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富氫氣流量測量與純氫流量計算
發(fā)布時間:2019-10-16

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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