（易蒸發(fā)）高飽和蒸氣壓液體流量的測(cè)量
本節(jié)以液氨為例討論乙烯、丙烯、氯乙烯等高飽和蒸氣壓液體流量的測(cè)量。
液氨流量測(cè)量同前面討論過(guò)的水流量測(cè)量、油流量測(cè)量有以下兩個(gè)重大的差別。一是液氨的飽和蒸氣壓高，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，其沸點(diǎn)為-33.4℃，因此必須在壓力條件下輸送和儲(chǔ)存。二是這種流體的流量測(cè)量中容易因儀表的壓力損失而在流量計(jì)的出口處產(chǎn)生氣穴和伴隨而來(lái)的汽蝕現(xiàn)象，引起流量計(jì)示值偏高和流量一次裝置受損。液態(tài)乙烯、丙烯等流量測(cè)量中遇到的情況也相同。本節(jié)分析液氨流量測(cè)量中遇到的問(wèn)題及其處理方法，對(duì)其他飽和蒸氣壓較高液體的流量測(cè)量也有參考價(jià)值。
(1)液氨流量測(cè)量的特點(diǎn)
①儲(chǔ)存在儲(chǔ)槽中液氨的氣液分界面處一般處于氣液平衡狀態(tài)。圖3.52所示為氨廠入庫(kù)液氨流量測(cè)量的典型流程。來(lái)自氨冷凝器的合成氣、氣態(tài)氨、液態(tài)氨混合物在氨分離器中進(jìn)行分離，液氨經(jīng)流量計(jì)和液位調(diào)節(jié)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(tài)。
液氨流量測(cè)量應(yīng)盡量避免出現(xiàn)兩相流。然而接近氣液平衡狀態(tài)的液氨，在流過(guò)流量計(jì)時(shí)，如果壓頭損失較大，則很容易引起部分汽化，影響測(cè)量精確度。
②流體密度的溫度系數(shù)較大。從液氨的ρ=f(t) 函數(shù)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(jì)量必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
③精確度要求高。原化工部有關(guān)文件要求，液氨計(jì)量應(yīng)達(dá)到1級(jí)精確度。如果不采取有效措施，是很難達(dá)到這個(gè)要求的。
④流體易燃易爆。儀表選型時(shí)應(yīng)選用防爆型儀表，儀表安裝、使用和維修中，都應(yīng)遵守防爆規(guī)程。
⑤被測(cè)介質(zhì)有腐蝕性。氨對(duì)銅等材料有強(qiáng)烈的腐蝕作用，因此，儀表與被測(cè)介質(zhì)直接接觸的部分應(yīng)能耐受氨的腐蝕，儀表的電子學(xué)部分應(yīng)有IP67及以上的防護(hù)能力，以防周圍環(huán)境中腐蝕性氣體對(duì)電子學(xué)部分的氣體腐蝕。
(2)氣穴和汽蝕及防止流體汽化問(wèn)題在液體流動(dòng)的管路中，如果某一區(qū)域的壓力降低到液體飽和蒸氣壓力之下，那么在這個(gè)區(qū)域內(nèi)液體將會(huì)產(chǎn)生氣泡，這種氣泡聚集在低壓區(qū)域附近，就會(huì)形成氣穴，發(fā)生氣穴現(xiàn)象。在裝有透明管道的試驗(yàn)裝置上，能觀察到氣穴的存在，它表現(xiàn)為在管道內(nèi)一個(gè)基本不變的區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)氣團(tuán)。
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(dá)到壓強(qiáng)高的區(qū)域時(shí)，氣泡中的蒸氣會(huì)重新凝結(jié)為液體，此時(shí)氣泡會(huì)變形破裂，四周液體流向氣泡中心，發(fā)生劇烈的撞擊，壓力急劇增高，其值可達(dá)幾百個(gè)大氣壓，不斷破裂的氣泡會(huì)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(jì)，則汽蝕現(xiàn)象將引起測(cè)量誤差增大，并能損壞一次裝置。氣泡從形成、增長(zhǎng)、破裂以及造成材料侵蝕的整個(gè)過(guò)程就稱為汽蝕現(xiàn)象。
汽蝕現(xiàn)象與熱力學(xué)中的沸騰現(xiàn)象有所不同，兩者雖然都有氣泡產(chǎn)生，但是汽蝕起因是由于壓強(qiáng)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(cè)量中，流量一次裝置內(nèi)或出口端極易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。
處于汽液平衡狀態(tài)的流體，在溫度升高或壓力降低時(shí)，必然有部分液體發(fā)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(tài)氨排掉一些)，必然引起一定數(shù)量的液氨汽化，升騰到氣相中。由于這一蒸發(fā)過(guò)程是從液相中吸取汽化熱，所以汽化現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)，液相溫度下降，一直降低到與槽中新的壓力相對(duì)應(yīng)的平衡溫度。
同樣，如果為槽中的氣相提供一定的冷量，則有一部分氣態(tài)氨變成液態(tài)氨，槽中氣相壓力相應(yīng)下降。
處于汽液平衡狀態(tài)的氨，在輸送過(guò)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(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)。
處于過(guò)冷狀態(tài)的液氨，如果壓力降低一些，只要不低于當(dāng)時(shí)液氨溫度相對(duì)應(yīng)的平衡壓力，液氨不會(huì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。
液氨儲(chǔ)槽或中間槽總有一定高度，在穩(wěn)態(tài)情況下，處于汽液平衡狀態(tài)的液氨，僅僅是氣液兩相分界面處的那一部分，如果槽中無(wú)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(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)。離分界面越遠(yuǎn)，液氨過(guò)冷深度越深。
為了避免液氨流量測(cè)量時(shí)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，選用下面的設(shè)計(jì)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(cè)量對(duì)象的最大流量為40m3/h，選用 DN50 渦街流量計(jì)時(shí)的最大壓力損失為0.02MPa，比選用DN50渦輪流量計(jì)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(yīng)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(yīng)盡量近些。這樣，液氨在輸送過(guò)程中，可減少經(jīng)輸送管道從大氣中吸收熱量。同時(shí)，安裝位置應(yīng)盡量低些;這樣可提高過(guò)冷深度。
③將調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)后面。圖3.52所示的流程中，氨中間槽與氨分離器之間有較大壓差，此壓差絕大部分降落在調(diào)節(jié)閥上。液氨流過(guò)此閥時(shí)，壓力突然降低，一定數(shù)量的液體汽化，從而出現(xiàn)氣液兩相流。為了避免流過(guò)流量計(jì)的流體中存在兩相流，節(jié)流閥必須裝在流量計(jì)下游。如果氨分離器的液相出口配有切斷閥，則正常測(cè)量時(shí)必須將切斷閥開(kāi)足。在現(xiàn)場(chǎng)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)切斷閥逐漸關(guān)小的同時(shí)，流量計(jì)示值不僅不下降反而大幅度升高的情況，就是因?yàn)榍袛嚅y關(guān)小時(shí)，液氨迅速汽化，體積膨脹數(shù)十倍到數(shù)百倍，從而使輸出與體積流量成正比的速度式流量計(jì)輸出突然升高，出現(xiàn)短時(shí)間的虛假指示。
④提高過(guò)冷深度。橫河電機(jī)公司提出了該公司生產(chǎn)的YF100型渦街流量計(jì)壓力損失和不發(fā)生氣穴現(xiàn)象的管道壓力計(jì)算公式，即：
如果能滿足式(3.102)的要求，肯定能不產(chǎn)生氣穴，但是在使用現(xiàn)場(chǎng)往往滿足不了這一要求，幸運(yùn)的是該公式的第二項(xiàng)提供了解決問(wèn)題的另一個(gè)方法，即降低液體的飽和蒸氣壓。從前面分析可知，對(duì)于一種確定的液體，其飽和蒸氣壓p0是其溫度的函數(shù)，溫度越低p0越低。液氨在進(jìn)流量計(jì)前，經(jīng)適度冷卻，使溫度降低，從而p0降低，這樣，盡管流量計(jì)進(jìn)口壓力不變，也能收到不產(chǎn)生氣穴的效果。
冷卻進(jìn)流量計(jì)的液氨在氨廠不是一件難事，只要將流量計(jì)前一定長(zhǎng)度的管道改為夾套管，并引入少量的液氨經(jīng)節(jié)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(jìn)回收系統(tǒng)。流程示意如圖3.53 所示。
(3)儀表的選型與使用
①渦輪流量計(jì)。在液氨流量測(cè)量中，渦輪流量計(jì)使用最為廣泛，在油品流量測(cè)量中渦輪流量計(jì)表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，在液氨流量測(cè)量中也都具有。尤其是其優(yōu)越的重復(fù)性為提高計(jì)量精確度奠定了基礎(chǔ)。液氨極為純凈，流量計(jì)前不一定要裝過(guò)濾器。但是其軸承材質(zhì)的選擇很值得研究，有很多氨廠使用國(guó)產(chǎn)渦輪流量計(jì)，其軸承為改性石墨，據(jù)報(bào)道效果不佳，原因是液氨對(duì)改性石墨有侵蝕性，影響使用壽命。近幾年來(lái)從國(guó)外引進(jìn)的配有硬質(zhì)合金軸和寶石軸承的渦輪流量計(jì)，既耐一般介質(zhì)的侵蝕和腐蝕，又耐磨，在容易汽化的液體中使用效果很好。
渦輪流量計(jì)的美中不足仍然是軸承的壽命，石墨軸承的正常壽命可達(dá)2年，寶石軸承壽命更長(zhǎng)些。徹底解決這一薄弱環(huán)節(jié)的方法是改用渦街流量計(jì)。
②渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)完全沒(méi)有可動(dòng)部件，液氨對(duì)旋渦發(fā)生體也無(wú)磨損，因此，可以說(shuō)其壽命是無(wú)限的。除此之外，它還有下列優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便;精確度較高、測(cè)量液體時(shí)，一般可達(dá)±(0.5~1.0)%R，無(wú)零點(diǎn)漂移;范圍度寬，合理選擇儀表口徑，范圍度可達(dá)20:1;壓損小。
在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號(hào)不受流體物性(密度、黏度)和組分的影響，即流量系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān)，只需在一種典型介質(zhì)(通常為水)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)。
其局限性是不適用低雷諾數(shù)測(cè)量(ReD應(yīng)大于2x104)，所以高黏度、低流速的測(cè)量對(duì)象不宜選用。
③容積式流量計(jì)。有些飽和蒸氣壓力較高的流體也有容積式流量計(jì)成功應(yīng)用的實(shí)例，老式的容積式流量計(jì)只能計(jì)工作狀態(tài)下的體積總量。帶電脈沖(頻率)信號(hào)輸出的新式容積式流量計(jì)與顯示儀表配合，不但可計(jì)體積總量和瞬時(shí)流量，也可進(jìn)行流體溫度補(bǔ)償。
④科氏力質(zhì)量流量計(jì)。用科氏力質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量高蒸氣壓流體流量選用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，因?yàn)榭剖狭|(zhì)量流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)流速高，壓損大，過(guò)冷深度不足的液體流過(guò)儀表測(cè)量管時(shí)極易產(chǎn)生汽化而不能工作。
(4)流量傳感器非線性誤差的修正
圖3.54是某臺(tái)渦輪流量傳感器在全量程范圍內(nèi)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(yàn)時(shí)通過(guò)實(shí)流(一般為水)校準(zhǔn)，確定各規(guī)定校驗(yàn)點(diǎn)流量系數(shù)，然后取各流量系數(shù)中數(shù)值最大和最小的兩個(gè)值算術(shù)平均數(shù)作為該臺(tái)儀表的儀表常數(shù)，因此，所謂誤差就是各校驗(yàn)點(diǎn)流量系數(shù)相對(duì)于儀表常數(shù)之間的相對(duì)誤差。傳統(tǒng)的流量顯示儀表接收傳感器送來(lái)的頻率信號(hào)fi，然后按下式計(jì)算體積流量。
這樣，在被測(cè)流體的黏度和密度同校準(zhǔn)時(shí)的流體相近，安裝也合理正確時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)能得到±0.5%R的準(zhǔn)確度(忽略流量顯示表的誤差)，其誤差主要來(lái)自流量傳感器。
其實(shí)在流量全量程范圍內(nèi)都用一個(gè)流量系數(shù)是不合理的，因?yàn)榭陀^上一臺(tái)流量傳感器在不同瞬時(shí)流量時(shí)，其流量系數(shù)也不同，如果能將流量傳感器校準(zhǔn)時(shí)各校驗(yàn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)置入儀表，然后用查表和線性插值的方法計(jì)算流量系數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算瞬時(shí)流量，那么各點(diǎn)的誤差即得到校正，最后只剩下重復(fù)性誤差，從而使系統(tǒng)精確度大大提高。
在智能化流量顯示儀表或DCS中，上述校正通常是用折線方法完成，折線段數(shù)一般取9或15段，折線的橫坐標(biāo)為瞬時(shí)流量，其縱坐標(biāo)為校正系數(shù)ka。當(dāng)流量顯示儀的功能指定欄選中“進(jìn)行校正”時(shí)，式(3.103)變?yōu)?/span>
液氨密度隨溫度變化的關(guān)系，在理化手冊(cè)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較麻煩，所以一般都將此表格回歸成表達(dá)式的形式。
由于液氨的ρ=f(t)函數(shù)并非直線，所以如果用一次關(guān)系式去擬合，在不同的溫度段，就必須使用不同的系數(shù)和常數(shù)，使用起來(lái)很不方便。在早期的二次儀表中，只能作一次關(guān)系式運(yùn)算的情況下，實(shí)屬不得已而為之。
現(xiàn)在的流量二次表運(yùn)算功能已經(jīng)相當(dāng)豐富，將二次多項(xiàng)式的系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)填入菜單并置入儀表，已是舉手之勞。所以，用一般二次多項(xiàng)式去描述ρ=f(t) 的關(guān)系，不僅使用方便，而且精確度也高。
②流體溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)施。流體溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型建立之后，在流量顯示儀或DCS中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償實(shí)質(zhì)是將數(shù)學(xué)模型寫入儀表或DCS，其中參考溫度(流體常用溫度)td以及td所對(duì)應(yīng)的密度ρd作為常數(shù)寫入儀表。流體實(shí)際溫度t為自變量，是儀表輸入信號(hào)，儀表運(yùn)行后，每一個(gè)計(jì)算周期將t代入式(3.107)計(jì)算一次ρ，進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量。
③測(cè)量元件的選型。由于液氨密度的溫度系數(shù)絕對(duì)值較大，相應(yīng)的補(bǔ)償量也較大，所以，測(cè)溫元件最好選精確度較高的A級(jí)Pt100鉑熱電阻，在t=15℃時(shí)，其誤差限為0.18℃。典型的流量二次表在300℃以下時(shí)最大誤差為±0.3℃，用方和根的方法合成后，測(cè)溫系統(tǒng)最大誤差為±0.35℃，由此給流量測(cè)量帶來(lái)的不確定度δρ/ρ約為±0.08%。
鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)考慮易燃易爆環(huán)境和被測(cè)介質(zhì)的低溫可能導(dǎo)致測(cè)溫套管內(nèi)結(jié)冷凝水，因此可選用隔爆型鎧裝結(jié)構(gòu)。
