摘要：隨著(zhù)空分設備自動(dòng)化程度的不斷提高和變負荷運行的需求不斷增大，作為體現空分設備運行負荷的重要參數———低溫液體流量測量的準確性顯得越來(lái)越重要。提高儀表檢測精度，減少測量誤差，流量計的正確選型和使用是關(guān)鍵。比較分析空分設備低溫液體流量計的測量原理，結合具體的使用案例，闡述低溫液體流量計的選用原則，以及設計和安裝過(guò)程中需考慮的具體因素。

 

前言

目前，國內空分設備生產(chǎn)廠(chǎng)家不僅在空分設備的生產(chǎn)能力上直追**先進(jìn)水平，而且在先進(jìn)性上的差距也越來(lái)越小，也認識到了空分設備節能降耗的重要性。衡量一套空分設備是否先進(jìn)，其單位能耗是一個(gè)重要指標。實(shí)現空分設備的先進(jìn)指標，除采取先進(jìn)的工藝流程外，先進(jìn)的控制策略，如變負荷控制就是一個(gè)重要的手段。

 

眾所周知，空分設備制氧是一種連續的、不間斷的生產(chǎn)工藝，而后續用氧量卻處于波動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)變負荷控制功能可實(shí)現空分設備能夠根據用戶(hù)后續用氧量的變化，自動(dòng)調節生產(chǎn)能力，達到優(yōu)化操作、節能降耗的目的。

 

空分設備實(shí)現自動(dòng)變負荷運行時(shí)，工藝參數的變化直接制約著(zhù)整個(gè)變負荷生產(chǎn)調節過(guò)程?？諝膺M(jìn)塔流量以及產(chǎn)品氧、液氧、液氮流量等參數的準確指示就顯得尤為重要。通過(guò)這些相關(guān)測量點(diǎn)的監控，能更準確地反映變負荷過(guò)程中各工藝參數之間的內在關(guān)系，從而為快速變負荷奠定基礎。

 

空氣、氧氣、氮氣以及氬在低溫條件下可以呈現出液體狀態(tài)，但由于壓力、溫度的變化，這些液體可由液態(tài)轉變成氣態(tài)；而由氣體轉變?yōu)橐簯B(tài)，則必須要有特定的條件。那么在測量低溫液體流量時(shí)，當流體流經(jīng)檢測元件時(shí)由于阻力及節流件的作用，液體很容易發(fā)生相變。而對于任何流量測量?jì)x表而言，當被測介質(zhì)有氣液兩相并存時(shí)，就會(huì )影響測量的準確性。

 

空分設備變負荷運行時(shí)，測量的液體流量要求較高，測量不準，就不能及時(shí)反映工況流量的變化，將會(huì )影響變負荷內在參數的數學(xué)模型的探索和建立。

 

1 常用低溫液體流量測量?jì)x表及測量原理比較

過(guò)去國產(chǎn)空分設備較少對低溫液體流量進(jìn)行測量，但由于經(jīng)濟的發(fā)展及空分設備變負荷控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用以及液體產(chǎn)品的貿易結算要求等因素，對低溫液體流量的測量要求日益顯現，如何選好并用好低溫液體流量測量?jì)x表，對空分設備的經(jīng)濟運行有重要意義。

 

空分設備低溫液體流量的測量從原理上來(lái)分，有差壓式流量計、渦街流量計、科里奧利質(zhì)量流量計等。但由于低溫液體特性及各方面外在因素的影響，流量計在測量過(guò)程中或多或少會(huì )存在著(zhù)一些問(wèn)題，需要引起重視。差壓式流量計的性能比較見(jiàn)表1。

表1 差壓式流量計比較

 

*A+K平衡流量計是美國馬歇爾航空飛行中心（NASAMarshallSpaceFlightCenter）針對航天飛機的主發(fā)動(dòng)機液氧測量而設計發(fā)明的一種新型差壓式流量傳感器。采用使流體流過(guò)經(jīng)平衡優(yōu)化計算而分布的多孔節流件后達到平衡節流，故也稱(chēng)為平衡流量計（BFM，Balanced Flow Meter） 。其特點(diǎn)是當流體穿過(guò)圓盤(pán)的函數孔時(shí)，流體將被平衡調整，渦流被*小化。

 

空分設備常用低溫液體流量計測量原理：

（1）差壓式流量計：當充滿(mǎn)管道的流體流經(jīng)管道內的節流件時(shí)，流束將在節流件處形成局部收縮。此時(shí)流速增大，靜壓降低，在節流件前后產(chǎn)生差壓，流量愈大，差壓愈大，因此可根據差壓來(lái)衡量流量的大小。這種測量方式以連續流動(dòng)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎。

 

（2）渦街流量計：渦街流量計（VortexFlowMeter）是基于卡門(mén)渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計，即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線(xiàn)型的對稱(chēng)形狀的物體（渦街流量傳感器，稱(chēng)之為旋渦發(fā)生體），就會(huì )在其下游兩側產(chǎn)生兩列有規律的旋渦，即卡門(mén)旋渦，其旋渦的頻率正比于流過(guò)液體的速度。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構成。

 

（3）科里奧利質(zhì)量流量計：利用科里奧利效應測量通過(guò)元件移動(dòng)的質(zhì)量數量，其實(shí)質(zhì)是測量流量通過(guò)U形管而在垂直于流動(dòng)方向上引起的振動(dòng)，流體通過(guò)U形管時(shí)伴隨有引起旋流的振動(dòng)，旋流角度越大，流量越大，產(chǎn)生與質(zhì)量成正比的科里奧利原理。是一種直接式質(zhì)量流量計。

 

2 案例分析及使用說(shuō)明

2.1 案例分析

在實(shí)際測量低溫液體流量時(shí)，使用過(guò)文丘里管、A +K平衡流量計和渦街流量計等測量?jì)x表，從現場(chǎng)使用情況來(lái)看，結果都不是很穩定，下面用幾個(gè)案例加以說(shuō)明。

 

案例一：在某空分設備中采用文丘里管來(lái)測量低溫液體流量，工藝要求安裝方式為垂直，且流體方向為自上而下。而在實(shí)際使用時(shí)，流量計卻沒(méi)有指示，在現場(chǎng)條件許可前提下，對管路方向進(jìn)行了整改，文丘里管的安裝方向也由垂直改為水平，流量計正常工作。

 

案例二：在另一套空分設備中選用A+K平衡式流量計來(lái)測量低溫液體流量，水平安裝，引壓管卻采用了向下走向，實(shí)際測量時(shí)流量波動(dòng)較大。在對變送器增加阻尼后，情況稍有好轉。

 

從以上的使用情況可以看出，低溫液體不但由于其特殊性，當流經(jīng)節流裝置時(shí)，由于節流作用，處于臨界點(diǎn)的液體會(huì )發(fā)生相變作用，有部分液體會(huì )產(chǎn)生汽化；而且對低溫液體流量計的安裝要求也特別高，稍有不慎，就將嚴重影響測量的結果。在案例二中，如果引壓管改為向上走向，情況就會(huì )有所改觀(guān)。

 

2.2 使用說(shuō)明

在選用檢測儀表來(lái)測量低溫液體流量時(shí)，不但要充分考慮流體的特性、安裝條件如管道的布置方向、流體走向、直管段長(cháng)度等必要的條件外，對于節流件的結構及加工工藝也要進(jìn)行深一步的考慮，除此以外還要考慮液體的過(guò)冷度及低溫冷箱這一特定的條件。

 

低溫液體的生產(chǎn)是在冷箱內這一特定環(huán)境下完成的，冷箱內環(huán)境溫度一般在－40℃以下，容器和管道內介質(zhì)的保溫是依靠冷箱內填充珠光砂材料來(lái)實(shí)現，冷箱相當于一個(gè)密閉容器，冷箱內儀表的選用除按常規條件進(jìn)行選型外，還要考慮測量元件安裝時(shí)與管道容器之間的密封性和儀表元件的耐低溫條件。

 

2.2.1 差壓式流量計

在利用差壓式原理進(jìn)行低溫液體流量測量時(shí)，檢測元件*先要考慮選用整體式，與工藝管道之間必須采用焊接式的連接方式，以防泄漏。儀表引壓管安裝時(shí)在保證管內介質(zhì)全部均勻汽化的前提下要盡量短，并采用斜向上走向，從取壓點(diǎn)到冷箱壁的坡度可以考慮在1∶10的范圍以上，引至冷箱壁后可采用先垂直向上后水平再垂直向下的交叉走向，引至冷箱壁根部閥，總之要確保引壓管內液體充分汽化； 同時(shí)F+、F－取壓儀表管（如圖1所示）間必須絕對地平行排列，根部閥位置也不能低于水平線(xiàn)下，只有這樣才能有效減小測量誤差，保證測量精度。

圖1 低溫液體流量取壓點(diǎn)示意圖

 

2.2.2 渦街流量計

利用渦街流量計在測量低溫液體流量時(shí)，*先要考慮采用分體結構，同時(shí)要考慮到儀表本身的局限性。羅斯蒙特8800D智能渦街流量計是空分設備常用的一種測量低溫液體流量的儀表，設計流量計安裝位置時(shí)應使流量計保持滿(mǎn)管，無(wú)集氣、集液現象，在上游和下游保留足夠的直管段以保證直行和對稱(chēng)流形的同步，連接形式上同樣要采用焊接式的連接方式，當垂直安裝時(shí)液體流向必須自下向上。其次，由于采用了分體結構，測量元件與電子部件之間通過(guò)同軸電纜相連，而同軸電纜的長(cháng)度*長(cháng)只有5英寸，所以在考慮它的安裝位置時(shí)，既要考慮前10D后5D的*小直管段長(cháng)度，又要考慮電纜長(cháng)度的局限，更要考慮冷箱的保溫和密封以及工藝管道的過(guò)冷。

 

2.2.3 科里奧利質(zhì)量流量計

科里奧利質(zhì)量流量計是一種直接式質(zhì)量流量計，具有許多其他流量計無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（1）實(shí)現了真正的、高精度的直接質(zhì)量流量測量。精度一般可達0.11%0.12%，重復性?xún)?yōu)于0.11%。

 

（2）可測量多個(gè)參數，在測量質(zhì)量流量的同時(shí)，獲取密度、溫度、體積流量等參數。

 

（3）流體的介質(zhì)密度、黏度、溫度、壓力、導電率和流速分布等特性對測量結果影響較小。安裝時(shí)無(wú)直管段要求。

 

科里奧利質(zhì)量流量計比較適宜空分設備冷箱外用于貿易結算的低溫液體流量的測量。

 

當然如果科里奧利質(zhì)量流量計在使用過(guò)程中，當流體中氣泡含量超過(guò)某一界限時(shí)同樣會(huì )明顯影響測量結果； 另外其價(jià)格太高。用于低溫液體流量的測量，科里奧利質(zhì)量流量計在使用過(guò)程中同樣有保溫的問(wèn)題，在此要考慮設置保溫冷箱。另外利用科里奧利質(zhì)量流量計測量液氧流量時(shí)，在安裝時(shí)還要考慮有個(gè)傾斜角度的問(wèn)題，以*大限度避免液氧中碳氫化合物的積聚，保證設備安全使用。

 

2.3 設計和安裝的基本原則

要確保低溫液體流量測量的準確性，設計和安裝時(shí)必須遵循下列基本原則。

（1）充分考慮被測介質(zhì)特性；

 

（2）安裝位置的合理性；

 

（3）借鑒成熟的新工藝、新技術(shù)；

 

（4）強化現場(chǎng)施工規范和質(zhì)量管理。

 

只有做到了選型正確、安裝到位，才能保證正確測量低溫液體的流量。

 

3 結束語(yǔ)

無(wú)論差壓式流量計、渦街流量計還是科里奧利質(zhì)量流量計都能正確測量低溫液體流量，但要使儀表的性能達到*致、性?xún)r(jià)比*高，除儀表本身的特性外，還要考慮被測流體特性、安裝條件和環(huán)境等方面的因素，而且更要提高現場(chǎng)安裝施工質(zhì)量的科學(xué)管理，強化施工質(zhì)量。只有這樣才能確保選用的每一個(gè)儀表的測量精度*高，也只有這樣才能保證空分設備運行在*佳工況，真正做到節能降耗。