摘要(yào)：供(gòng)需雙方(fāng)貿易(yì)交接計量(liàng)以富(fù)氫氣體中(zhōng)的純氫量(liàng)爲(wèi)準，由于測量的富氫氣體(tǐ)中含有飽和(hé)水蒸氣，随(suí)着(zhe)溫度的(de)變化(huà)，其中的水蒸氣(qì)與氫(qīng)的(de)體(tǐ)積分(fèn)數均會發生變化，導(dǎo)緻(zhì)氫(qīng)的平均相對分子質(zhì)量不停變化，爲(wèi)測量帶來(lái)困難(nán)。針對該問題，對(duì)比分析了(le) 渦街(jiē)流(liú)量計 方法、科(kē)氏力質量流量(liàng)計方法、 孔闆流量計 方法(fǎ)三種(zhǒng)測量方案，最後選取孔闆(pǎn)流量(liàng)計結合熱(rè)導(dǎo)式(shì)氫分析儀(yí)測量氫的體積(jī)分數，通過(guò)在(zài)流量演(yǎn)算器中(zhōng)進行密度補償、幹氣部(bù)分計算(suàn)、純(chún)氫流(liú)量計算，實現了(le)準确測量、數據可信。
　　某化工廠(chǎng)從附(fù)近的氯堿(jiǎn)廠輸(shū)入純(chún)度爲(wèi)98％的氫氣，用于生(shēng)産氫(qīng)體積分數(shù)φＨ2爲(wèi)70％～90％的富氫(qīng)氣體(tǐ)，再經(jīng)1根内徑爲(wèi)468ｍｍ的管道(dào)返(fǎn)送回(huí)氯堿廠，混合氣中的水蒸氣達(dá)到飽(bǎo)和(hé)狀态，通(tōng)過熱導式氫分(fèn)析儀測量混合(hé)氣中的氫體積(jī)分數(shù)，測(cè)量範圍(wéi)爲50％～100％。該分析儀測量出的是幹氣(qì)體中的氫體積(jī)分數(shù)，而工藝要(yào)求測量的是濕(shī)氣體(tǐ)幹部分流(liú)量，并與氫(qīng)體積(jī)分數(shù)一起計算(suàn)純氫的(de)體(tǐ)積流(liú)量，因(yīn)此文中所述是一個(gè)變組(zǔ)分氣(qì)體的濕氣(qì)體幹部分(fèn)流量(liàng)測量(liàng)問題。
1測量(liàng)方案的确定
1．1渦(wō)街流(liú)量計(jì)方法(fǎ)
1）該方法信号處(chù)理較爲(wèi)簡(jiǎn)單。渦街流量(liàng)計是一(yī)種體(tǐ)積流量計(jì)，即輸出(chū)信(xìn)号僅(jǐn)與流(liú)過旋渦(wō)發(fā)生體處的(de)流體平均流速成正(zhèng)比，而與物料的密度、黏度等無(wú)關。如果(guǒ)能用渦(wō)街流(liú)量(liàng)計測量某種氣(qì)體的體(tǐ)積流(liú)量，則信号(hào)經下面的(de)處理(lǐ)後，就可得到(dào)純氫體積流(liú)量。
ａ）将(jiāng)濕氣體中(zhōng)的水(shuǐ)汽量扣除。
b）将濕(shī)氣體的幹(gàn)部分(fèn)流量換算爲(wèi)标準狀(zhuàng)态流(liú)量。
ｃ）将(jiāng)測量(liàng)到(dào)的幹氣(qì)體中(zhōng)氫(qīng)體積分(fèn)數值(zhí)與(yǔ)濕氣體(tǐ)的幹(gàn)部分體積(jī)流量相(xiàng)乘(chéng)，即得(dé)到純(chún)氫(qīng)的體積(jī)流量(liàng)。
由于(yú)測量(liàng)對象具有(yǒu)管徑(jìng)大、流(liú)速低、靜壓低、流(liú)體(tǐ)密度小的特點(diǎn)，用(yòng)渦街流量計測量是(shì)否(fǒu)可行，須經分(fèn)析和具體驗算(suàn)才可(kě)确定。
2）已知條件。該(gāi)測(cè)量對(duì)象與(yǔ)最低可測(cè)流速有關的參(cān)數包(bāo)括(kuò)：管道(dào)内徑d20＝468ｍｍ，最高壓力爲(wèi)70kpa，常用壓力爲40kpa，最(zuì)低壓力爲20kpa，幹部(bù)分最大體積流(liú)量爲1×104ｍ3/ｈ，幹部分常(cháng)用體積流(liú)量爲7×103ｍ3/ｈ，最小(xiǎo)體積流量(liàng)爲2．8×103ｍ3/ｈ，介質溫度爲21．0～63．5℃（常用50℃），常用工況(kuàng)流體密度(dù)ρ1＝0．4138kg/ｍ3。由(yóu)于(yú)工況(kuàng)條件下的(de)流體密度(dù)小于(yú)0．5kg/ｍ3，使用(yòng)渦街流量(liàng)計測量将(jiāng)受到流體(tǐ)密度的限制，因此根(gēn)據上(shàng)述數(shù)據(jù)計算得(dé)到常用工況條(tiáo)件(jiàn)下最(zuì)小體積(jī)流量(liàng)對應的流(liú)速爲3．57ｍ/ｓ。
3）最(zuì)低(dī)可測(cè)流速驗算［1－2］。提供了大口(kǒu)徑(jìng)渦街(jiē)流量計最(zuì)低可(kě)測流速公式(shì)：

式(shì)中：ｖ———最低可(kě)測流(liú)速，ｍ/ｓ；ρ———流體密度，kg/ｍ3。
将(jiāng)ρ＝0．4138kg/ｍ3代入(rù)式（1）得(dé)到最低可(kě)測流(liú)速爲(wèi)8．73ｍ/ｓ，顯然比最小體積流(liú)量對應的(de)最低流(liú)速(sù)大得(dé)多。
4）縮(suō)小管(guǎn)徑的(de)可(kě)行性(xìng)。縮徑前(qián)後的管徑與縮(suō)徑流速的(de)關系可用式（2）計算：

　　式(shì)中：d2———縮(suō)小後(hòu)的管徑，ｍｍ；d1———縮小前(qián)的管(guǎn)徑，ｍｍ；ｖ2———縮(suō)小後(hòu)的流速，ｍ/ｓ；ｖ1———縮小前的流速，ｍ/ｓ。
　　将d1＝468ｍｍ，ｖ1＝3．57ｍ/ｓ，ｖ2＝8．73ｍ/ｓ代(dài)入(rù)式（2），得d2＝299．3ｍｍ，即要選dＮ300渦街流量計才能将最(zuì)小可測流量覆蓋，如(rú)果混(hùn)合氣(qì)中的(de)氫體積分(fèn)數高于(yú)常(cháng)用值或流(liú)體壓力低(dī)于常(cháng)用值，流(liú)體密度減小(xiǎo)時将(jiāng)導緻最小流量(liàng)無法測(cè)量；而且(qiě)管道(dào)流(liú)通截面(miàn)積縮徑後隻有(yǒu)縮徑(jìng)前的(de)41％，縮徑(jìng)導緻流(liú)速(sù)增高(gāo)，最大流(liú)量(liàng)時的(de)流速高(gāo)達31ｍ/ｓ，遠高(gāo)于規程規(guī)定的(de)安全(quán)流速(sù)［3］。因此(cǐ)，渦街流量計不(bú)适用(yòng)富氫氣體(tǐ)積流量(liàng)的測量(liàng)。
1．2科氏(shì)力質(zhì)量流(liú)量計方法
　　用科氏力質(zhì)量流量(liàng)計直接測(cè)量變組分氣體的質(zhì)量流量(liàng)，是(shì)個既省力又(yòu)準(zhǔn)确的(de)方案，但要求被(bèi)測氣體(tǐ)靜壓在(zài)100kpa以上(shàng)，以便(biàn)測量(liàng)管内(nèi)氣(qì)體達(dá)到(dào)必要(yào)的流(liú)速。但(dàn)在該案(àn)例中，靜(jìng)壓最低時僅20kpa，而(ér)且流(liú)速較高，也(yě)不符合安全流速的規定。
1．3孔闆流量計方法
　　隻要雷(léi)諾(nuò)數大于(yú)5×103，采用(yòng)該方法就(jiù)能保證測(cè)量的精确度，不(bú)受下限流(liú)速的約束(shù)。但對于組(zǔ)分變化的氣體，在溫(wēn)度、壓力不變的(de)情況(kuàng)下，其(qí)密度(dù)會随組分(fèn)的變(biàn)化而(ér)變化，從而(ér)産生誤(wù)差，爲此必須針對組分(fèn)變化對測(cè)量的影響(xiǎng)進行(háng)補償(cháng)。
2孔闆流量(liàng)計方(fāng)法的(de)實施

1. 孔闆(pǎn)流量(liàng)計基(jī)本公(gōng)式：

孔闆流(liú)量計(jì)的基本公式如(rú)式（3）所示［4－6］：

　　式中：ｑm———質(zhì)量(liàng)流(liú)量(liàng)，kg/s；Ｃ———流(liú)出系(xì)數；β———直徑比(bǐ)，β＝d/d；ε1———節流(liú)件正端取壓口平面(miàn)上的可膨(péng)脹性系數；d———工作(zuò)條件下節流件(jiàn)的開孔直徑，ｍ；d———管(guǎn)道内(nèi)徑，ｍ；Δp———差壓，pａ；ρ1———節(jiē)流件正端(duān)取壓口平面上的流(liú)體密度，kg/ｍ3。
當(dāng)流量(liàng)用體積(jī)流(liú)量(liàng)表示時，式(shì)（3）轉換爲式（4）：

式(shì)中：ｑＶ———體積流(liú)量，ｍ3/ｓ。
2．2混合氣(qì)密度計算(suàn)公式(shì)
1）标準(zhǔn)狀态下濕(shī)氣體(tǐ)幹部分的密度ρgn用式（5）計(jì)算(suàn)［7－8］：

　　式中(zhōng)：φｉ———幹部分各組分(fèn)的體積分(fèn)數，％；ρgｎｉ———幹(gàn)部分(fèn)各組(zǔ)分的(de)密度(dù)，kg/ｍ3．
　　由(yóu)于氫體(tǐ)積分(fèn)數(shù)較大，該(gāi)案例中隻測量濕氣(qì)體幹部分(fèn)中的氫體積分(fèn)數，即認(rèn)爲(wèi)除氫(qīng)之外(wài)的(de)幾種其他氣(qì)體的體積(jī)分數恒定不變(biàn)，則式（5）簡化成式(shì)（6）：

　　式中(zhōng)：φＨ2———氫體積分數，％；ρＨ2———标準(zhǔn)狀(zhuàng)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(tǐ)的(de)平均密度，kg/ｍ3。
2）工作(zuò)狀态(tài)下濕(shī)氣體(tǐ)幹部(bù)分(fèn)密度ρg的(de)計(jì)算如式（7）所示［7－8］：

　　式中：p1———工作(zuò)狀态(tài)下差壓裝(zhuāng)置正端取壓口絕對(duì)壓力，pａ；1———濕氣體相對(duì)濕度(dù)，取1＝100％；pｓ1ｍａｘ———工作(zuò)狀态(tài)下飽和水(shuǐ)蒸氣的(de)分壓，pａ；pｎ———标準狀态下(xià)氣體(tǐ)絕對(duì)壓力，pａ；tｎ，tｆ———标準狀态和工(gōng)作狀(zhuàng)态下氣體的熱(rè)力學溫度(dù)，k；zｎ，zｆ———标準(zhǔn)狀态和工作狀(zhuàng)态下氣體(tǐ)的壓(yā)縮系數，取zｎ＝zｆ＝1。其中(zhōng)pｓ1ｍａｘ由表1查得.。

3）工作狀态下濕(shī)氣體(tǐ)密度ρ1的計算如(rú)式（8）所示：

　　式中：ｑＶ1———工(gōng)作狀(zhuàng)态下混合(hé)氣幹(gàn)部(bù)分體積(jī)流量，ｍ3/ｈ；ｑＶｎ———标準狀态(tài)下混(hùn)合氣幹部(bù)分體積(jī)流量，通(tōng)常由測(cè)量任務(wù)書給出，包(bāo)括刻(kè)度最大流量ｑＶｎｍａｘ，常(cháng)用流量ｑＶｎｃｏｍ和最小流量(liàng)ｑＶｎｍｉｎ，ｍ3/ｈ。
2．4差壓(yā)裝置(zhì)的計算
　　求得ｑＶ1和(hé)ρ1後，可按(àn)gb/t2624—2006設計計(jì)算差壓(yā)裝置。
3溫度壓力及ε1的補(bǔ)償
3．1溫度壓力補(bǔ)償氫體積分數(shù)的補(bǔ)償(cháng)公式(shì)
　　氣體溫度、壓(yā)力偏離設計值時，氫(qīng)體積分數也會(huì)偏離設計值，此(cǐ)時濕(shī)氣體幹部(bù)分流量可(kě)用式（11）進行(háng)補償(cháng)［10］：

式中：帶“′”的物理(lǐ)量爲實(shí)際使(shǐ)用工況(kuàng)條件下的參數(shù)，不帶(dài)“′”的(de)物(wù)理量(liàng)爲設計(jì)工況所(suǒ)對應的參數，在(zài)差壓裝置計算(suàn)書中可以獲得(dé)。
式（9）中，由(yóu)于(yú)工況(kuàng)變化，ρ1已經從式(shì)（8）所表(biǎo)示的值變(biàn)成式(shì)（12）所表示的(de)值：

3．2流(liú)量示值的(de)可膨脹性(xìng)系數補償
　　爲了提高濕氣(qì)體幹部分(fèn)流量測量(liàng)的精确度，必須進行(háng)氣體可(kě)膨脹性系數（ｅｘpａｎｓｉbｉｌｉtｙ）的(de)補償，并(bìng)按gb/t2624—2006中(zhōng)的(de)公(gōng)式Ｃ＝ｆ（β，rｅd）進(jìn)行雷諾數(shù)補償(cháng)，具體操(cāo)作(zuò)方法詳見(jiàn)參考(kǎo)文獻(xiàn)［10－11］。
3．3補償公式的實(shí)現
　　式(shì)（15）中有一半(bàn)的物理量是已(yǐ)知的，隻需按(àn)儀(yí)表說明書的要求填入菜單，其(qí)餘的則是測量值或(huò)計算值，具(jù)體見表2所列。


3．4結(jié)構上(shàng)的(de)處(chù)理
　　由(yóu)于混合氣中的水蒸(zhēng)氣體積分(fèn)數總是達到飽(bǎo)和程度，爲防止(zhǐ)冷凝水(shuǐ)在(zài)孔闆(pǎn)前、 三(sān)閥(fá)組 内、 差(chà)壓變(biàn)送器(qì) 高低壓室内(nèi)的聚積(jī)對測量的精确(què)度産生影(yǐng)響，該(gāi)項目(mù)儀表采用偏心(xīn)孔闆，并将(jiāng)差壓變送(sòng)器布置在水(shuǐ)平管道(dào)上方(fāng)，而且(qiě)棄用針形(xíng)閥三閥組(zǔ)，改用(yòng)不鏽鋼球(qiú)閥，從而杜絕了(le)積水(shuǐ)。
　　爲便(biàn)于(yú)清(qīng)理差壓(yā)信(xìn)号導壓管(guǎn)内(nèi)可(kě)能生成的(de)污物(wù)，差壓(yā)裝置(zhì)采用徑距取壓(yā)方法。
4純氫(qīng)流量的計(jì)算
　　孔闆流量(liàng)計經密度補(bǔ)償(cháng)測得的(de)濕氣體幹部分(fèn)體積流量，換算爲标準(zhǔn)狀态下(xià)的體積(jī)流量後(hòu)，乘上幹氣體中(zhōng)的(de)氫(qīng)體積分數(shù)，就得(dé)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(qì)體流量測(cè)量問題，組(zǔ)分的變化(huà)源自(zì)混合氣(qì)中氫體(tǐ)積分數(shù)的(de)變化(huà)和氣(qì)體溫(wēn)度變(biàn)化引起的(de)水汽(qì)體積(jī)分數的變(biàn)化。介質溫(wēn)度冬季最(zuì)低達21℃，夏季(jì)最高(gāo)達63．5℃，水(shuǐ)汽體(tǐ)積分數相差9倍(bèi)之多，因(yīn)此(cǐ)混合(hé)氣密度(dù)變(biàn)化很(hěn)大。
2）該(gāi)案例中采(cǎi)用熱導式氫分(fèn)析儀測量(liàng)氣體(tǐ)幹部(bù)分的氫體(tǐ)積分數，并根據(jù)氣體中飽(bǎo)和水(shuǐ)蒸氣壓(yā)力與飽和水(shuǐ)蒸氣密度(dù)表，扣除水汽體(tǐ)積分數，計算得(dé)到純氫(qīng)體(tǐ)積流(liú)量。
3）該(gāi)案(àn)例中采(cǎi)用流量演算器(qì)實現(xiàn)各(gè)項計算(suàn)，由于使用(yòng)的是彙編語言(yán)，所以(yǐ)杜絕了病毒的侵擾，運行安全(quán)可靠。
4）該案例中的系統在東北某化工企業投(tóu)運6ａ以(yǐ)來，運行可(kě)靠，未發生過故(gù)障。測量結果(guǒ)與(yǔ)産品産量(liàng)一起(qǐ)計算(suàn)得到的氫(qīng)單耗不受(shòu)季節(jiē)影響，因此作爲(wèi)貿易交接(jiē)手段得到了雙方認(rèn)可，從而(ér)解決了經營管理中的難題。

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