摘要：供需雙方(fāng)貿易交接計量(liang)以富氫氣體中(zhong)的純氫量爲準(zhun)，由于測量的富(fù)氫氣體中含有(you)飽和水蒸氣，随(sui)着溫度的變化(hua)，其中的水蒸氣(qi)與氫的體積分(fen)數均會發生變(bian)🈚化，導緻氫的平(píng)均相對分子質(zhi)量不停變化，爲(wei)測量帶來困難(nan)。針對該問題，對(duì)比分析了
渦街(jiē)流量計
方法、科(ke)氏力質量流量(liang)計方法、
孔闆流(liú)量計
方法三種(zhǒng)測量方案，最後(hòu)選取孔闆流量(liàng)計結合熱導式(shi)氫分析儀測量(liang)氫的體積分數(shù)，通過在流量演(yan)算器中進行密(mì)度補償、幹氣部(bu)分計算、純氫流(liú)量計算，實現了(le)準确🥰測量、數⁉️據(jù)可信。
某化工廠(chǎng)從附近的氯堿(jian)廠輸入純度爲(wei)98％的氫氣，用于✉️生(shēng)産氫體積分數(shu)φＨ2爲70％～90％的富氫氣體(ti)，再經1根内徑爲(wei)468ｍｍ的管道返♻️送回(huí)氯堿廠，混合氣(qì)中的水蒸氣達(da)到飽和狀态🥵，通(tōng)過熱導式氫分(fèn)析儀測量混合(he)氣中的氫體積(jī)分數🙇♀️，測量範圍(wei)爲50％～100％。該分析🏃♂️儀測(ce)量出的是幹氣(qi)體中的氫體💔積(ji)分數，而工藝要(yào)求測量的是濕(shi)氣體😍幹部分流(liu)量，并與氫體積(jī)分數一起計算(suàn)純氫的體🏃積流(liu)量，因此文中🏃♂️所(suo)述是⛱️一個變組(zu)🙇♀️分氣體的濕氣(qì)體幹部分流量(liang)測量💔問題。
1測量(liang)方案的确定
1．1渦(wo)街流量計方法(fa)
1）該方法信号處(chù)理較爲簡單。渦(wō)街流量計是一(yī)種體🌈積流量計(ji)👈，即🏒輸出信号僅(jin)與流過旋渦發(fā)生體處的流體(tǐ)平均流速成正(zhèng)比，而與物料的(de)密度、黏度等無(wu)關。如果能用渦(wo)🌈街流量計測量(liang)某種氣體的體(ti)積流☂️量，則信号(hao)☁️經下面的處理(li)後，就🐆可得到純(chún)氫體積流量。
ａ）将(jiang)濕氣體中的水(shui)汽量扣除。
B）将濕(shī)氣體的幹部分(fen)流量換算爲标(biāo)準狀态流量。
ｃ）将(jiang)測量到的幹氣(qì)體中氫體積分(fèn)數值與濕氣體(tǐ)的幹部分體積(jī)流量相乘，即得(de)到純氫的體積(jī)流量。
由于測量(liàng)對象具有管徑(jing)大、流速低、靜壓(ya)低、流體密度小(xiao)的特點🏃♀️，用渦街(jie)流量計測量是(shì)否可行，須經分(fen)析和具體驗算(suan)才可确定。
2）已知(zhī)條件。該測量對(dui)象與最低可測(cè)流速有關的參(cān)數🛀🏻包♌括：管道内(nèi)徑D20＝468ｍｍ，最高壓力爲(wei)70Kpa，常用壓力爲40Kpa，最(zuì)低壓力爲20Kpa，幹部(bu)☁️分最大體積流(liú)量爲1×104ｍ3/ｈ，幹部分常(chang)用體積流量爲(wei)7×103ｍ3/ｈ，最小體積流量(liang)爲2．8×103ｍ3/ｈ，介質溫度爲(wei)21．0～63．5℃（常用50℃），常用工況(kuàng)流體密度💞ρ1＝0．4138KG/ｍ3。由于(yú)工況🐪條件下的(de)流體密度小于(yú)0．5KG/ｍ3，使用渦街流量(liang)計👅測量将受到(dao)🤞流體密度的限(xiàn)制，因此根據上(shang)述數據計算得(dé)到常用工況條(tiáo)件下最小🌈體積(ji)流量對應的流(liú)速爲3．57ｍ/ｓ。
3）最低可測(cè)流速驗算［1－2］。提供(gong)了大口徑渦街(jie)流量計最低㊙️可(kě)測㊙️流速公式：
式(shi)中：ｖ———最低可測流(liú)速，ｍ/ｓ；ρ———流體密度，KG/ｍ3。
将(jiāng)ρ＝0．4138KG/ｍ3代入式（1）得到最(zuì)低可測流速爲(wei)8．73ｍ/ｓ，顯然比最小體(ti)積流量對應的(de)最低流速大得(dé)多。
4）縮小管徑的(de)可行性。縮徑前(qian)後的管徑與縮(suō)徑流速的關系(xi)可用式（2）計算：
式(shì)中：D2———縮小後的管(guǎn)徑，ｍｍ；D1———縮小前的管(guǎn)徑，ｍｍ；ｖ2———縮小後的流(liu)速，ｍ/ｓ；ｖ1———縮小前的流(liu)速，ｍ/ｓ。
将D1＝468ｍｍ，ｖ1＝3．57ｍ/ｓ，ｖ2＝8．73ｍ/ｓ代入式（2），得(dé)D2＝299．3ｍｍ，即要選DＮ300渦街流(liú)量計才能将最(zuì)小可測♊流🏃🏻量覆(fu)蓋，如果混合氣(qì)中的氫體積分(fen)數高于常用值(zhí)或🙇♀️流體壓力低(dī)于常用值，流體(ti)密度減小時将(jiang)導💜緻最小🈚流量(liàng)無法測量；而且(qie)管道流通截面(miàn)積縮徑後隻有(you)縮徑前的41％，縮徑(jìng)導緻流🥰速增高(gao)，最大流量時🆚的(de)流速高達31ｍ/ｓ，遠高(gāo)于規程規定的(de)安全流速［3］。因此(cǐ)，渦街流量計不(bu)适用富氫氣體(ti)積流量的測量(liàng)。
1．2科氏力質量流(liu)量計方法
用科(ke)氏力質量流量(liàng)計直接測量變(biàn)組分氣體的質(zhì)量流量，是個既(ji)省力又準确的(de)方案，但要求被(bèi)測氣體靜壓在(zai)100Kpa以上，以便測量(liàng)管内氣體達到(dào)必要的流速。但(dàn)在💰該案例中，靜(jing)壓最低時僅20Kpa，而(ér)且流速較高，也(ye)🈲不符合安全流(liu)速的規定。
1．3孔闆(pǎn)流量計方法
隻(zhī)要雷諾數大于(yú)5×103，采用該方法就(jiù)能保證測量的(de)精确度，不受下(xià)限流速的約束(shù)。但對于組分變(biàn)化的氣體，在溫(wen)度、壓力不變的(de)情況下，其密度(du)會随組分的變(biàn)化而💃🏻變化，從而(er)産生誤差，爲👉此(cǐ)必須針對組分(fèn)變化對測量的(de)影響進行補償(chang)。
2孔闆流量計方(fang)法的實施
孔闆流量計(jì)的基本公式如(rú)式（3）所示［4－6］：
式中：ｑm———質(zhi)量流量，kg/s；Ｃ———流出系(xì)數；β———直徑比，β＝D/D；ε1———節流(liu)件正端取壓口(kǒu)平面🐅上的可膨(péng)脹性系數；D———工作(zuo)條件下節流件(jian)的🌂開孔直徑，ｍ；D———管(guan)道内徑，ｍ；ΔP———差壓，Pａ；ρ1———節(jie)流件正端取壓(ya)口平面上的流(liu)體密度，KG/ｍ3。
當流量(liang)用體積流量表(biao)示時，式（3）轉換爲(wèi)式（4）：
式中：ｑＶ———體積流(liu)量，ｍ3/ｓ。
2．2混合氣密度(du)計算公式
1）标準(zhǔn)狀态下濕氣體(ti)幹部分的密度(dù)ρgn用式（5）計算［7－8］：
式中(zhōng)：φｉ———幹部分各組分(fen)的體積分數，％；ρGｎｉ———幹(gan)部分各組分的(de)💋密🔞度，KG/ｍ3．
由于氫體(ti)積分數較大，該(gai)案例中隻測量(liàng)濕氣體幹部分(fèn)中的氫體積分(fèn)數，即認爲除氫(qīng)之外的幾種其(qí)他氣體的體積(jī)分數恒定🐇不變(biàn)，則式（5）簡化成式(shì)（6）：
式中：φＨ2———氫體積分(fen)數，％；ρＨ2———标準狀态下(xià)的氫氣密度，KG/ｍ3；ρＮｎ———标(biāo)準狀态下🧑🏽🤝🧑🏻氫之(zhī)外其他氣體的(de)平均密度，KG/ｍ3。
2）工作(zuo)狀态下濕氣體(tǐ)幹部分密度ρG的(de)計算如式（7）所示(shì)💃🏻［7－8］：
式中：P1———工作狀态(tài)下差壓裝置正(zhèng)端取壓口絕對(duì)壓力，Pａ；1———濕氣體相(xiang)👣對濕度，取1＝100％；Pｓ1ｍａｘ———工作(zuo)狀态下飽和水(shuǐ)蒸氣的分壓，Pａ；Pｎ———标(biao)準狀态下氣體(tǐ)絕對壓力，Pａ；Tｎ，Tｆ———标準(zhǔn)狀态和工作狀(zhuang)态下氣體的熱(re)力學溫度，K；Zｎ，Zｆ———标準(zhǔn)🏃狀态和工作狀(zhuàng)态下氣體的壓(ya)縮系數，取💘Zｎ＝Zｆ＝1。其中(zhōng)Pｓ1ｍａｘ由表1查得.。
3）工作(zuo)狀态下濕氣體(tǐ)密度ρ1的計算如(rú)式（8）所示：
式中：ｑＶ1———工(gong)作狀态下混合(hé)氣幹部分體積(jī)流量，ｍ3/ｈ；ｑＶｎ———标準狀态(tai)下混合氣幹部(bù)分體積流量，通(tōng)常由測量任務(wu)書給出，包括刻(ke)度最大流量ｑＶｎｍａｘ，常(cháng)用流量ｑＶｎｃｏｍ和最小(xiao)流量ｑＶｎｍｉｎ，ｍ3/ｈ。
2．4差壓裝置(zhi)的計算
求得ｑＶ1和(hé)ρ1後，可按GB/T2624—2006設計計(jì)算差壓裝置。
3溫(wen)度壓力及ε1的補(bǔ)償
3．1溫度壓力補(bu)償氫體積分數(shu)的補償公式
氣(qi)體溫度、壓力偏(piān)離設計值時，氫(qing)體積分數也會(huì)偏離設計☎️值，此(cǐ)時濕氣體幹部(bu)分流量可用式(shì)（11）進行補償［10］：
式中(zhōng)：帶“′”的物理量爲(wèi)實際使用工況(kuàng)條件下的參數(shu)⛷️，不帶“′”的物🥵理量(liang)爲設計工況所(suǒ)對應的參數，在(zài)差壓㊙️裝置計算(suan)🎯書中✊可以獲得(de)。
式（9）中，由于工況(kuang)變化，ρ1已經從式(shì)（8）所表示的值變(biàn)成式（12）所表示的(de)值：
3．2流量示值的(de)可膨脹性系數(shù)補償
爲了提高(gao)濕氣體幹部分(fen)流量測量的精(jīng)确度，必須進行(háng)氣體可🔆膨脹性(xing)系數（ｅｘPａｎｓｉBｉｌｉTｙ）的補償，并(bing)按GB/T2624—2006中的公式Ｃ＝ｆ（β，RｅD）進(jìn)行雷諾數補償(cháng)，具體♻️操作方法(fa)詳見參考文獻(xiàn)［10－11］。
3．3補償公式的實(shi)現
式（15）中有一半(ban)的物理量是已(yi)知的，隻需按儀(yí)表說明書的要(yào)求填入菜單，其(qi)餘的則是測量(liàng)值或計算值，具(jù)體見表2所列。
3．4結(jié)構上的處理
由(yóu)于混合氣中的(de)水蒸氣體積分(fèn)數總是達到飽(bao)和程度，爲防止(zhi)冷凝水在孔闆(pan)前、
三閥組
内、
差(chà)壓變送器
高低(di)壓室内的聚積(jī)對測量的精确(què)度産生影響，該(gai)項目儀表采用(yong)偏心孔闆，并将(jiang)差壓變送器布(bù)置在水平管道(dao)上方，而且㊙️棄用(yòng)針形閥三閥組(zu)，改用不鏽鋼球(qiu)閥，從而杜絕了(le)積水。
爲便于清(qīng)理差壓信号導(dao)壓管内可能生(shēng)成的污物，差壓(yā)㊙️裝置采用徑距(jù)取壓方法。
4純氫(qing)流量的計算
孔(kong)闆流量計經密(mi)度補償測得的(de)濕氣體幹部分(fèn)體積流量，換算(suàn)爲标準狀态下(xià)的體積流量後(hou)，乘上幹氣體中(zhong)的氫體積分數(shù)，就得到純氫的(de)體積流量。
5結束(shù)語
1）文中計算是(shì)變組分氣體流(liú)量測量問題，組(zǔ)分的變💔化🏃🏻源自(zì)混✉️合氣中氫體(tǐ)積分數的變化(hua)和氣體溫度變(bian)化🐆引起的水汽(qì)體積分🌏數的變(biàn)化。介質溫度冬(dōng)季最低達♈21℃，夏季(jì)最高達63．5℃，水汽體(ti)積分數相差9倍(bèi)之多，因此混合(hé)氣密度變化很(hen)大。
2）該案例中采(cǎi)用熱導式氫分(fèn)析儀測量氣體(ti)幹部分的氫體(tǐ)積分🐪數，并根據(ju)氣體中飽和水(shuǐ)蒸氣壓力與飽(bǎo)和水蒸氣密度(du)表，扣除水汽體(tǐ)積分數，計算得(de)到純氫體積流(liu)量。
3）該案例中采(cai)用流量演算器(qì)實現各項計算(suàn)，由于使用的是(shì)彙編語言，所以(yǐ)杜絕了病毒的(de)侵擾，運行安全(quán)可靠。
4）該案例中(zhong)的系統在東北(běi)某化工企業投(tóu)運6ａ以來，運💞行可(ke)👄靠，未發生過故(gu)障。測量結果與(yǔ)産品産量一起(qǐ)計算🐇得到的氫(qīng)單耗不受季節(jie)影響，因此作爲(wei)貿易☀️交接手🌈段(duàn)得到了雙方認(rèn)可，從而解決了(le)經營管理中的(de)難題。
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