚴重偏低。以致在流量趨勢圖上出現一個向下的大缺口。

 

管道結霜不是儀表專業的問題，儀表專業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器出口增設過熱器，使得從蒸發器出口管帶出的少量液氨，在過熱器中繼續蒸發 [6]。

（4）積液為什么對巴類流量計影響特別大

 

在氣態氨之類介質的流量測量中，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和高低壓室內可能積液的問題，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品制造商節能效果的宣傳，片面追求阻力小、壓損小，選用了巴類流量計后，才發現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 對應的差壓是 8 kPa，那么一個液滴對差壓的影響就變為 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，在流程工業中還有很多。例如，液態烴經蒸發器變成氣相后，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、根部閥及三閥組通道內積液，在冬季甚至結成冰，影響測量。

 

3 結束語

（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，設計選型時應做密度驗算。測量其他低分子量介質流量時，也應遵守安全規程并做密度驗算。

（2）液氨等高飽和蒸汽壓介質，在蒸發器得到熱量后氣化變成氣相，輸送到下一道工序。如果環境溫度低，輸送過程中損失熱量，會有部分氣氨冷凝重新變為液體，積在差壓變送器高低壓室及三閥組內。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積液的問題，應采用伴熱保溫或其他方法解決之。