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3.3.3( 易蒸发)高饱和蒸气压液体流量的测量

  本节以液氨为例讨论乙烯、丙稀、氯乙烯等高饱和蒸气压液体流量的测量。

  液氨流量测量同前面讨论过的水流量测量、油流量测量有以下两个重大的差别。一是液氨的饱和蒸气压高,在标准大气压条件下,其沸点为-33.4℃,一次必须在压力条件下输送和储存。二是这种流体的流量测量中容易因仪表的压力损失而在流量计的出口处产生气穴和伴随而来的气蚀现象,引起流量计示值偏高和流量一次装置受损。液态乙烯、丙稀等流量测量中遇到的情况也相同。本节分析液氨流量测量中遇到的问题及其处理方法,对其他饱和蒸气压较高液体的流量测量也有参考价值。

  (1)液氨流量测量的特点

① 储存在储槽中液氨的气液分界面处一般处于气液平衡状态。图3.49所示为氨厂入库液氨流量测量的典型流程。来自氨冷凝器的合成气、气态氨、液态氨混合物在氨分离器中进行分离,液氨经流量计和液位调节阀送低压氨中间槽。显然图中氨分离器和中间槽的气液分界面处,气液两相均处于平衡状态。

图3.49液氨流量测量典型流程

液氨流量测量应尽量避免出现两相流。然而接近气液平衡状态的液氨,在流过流量计时,如果压头损失较大,则很容易引起部分汽化,影响测量精确度。

② 流体密度的温度系数较大。从液氨的 =f(t)函数表可知,在常温条件下,液氨温度每变化1℃,其密度变化0.2%以上。因此,液氨计量必须进行温度补偿。

③ 精确度要求高。原化工部有关文件要求,液氨计量达到1级精确度。如果不采取有效措施,是很难达到这个要求的。

④ 流体易燃易爆。仪表选型时应选用防爆型仪表,仪表安装、使用和维修中,都应遵守防爆规程。

⑤ 被测介质有腐蚀性。氨对铜等材料有强烈的腐蚀作用,因此,仪表被测介质直接接触的部分应能耐受氨的腐蚀,仪表的电子学部分应有IP67及以上的防护能力,以防周围环境中腐蚀性气体对电子学部分的气体腐蚀。

(2)气穴和气蚀防止流体汽化问题  在液体流动的管路中,如果某一区域的压力降低到液体饱和蒸气压力之下,那么在这个区域内液体将会产生气泡,这种气泡聚集在低压区域附近,就会形成气穴,发生气穴现象。在装有透明管道的试验装置上,能观察到气穴的存在,它表现为在管道内一个基本不变的区域出现一个气团。

在水流管路中,这种气泡所包含的主要是水蒸气,但是由于水中溶解有一定量的气体,所以气泡中还夹带有少量从水中析出的气体。这种气泡随着水流达到压强高的区域时,气泡中的蒸汽会重新凝结为液体,此时气泡会变形破裂,四周液体流向气泡中心,发生剧烈的撞击,压力急剧增高,其值可达几百个大气压,不断破裂的气泡会使流道壁面的材料受到不断的冲击,从而使材料受到侵蚀。如果管路上装有流量计,则气蚀现象将引起测量误差增大,并能损坏一次装置。气泡从形成、增长、破裂以及造成材料侵蚀的整个过程就称为气蚀现象。

气蚀现象与热力学中的沸腾现象有所不同,两者虽然都有气泡产生,但是气蚀起因是由于压强降低,而沸腾则是由于温度升高。

液氨同其他饱和蒸气压较高的流体一样,在流量测量中,流量一次装置内或出口端极易出现气穴现象。

处于气液平衡状态的流体,在温度升高或压力降低时,必然有部分液体发生相变。例如液氨在10℃条件下,平衡压力为0.5951MPa。如果将压力降低一些(例如将液氨中间槽中的气态氨排掉一些),必然引起一定数量的液氨汽化,气腾到气相中。由于这一蒸发过程是从液相中吸取汽化热,所以,汽化现象发生的同时,液相温度下降,一直降低到与槽中新的压力相对应的平衡温度。

同样,如果为槽中的气相提供一定冷量,则有一部分气态氨变成液态氨,槽中气相压力相应下降。

处于气液平衡状态的氨,在输送过程中,如果温度不变而将其压力升高(例如用泵加压),或者压力不变而将其温度降低(例如用冷却器将液氨冷却),则液氨进入过冷状态。

处于过冷状态的液氨,如果压力降低一些,只要不低于当时液氨温度相对应的平衡压力,雅安不会出现汽化现象。

液氨储槽或中间槽,总有一定高度,在稳态情况下,处于气液平衡状态的液氨,仅仅是气液两相分界面处的那一部分,如果槽中无冷却管之类的附件,槽中液体的温度可看作是均匀一致的。因此,分界面以下液位深处的液氨,由于液柱的作用使静压升高,所以进入过冷状态。离分界面越远,液氨过冷深度越深。

为了避免液氨流量测量时出现汽化现象,选用下面的设计和安装方法将是有效的。

①选用压力损失较小的仪表。例如有一液氨流量测量对象的最大流量为40m3/h,选用DN50涡街流量计时的最大压力损失为0.02MPa,比选用DN50涡轮流量计的压力损失(为0.025MPa)小。

② 合理选择安装位置。流量传感器安装位置应选择在槽的底部出口管道上。在保证直管段的前提下,与槽的出口处应尽量近些。这样,液氨在输送过程中,可减少经输送管道从大气中吸收热量。同时,安装位置应尽量低些,这样可提高过冷深度。

③ 将调节阀安装在流量计后面。图3.49所示的流程中,氨中间槽与氨分离器之间有较大差压,此压差绝大部分降落在调节阀上。液氨流过此阀时,压力突然降低,一定数量的液体汽化,从而出现气液两相流,为了避免流过流量计的流体中存在两相流,节流阀必须装在流量计下游。如果氨分离器的液相出口配有切断阀,则正常测量时必须将切断阀开足。在现场曾经发生过切断阀逐渐关小的同时,流量计示值不仅不下降反而大幅度升高的情况,就是因为切断阀关小时,液氨迅速汽化,体积膨胀数十倍到数百倍,从而使输出与体积流量成正比的速度式流量计输出突然升高,出现短时间的虚假指示。

④ 提高过冷深度。横河电机公司提出了该公司生产的YF100型涡街流量计压力损失和不发生气穴现象的管道压力计算公式,即

                               (3.84)

                                (3.85)

式中  ——压力损失,MPa;

             ——液体的密度,kg/m3;

* ——流速,m/s;

p——最低管道压力(绝对压力),MPa;

p0——流体的饱和蒸气压(绝对压力),MPa。

如果能满足式(3.85)的要求,肯定能不产生气穴,但是在使用现场往往满足不了这一要求,幸运的是该公式的第二项提供了解决问题的另一个方法,即降低液体的饱和蒸气压。从前面分析可知,对于一种确定的液体,其饱和蒸气压p0是其温度的函数,温度越低p0越低。液氨在进流量计前,经适度冷却,使温度降低,从而p0降低,这样,尽管流量计进口压力不变,也能收到不产生气穴的效果。

  冷却进流量计的液氨在氨厂不是一件难事,只要将流量计前一定长度的管道改为夹套管,并引入少量的液氨经节流膨胀,汽化后的氨温度降低,为管中的液氨提供冷量,汽化后的氨放出冷量后进回收系统。流程示意如图3.50所示。

图3.50防止产生气穴的措施

(3)仪表的选型与使用

 ① 涡轮流量计。在液氨流量测量中,涡轮流量计使用最为广泛,在第3.3.2节的油品流量测量中涡轮流量计表现出来的优点,在液氨流量测量中也都具有。尤其是其优越的重复性为提高计量精确度奠定了基础。液氨极为纯净,流量计前不一定要装过滤器。但是其轴承材质的选择很值得研究,有很多氨厂使用国产涡轮流量计,其轴承为改性石墨,据报道效果不佳,原因是液氨对改性石墨有侵蚀性,影响使用寿命。近几年从国外引进的配有硬质合金轴宝石轴承的涡轮流量计,能耐一般介质的侵蚀合腐蚀,又耐磨,在容易汽化的液体中使用效果很好。

   涡轮流量计的美中不足仍然是轴承的寿命,石墨轴承的正常寿命可达2年,宝石轴承寿命更长些。彻底解决这一薄弱环节的方法是改用涡街流量计。

   ② 涡街流量计。涡街流量计完全没有可动部件,液氨对旋涡发生体也无磨损,因此,可以说其寿命是无限的。除此之外,它还有下列优点:结构简单牢固,安装维护方便;精确度较高,测量液体时,一般可达±(0.5~1.0)%R,无零点漂移;范围度宽,合理选择仪表口径,范围度可达20∶1;压损小。

  在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性(密度、黏度)和组分的影响,即流量系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质(通常为水)中校验而适用于各种介质。

  其局限性是不适用低雷诺数测量(ReD应大于2 104),所以高黏度、低流速的测量对象不宜选用。

  ③ 容积式流量计。有些饱和蒸气压较高的流体也有容积式流量计成功应用的实例,老式的容积式流量计只能计工作工作状态下的体积总量。带电脉冲(频率)信号输出的新式容积式流量计与显示仪表配合,不但可计体积总量和瞬时流量,也可进行流体温度补偿。

④ 科氏力质量流量计。用科氏力质量流量计测量高蒸气压流体流量选用时应谨慎,因为科氏力质量流量计测量管内流速高,压损大,过冷深度不足够深的液体流过仪表测量管时极易产生汽化而不能工作。

(4)流量传感器非线性误差的修正

 图3.51是某台涡轮流量传感器在全量程范围内的误差曲线,其最大误差不大于±0.5%,该流量传感器在出厂检验时,通过实流(一般为水)校准,确定各规定校验点流量系数,然后取各流量系数中数值最大和最小的两个之算术平均数作为该台仪表的仪表常数,因此。所谓误差就是各校验点流量系数相对于仪表常数之间的相对误差。传统的流量显示仪表接收传感

器送来的频率信号fi,然后按下式计算体积流量。

图3.51涡轮流量传感器误差曲线

qv=3.6                                  (3.86)

式中 qv——体积流量,m3/h;

——传感器输出的频率信号,P/s;

Km——传感器平均流量系数(仪表常数),P/L。

这样,在被测流体的黏度和密度同校准时的流体相近,安装也合理正确时,测量系统能得到±0.5%R的准确度(忽略流量显示表的误差),其误差主要来自流量传感器。

 其实在流量全量程范围内都用一个流量系数是不合理的,因为客观上一台流量传感器在不同瞬时流量时,其流量系数也不同,如果能将流量传感器校准时各校验点所对应的流量系数置入仪表,然后用查表和线性插值的方法计算流量系数,并进一步计算瞬时流量,那么,各点的误差即得到校正,最后只剩下重复性误差,从而使系统精确度大大提高。

在智能化流量显示仪表或DCS中,上述校准通常是用折线方法完成,折线段数一般取9或15段,折线的横坐标为瞬时流量,其纵坐标为校正系数k 。当流量显示仪的功能指定栏选中“进行校正”时,式(3.86)变为

   qv=                                   (3.87)

式中 k ——流量系数校正系数。

   k                                       (3.88)

式中Ki——各点实际流量系数,P/L。

k 随qv变化的关系通常用对照表给出,由于k 和qv都是未知数,因此求k 和qv是一个迭代的过程。图3.52所示为某型号流量演算器实际使用的传感器误差校正计算程序框图。

工业用流量传感器出厂校准时,校验点一般自取5个,用这些数据只能组成4段折线。用4段折线来代表一根完整的Ki=f(qv)曲线,实践表明是不够理想的。如有必要可在仪表订货时要求仪表制造厂适当增加校验点,这些校验点的选取应能覆盖具体测量对象的测量上限,在流量常用点附近和流量系数变化较大的区间,校验点可取得密一些。表3.11所示为一台涡轮流量计传感器的校验点流量值qv、流量系数Ki、仪表常数Km、误差、流量系数校正系数k 对照表。

(5)液氨密度的温度补偿

①温度补偿模型的建立。用户要求液氨以质量流量计量,而涡轮流量计、涡街流量计等给出的仅仅是体积流量,即

  qv=3.6

式中qv——体积流量,m3/h;

    fi——流量传感器输出频率,P/s;

    kt——流量传感器在流体温度为t条件下的流量系数,P/L。

图3.52流量系数校正计算框图

表3.11流量传感器实流校准结果及校正系数例

序号

流量/(m3/h)

流量系数/(P/L)

平均流量系数/(P/L)

误差 /%

校正系数k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3.02

4.55

6.02

7.45

8.84

10.52

11.97

13.54

15.07

72.85

73.01

73.12

73.24

73.35

73.23

73.11

72.94

72.79

73.07

-0.30

-0.08

0.07

0.23

0.38

0.22

0.05

-0.18

-0.38

1.0030

1.0002

0.9993

0.9977

0.9962

0.9978

0.9995

1.0018

1.0038

由质量流量与体积流量的关系知

                                                    (3.89)

式中  qm——质量流量,kg/h;

     ——工作状态下流体密度,kg/m3。

而液氨密度又是温度函数,即

液氨密度随温度变化的关系,在理化手册中一般都用表格的形式描述,在二次表中直接使用这种表格比较麻烦,所以,一般都将此表格回归成表达式的形式。

由于液氨的 函数并非直线,所以如果用一次关系式去拟合,在不同的温度段,就必须使用不同的系数和常数[29]。使用起来很不方便。在早期的二次仪表中,只能作一次关系式运算的情况下,实属不得已而为之。

现在的流量二次表运算功能已经相当丰富,将二次多项式的系数和常数項填入菜单并置入仪表,已是举手之劳。所以,用一般二次多项式去描述 的关系,不仅使用方便,而且精确度也高。

              (3.90)

式中 t——液氨温度,℃;

     td——液氨参考温度,℃;

    ——与td对应的液氨密度,kg/m3。

 下面举例说明从表格形式变换到二次表达式的方法。

实现从表格形式到二次表达式的变换,可以用线性回归方法,但若手头没有现成的回归程序,则可列出二元一次方程组手算,后一种方法既不复杂,而且得到的表达式精确度也不低。例如有一液氨流量对象,流体常用温度为5℃,常年可能出现的最低温度和最高温度分别为-5℃和15℃,从手册中查到这三个温度条件下的液氨密度,如表3.12所示。

表3.12液氨密度

温度t/℃

密度

-5

5

15

645.3

631.7

617.6

如图3.53,选td =5℃,则 =631.7kg/m3,将这段曲线的两个端点的温度和密度数据,以及td、 数据代入式(3.90)得到下面的方程组。

图3.53 液氨密度与温度的关系曲线

    [1+10 10-2 ]

解此方程组得

   

    

    其中 为一次項系数, 为二次項系数。于是式(3.90)就具体                     具体化为

  

 经验证,这一求解结果与表3.12中所列的三点 数据完全吻合,而与曲线两端点之间的其他点数据比较,最大误差为±0.01%,所以是可以使用的。

②流体温度补偿的实施。流体温度补偿的数学模型建立之后,在流量显示仪或DCS中实现补偿实质上是将数学模型写入仪表DCS,其中参考温度(流体常用温度)td以及td所对应的密度 作为常数写入仪表。流体实际温度t为自变量,是仪表输入信号,仪表运行后,每一个计算周期将t代入式(3.90)计算一次 ,进而计算质量流量。

③ 测量元件的选型。由于液氨密度的温度系数绝对值较大,相应的补偿量也较大,所以,测温元件最好选精确度较高的A级Pt100铂热电阻,在t=15℃时,其误差限为0.18℃。典型的流量二次表在300℃以下时最大误差为±0.3℃,用方和根的方法合成后,测温系统最大误差为±0.35℃,由此给流量测量带来的不确定度 约为±0.08%。

铂热电阻的结构选择应考虑易燃易爆环境和被测介质的低温可能导致测温套管内结冷凝水,因此可选用隔爆型铠装结构。

 

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