摘要：供需雙方貿(mào)易交接計量以富氫氣體中的純氫量為準(zhǔn)，由于測量的富氫氣體中含有飽和水蒸氣，隨著溫度的變化，其中的水蒸氣與氫的體積分?jǐn)?shù)均會發(fā)生變化，導(dǎo)致氫的平均相對分子質(zhì)量不停變化，為測量帶來困難。針對該問題，對比分析了渦街流量計方法、科氏力質(zhì)量流量計方法、孔板流量計方法三種測量方案，最后選取孔板流量計結(jié)合熱導(dǎo)式氫分析儀測量氫的體積分?jǐn)?shù)，通過在流量演算器中進行密度補償、干氣部分計算、純氫流量計算，實現(xiàn)了準(zhǔn)確測量、數(shù)據(jù)可信。
　　某化工廠從附近的氯堿廠輸入純度為98％的氫氣，用于生產(chǎn)氫體積分?jǐn)?shù)φＨ2為70％～90％的富氫氣體，再經(jīng)1根內(nèi)徑為468ｍｍ的管道返送回氯堿廠，混合氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)，通過熱導(dǎo)式氫分析儀測量混合氣中的氫體積分?jǐn)?shù)，測量范圍為50％～100％。該分析儀測量出的是干氣體中的氫體積分?jǐn)?shù)，而工藝要求測量的是濕氣體干部分流量，并與氫體積分?jǐn)?shù)一起計算純氫的體積流量，因此文中所述是一個變組分氣體的濕氣體干部分流量測量問題。
1測量方案的確定
1．1渦街流量計方法
1）該方法信號處理較為簡單。渦街流量計是一種體積流量計，即輸出信號僅與流過旋渦發(fā)生體處的流體平均流速成正比，而與物料的密度、黏度等無關(guān)。如果能用渦街流量計測量某種氣體的體積流量，則信號經(jīng)下面的處理后，就可得到純氫體積流量。
ａ）將濕氣體中的水汽量扣除。
B）將濕氣體的干部分流量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量。
ｃ）將測量到的干氣體中氫體積分?jǐn)?shù)值與濕氣體的干部分體積流量相乘，即得到純氫的體積流量。
由于測量對象具有管徑大、流速低、靜壓低、流體密度小的特點，用渦街流量計測量是否可行，須經(jīng)分析和具體驗算才可確定。
2）已知條件。該測量對象與最低可測流速有關(guān)的參數(shù)包括：管道內(nèi)徑D20＝468ｍｍ，最高壓力為70Kpa，常用壓力為40Kpa，最低壓力為20Kpa，干部分最大體積流量為1×104ｍ3/ｈ，干部分常用體積流量為7×103ｍ3/ｈ，最小體積流量為2．8×103ｍ3/ｈ，介質(zhì)溫度為21．0～63．5℃（常用50℃），常用工況流體密度ρ1＝0．4138KG/ｍ3。由于工況條件下的流體密度小于0．5KG/ｍ3，使用渦街流量計測量將受到流體密度的限制，因此根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算得到常用工況條件下最小體積流量對應(yīng)的流速為3．57ｍ/ｓ。
3）最低可測流速驗算［1－2］。提供了大口徑渦街流量計最低可測流速公式：

式中：ｖ———最低可測流速，ｍ/ｓ；ρ———流體密度，KG/ｍ3。
將ρ＝0．4138KG/ｍ3代入式（1）得到最低可測流速為8．73ｍ/ｓ，顯然比最小體積流量對應(yīng)的最低流速大得多。
4）縮小管徑的可行性。縮徑前后的管徑與縮徑流速的關(guān)系可用式（2）計算：

　　式中：D2———縮小后的管徑，ｍｍ；D1———縮小前的管徑，ｍｍ；ｖ2———縮小后的流速，ｍ/ｓ；ｖ1———縮小前的流速，ｍ/ｓ。
　　將D1＝468ｍｍ，ｖ1＝3．57ｍ/ｓ，ｖ2＝8．73ｍ/ｓ代入式（2），得D2＝299．3ｍｍ，即要選DＮ300渦街流量計才能將最小可測流量覆蓋，如果混合氣中的氫體積分?jǐn)?shù)高于常用值或流體壓力低于常用值，流體密度減小時將導(dǎo)致最小流量無法測量；而且管道流通截面積縮徑后只有縮徑前的41％，縮徑導(dǎo)致流速增高，最大流量時的流速高達31ｍ/ｓ，遠高于規(guī)程規(guī)定的安全流速［3］。因此，渦街流量計不適用富氫氣體積流量的測量。
1．2科氏力質(zhì)量流量計方法
　　用科氏力質(zhì)量流量計直接測量變組分氣體的質(zhì)量流量，是個既省力又準(zhǔn)確的方案，但要求被測氣體靜壓在100Kpa以上，以便測量管內(nèi)氣體達到必要的流速。但在該案例中，靜壓最低時僅20Kpa，而且流速較高，也不符合安全流速的規(guī)定。
1．3孔板流量計方法
　　只要雷諾數(shù)大于5×103，采用該方法就能保證測量的精確度，不受下限流速的約束。但對于組分變化的氣體，在溫度、壓力不變的情況下，其密度會隨組分的變化而變化，從而產(chǎn)生誤差，為此必須針對組分變化對測量的影響進行補償。
2孔板流量計方法的實施

1. 孔板流量計基本公式：

孔板流量計的基本公式如式（3）所示［4－6］：

　　式中：ｑm———質(zhì)量流量，kg/s；Ｃ———流出系數(shù)；β———直徑比，β＝D/D；ε1———節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù)；D———工作條件下節(jié)流件的開孔直徑，ｍ；D———管道內(nèi)徑，ｍ；ΔP———差壓，Pａ；ρ1———節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度，KG/ｍ3。
當(dāng)流量用體積流量表示時，式（3）轉(zhuǎn)換為式（4）：

式中：ｑＶ———體積流量，ｍ3/ｓ。
2．2混合氣密度計算公式
1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕氣體干部分的密度ρgn用式（5）計算［7－8］：

　　式中：φｉ———干部分各組分的體積分?jǐn)?shù)，％；ρGｎｉ———干部分各組分的密度，KG/ｍ3．
　　由于氫體積分?jǐn)?shù)較大，該案例中只測量濕氣體干部分中的氫體積分?jǐn)?shù)，即認(rèn)為除氫之外的幾種其他氣體的體積分?jǐn)?shù)恒定不變，則式（5）簡化成式（6）：

　　式中：φＨ2———氫體積分?jǐn)?shù)，％；ρＨ2———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣密度，KG/ｍ3；ρＮｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫之外其他氣體的平均密度，KG/ｍ3。
2）工作狀態(tài)下濕氣體干部分密度ρG的計算如式（7）所示［7－8］：

　　式中：P1———工作狀態(tài)下差壓裝置正端取壓口絕對壓力，Pａ；��1———濕氣體相對濕度，取��1＝100％；Pｓ1ｍａｘ———工作狀態(tài)下飽和水蒸氣的分壓，Pａ；Pｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體絕對壓力，Pａ；Tｎ，Tｆ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工作狀態(tài)下氣體的熱力學(xué)溫度，K；Zｎ，Zｆ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工作狀態(tài)下氣體的壓縮系數(shù)，取Zｎ＝Zｆ＝1。其中Pｓ1ｍａｘ由表1查得.。

3）工作狀態(tài)下濕氣體密度ρ1的計算如式（8）所示：

　　式中：ｑＶ1———工作狀態(tài)下混合氣干部分體積流量，ｍ3/ｈ；ｑＶｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混合氣干部分體積流量，通常由測量任務(wù)書給出，包括刻度最大流量ｑＶｎｍａｘ，常用流量ｑＶｎｃｏｍ和最小流量ｑＶｎｍｉｎ，ｍ3/ｈ。
2．4差壓裝置的計算
　　求得ｑＶ1和ρ1后，可按GB/T2624—2006設(shè)計計算差壓裝置。
3溫度壓力及ε1的補償
3．1溫度壓力補償氫體積分?jǐn)?shù)的補償公式
　　氣體溫度、壓力偏離設(shè)計值時，氫體積分?jǐn)?shù)也會偏離設(shè)計值，此時濕氣體干部分流量可用式（11）進行補償［10］：

式中：帶“′”的物理量為實際使用工況條件下的參數(shù)，不帶“′”的物理量為設(shè)計工況所對應(yīng)的參數(shù)，在差壓裝置計算書中可以獲得。
式（9）中，由于工況變化，ρ1已經(jīng)從式（8）所表示的值變成式（12）所表示的值：

3．2流量示值的可膨脹性系數(shù)補償
　　為了提高濕氣體干部分流量測量的精確度，必須進行氣體可膨脹性系數(shù)（ｅｘPａｎｓｉBｉｌｉTｙ）的補償，并按GB/T2624—2006中的公式Ｃ＝ｆ（β，RｅD）進行雷諾數(shù)補償，具體操作方法詳見參考文獻［10－11］。
3．3補償公式的實現(xiàn)
　　式（15）中有一半的物理量是已知的，只需按儀表說明書的要求填入菜單，其余的則是測量值或計算值，具體見表2所列。


3．4結(jié)構(gòu)上的處理
　　由于混合氣中的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)總是達到飽和程度，為防止冷凝水在孔板前、三閥組內(nèi)、差壓變送器高低壓室內(nèi)的聚積對測量的精確度產(chǎn)生影響，該項目儀表采用偏心孔板，并將差壓變送器布置在水平管道上方，而且棄用針形閥三閥組，改用不銹鋼球閥，從而杜絕了積水。
　　為便于清理差壓信號導(dǎo)壓管內(nèi)可能生成的污物，差壓裝置采用徑距取壓方法。
4純氫流量的計算
　　孔板流量計經(jīng)密度補償測得的濕氣體干部分體積流量，換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量后，乘上干氣體中的氫體積分?jǐn)?shù)，就得到純氫的體積流量。
5結(jié)束語
1）文中計算是變組分氣體流量測量問題，組分的變化源自混合氣中氫體積分?jǐn)?shù)的變化和氣體溫度變化引起的水汽體積分?jǐn)?shù)的變化。介質(zhì)溫度冬季最低達21℃，夏季最高達63．5℃，水汽體積分?jǐn)?shù)相差9倍之多，因此混合氣密度變化很大。
2）該案例中采用熱導(dǎo)式氫分析儀測量氣體干部分的氫體積分?jǐn)?shù)，并根據(jù)氣體中飽和水蒸氣壓力與飽和水蒸氣密度表，扣除水汽體積分?jǐn)?shù)，計算得到純氫體積流量。
3）該案例中采用流量演算器實現(xiàn)各項計算，由于使用的是匯編語言，所以杜絕了病毒的侵?jǐn)_，運行安全可靠。
4）該案例中的系統(tǒng)在東北某化工企業(yè)投運6ａ以來，運行可靠，未發(fā)生過故障。測量結(jié)果與產(chǎn)品產(chǎn)量一起計算得到的氫單耗不受季節(jié)影響，因此作為貿(mào)易交接手段得到了雙方認(rèn)可，從而解決了經(jīng)營管理中的難題。

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