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

 

前言

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

 

眾所周知，空分設(shè)備制氧是一種連續(xù)的、不間斷的生產(chǎn)工藝，而后續(xù)用氧量卻處于波動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)變負(fù)荷控制功能可實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備能夠根據(jù)用戶后續(xù)用氧量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)能力，達(dá)到優(yōu)化操作、節(jié)能降耗的目的。

 

空分設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，工藝參數(shù)的變化直接制約著整個(gè)變負(fù)荷生產(chǎn)調(diào)節(jié)過程。空氣進(jìn)塔流量以及產(chǎn)品氧、液氧、液氮流量等參數(shù)的準(zhǔn)確指示就顯得尤為重要。通過這些相關(guān)測量點(diǎn)的監(jiān)控，能更準(zhǔn)確地反映變負(fù)荷過程中各工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，從而為快速變負(fù)荷奠定基礎(chǔ)。

 

空氣、氧氣、氮?dú)庖约皻逶诘蜏貤l件下可以呈現(xiàn)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(zhuǎn)變成氣態(tài)；而由氣體轉(zhuǎn)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(dāng)流體流經(jīng)檢測元件時(shí)由于阻力及節(jié)流件的作用，液體很容易發(fā)生相變。而對于任何流量測量儀表而言，當(dāng)被測介質(zhì)有氣液兩相并存時(shí)，就會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性。

 

空分設(shè)備變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，測量的液體流量要求較高，測量不準(zhǔn)，就不能及時(shí)反映工況流量的變化，將會(huì)影響變負(fù)荷內(nèi)在參數(shù)的數(shù)學(xué)模型的探索和建立。

 

1 常用低溫液體流量測量儀表及測量原理比較

過去國產(chǎn)空分設(shè)備較少對低溫液體流量進(jìn)行測量，但由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及空分設(shè)備變負(fù)荷控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用以及液體產(chǎn)品的貿(mào)易結(jié)算要求等因素，對低溫液體流量的測量要求日益顯現(xiàn)，如何選好并用好低溫液體流量測量儀表，對空分設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義。

 

空分設(shè)備低溫液體流量的測量從原理上來分，有差壓式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等。但由于低溫液體特性及各方面外在因素的影響，流量計(jì)在測量過程中或多或少會(huì)存在著一些問題，需要引起重視。差壓式流量計(jì)的性能比較見表1。

表1 差壓式流量計(jì)比較

 

*A+K平衡流量計(jì)是美國馬歇爾航空飛行中心（NASAMarshallSpaceFlightCenter）針對航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)液氧測量而設(shè)計(jì)發(fā)明的一種新型差壓式流量傳感器。采用使流體流過經(jīng)平衡優(yōu)化計(jì)算而分布的多孔節(jié)流件后達(dá)到平衡節(jié)流，故也稱為平衡流量計(jì)（BFM，Balanced Flow Meter） 。其特點(diǎn)是當(dāng)流體穿過圓盤的函數(shù)孔時(shí)，流體將被平衡調(diào)整，渦流被*小化。

 

空分設(shè)備常用低溫液體流量計(jì)測量原理：

（1）差壓式流量計(jì)：當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮。此時(shí)流速增大，靜壓降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓，流量愈大，差壓愈大，因此可根據(jù)差壓來衡量流量的大小。這種測量方式以連續(xù)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(chǔ)。

 

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

 

（3）科里奧利質(zhì)量流量計(jì)：利用科里奧利效應(yīng)測量通過元件移動(dòng)的質(zhì)量數(shù)量，其實(shí)質(zhì)是測量流量通過U形管而在垂直于流動(dòng)方向上引起的振動(dòng)，流體通過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(jì)。

 

2 案例分析及使用說明

2.1 案例分析

在實(shí)際測量低溫液體流量時(shí)，使用過文丘里管、A +K平衡流量計(jì)和渦街流量計(jì)等測量儀表，從現(xiàn)場使用情況來看，結(jié)果都不是很穩(wěn)定，下面用幾個(gè)案例加以說明。

 

案例一：在某空分設(shè)備中采用文丘里管來測量低溫液體流量，工藝要求安裝方式為垂直，且流體方向?yàn)樽陨隙?。而在?shí)際使用時(shí)，流量計(jì)卻沒有指示，在現(xiàn)場條件許可前提下，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(jì)正常工作。

 

案例二：在另一套空分設(shè)備中選用A+K平衡式流量計(jì)來測量低溫液體流量，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(zhuǎn)。

 

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(dāng)流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，由于節(jié)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(jì)的安裝要求也特別高，稍有不慎，就將嚴(yán)重影響測量的結(jié)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。

 

2.2 使用說明

在選用檢測儀表來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、直管段長度等必要的條件外，對于節(jié)流件的結(jié)構(gòu)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(nèi)這一特定環(huán)境下完成的，冷箱內(nèi)環(huán)境溫度一般在－40℃以下，容器和管道內(nèi)介質(zhì)的保溫是依靠冷箱內(nèi)填充珠光砂材料來實(shí)現(xiàn)，冷箱相當(dāng)于一個(gè)密閉容器，冷箱內(nèi)儀表的選用除按常規(guī)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(jì)

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(nèi)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(nèi)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(jì)

利用渦街流量計(jì)在測量低溫液體流量時(shí)，*先要考慮采用分體結(jié)構(gòu)，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(jì)是空分設(shè)備常用的一種測量低溫液體流量的儀表，設(shè)計(jì)流量計(jì)安裝位置時(shí)應(yīng)使流量計(jì)保持滿管，無集氣、集液現(xiàn)象，在上游和下游保留足夠的直管段以保證直行和對稱流形的同步，連接形式上同樣要采用焊接式的連接方式，當(dāng)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(jié)構(gòu)，測量元件與電子部件之間通過同軸電纜相連，而同軸電纜的長度*長只有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*小直管段長度，又要考慮電纜長度的局限，更要考慮冷箱的保溫和密封以及工藝管道的過冷。

 

2.2.3 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

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

（1）實(shí)現(xiàn)了真正的、高精度的直接質(zhì)量流量測量。精度一般可達(dá)0.11%0.12%，重復(fù)性優(yōu)于0.11%。

 

（2）可測量多個(gè)參數(shù)，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(shù)。

 

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

 

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

 

當(dāng)然如果科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在使用過程中，當(dāng)流體中氣泡含量超過某一界限時(shí)同樣會(huì)明顯影響測量結(jié)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(jì)在使用過程中同樣有保溫的問題，在此要考慮設(shè)置保溫冷箱。另外利用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量液氧流量時(shí)，在安裝時(shí)還要考慮有個(gè)傾斜角度的問題，以*大限度避免液氧中碳?xì)浠衔锏姆e聚，保證設(shè)備安全使用。

 

2.3 設(shè)計(jì)和安裝的基本原則

要確保低溫液體流量測量的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)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(qiáng)化現(xiàn)場施工規(guī)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(jié)束語

無論差壓式流量計(jì)、渦街流量計(jì)還是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)都能正確測量低溫液體流量，但要使儀表的性能達(dá)到*致、性價(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(xiàn)場安裝施工質(zhì)量的科學(xué)管理，強(qiáng)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(shè)備運(yùn)行在*佳工況，真正做到節(jié)能降耗。