摘 要: 介绍了测量氢气、氯气流量的意义及差压式 T 型阿牛巴流量计的基本结构、性能特点、应用情况及注意的问题。
1、氯气、氢气流量测量的意义： 来自氯氢处理工序的氯气、氢气以一定的摩尔比( 氯气∶氢气=1.00∶1.05~1.00∶1.10) 分别经氯气缓冲罐、氢气缓冲罐、氢气阻火器进入合成炉灯头混合燃烧,生成的气体自炉顶排出, 进入冷却器。冷却后的气体输送到氯乙烯工序做原料, 其余部分采用降膜吸收塔用水吸收成盐酸送往成品罐区待售。
在合成过程中, 传统的控制手段是观察火焰颜色, 手动调节氯、氢进料阀。操作人员需特别注意观察火焰颜色, 以青白色火焰为佳。一般认为流量没有变化, 但是有时氯气纯度或氢气纯度发生了变化,实际配比可能已发生了变化。氢气纯度低, 含氧高时,火焰会发红、发暗; 氯气纯度低时火焰发白有烟雾, 影响操作人员对氯氢比例的正确判断。生产中, 氢气应适当过量, 防止合成时过氯。出现过氯现象, 在氯乙烯工序极易形成氯乙炔, 对安全造成重大影响。一方面要防止产酸时含氯过高, 形成氢氯爆炸性混合气体, 特别是采用液氯生产的废氯合成盐酸时, 更要提高氢氯配比, 避免尾气系统发生爆炸。另一方面要防止在氯乙烯工序气体携带氯气与乙炔反应生成氯乙炔, 避免发生事故。加之早晚温度与四季气候变化, 也会引起流体密度的变化, 进而影响到氯氢配比。其次, 工艺发生变化, 氯氢纯度、压力大幅度的波动也会大幅度地影响氯氢气体流量。盐酸工段对氯气、氢气流量准确、可靠、稳定地测量是盐酸炉操作的关键, 也是盐酸生产真正实现自控的关键。
2、流量测量方法： 氯气、氢气流量检测可以通过孔板流量计、转子流量计、涡街流量计、质量流量计来实现。但是由于2 种工艺介质的特殊性, 实际测量都不满意。转子流量计由于流速过快, 氯氢流量高时会造成流量计震荡, 很难保证测量的可靠性、稳定性; 用涡街测量氢气时, 由于氢气密度低, 且含水, 精度无法满足; 测量氯气时, 发生体内壁必须做防腐处理。由于氢气含水, 用孔板测量在孔板前会形成死水, 进而影响到流速, 差压增大造成实际流量偏大和波动。氯气是腐蚀性气体, 孔板必须做好防腐处理。采用质量流量计不但价格昂贵而且选型时干扰因素多。
T 型阿牛巴流量计是基于伯努利能量守恒原理和皮托管测量原理而发展起来的差压式均速管流量计。精度高、稳定性好、可靠性高。根据多年来在氢气测量中的经验, 发现在温度、压力相对稳定的情况下, 氢气中析出水量并不大。如果测量系统不存在盲管、死角、水的积聚是不会发生的。T 型阿牛巴流量计结构简单, 只要选择好仪表安装位置, 水的积聚问题是可以解决的。使用 T 型阿牛巴流量计, 对速度、密度、雷诺数有一定的要求。在使用中, 压力损失也是需要认真考虑的问题。
测量氯气时, 由于氯气的强腐蚀性, 易在取压管、取压阀、变送器内部与杂质反应, 生成酸性堵塞物,导致测量不准。同时, 孔板材料为 PVC 材质, 易老化,边缘会处发生变形。而 F4 由于硬度较低, 易发生整体变形。这些均是影响测量的重要因素。氯气测量中***关键的难点是氯气的强腐蚀性, 易造成测量系统不规范。
T 型阿牛巴流量计内部结构简单, 不易堵塞,由于测量介质是干氯气, 传感器材质、膜盒材质采用哈氏合金 C- 276。由于 T 型流量计是节能型流量计,形成差压比较小, 必须选用高性能的 3051S 差压变送器, 不能采用 EJA 和普通的 3051CD 压差变送器。经过对比, 应采用 T 型阿牛巴流量计测量氯气、氢气流量。
3、T 型阿牛巴流量计：
3.1、T 型阿牛巴流量计的发展： T 型差压式阿牛巴流量计的气体标准体积流量公式如下:Q=0.365 84×K×Y!ΔP/ρ×P/T式中: Q- 气体标准状态下的体积流量, m3/h;K- 流量系数, 其值与传感器结构、流体流动状态、管径等有关, 由实验求得;Y- 气体膨胀系数, 其值与气体压力、流速、面积比、差压等有关, 由实验求得;ΔP- 差压, k Pa;ρ- 被测流体在工作状态下的密度, kg/m3;P- 气体工作压力( 绝压) , k Pa;T- 工作温度, K。
***初的阿牛巴流量计的检测杆断面是圆形的,发现圆形阿牛巴流量计的流量系数 K 值在 Re<105时基本不变, 而 Re 为 106 ～108 时, K 值增大且分散, 分散度约为±10 %。进一步研究表明, 上述现象是由流体流过圆管时, 分离点位置不固定造成的; 当Re<105 时, 分离点与管道中心的分离角为 78°, 当Re>105 时, 分离角为 130°; 当 Re 在 105～108 之间时, 分离角处于 78°～130°之间不确定的位置上。由于阿牛巴流量计计算公式中流量与 K 值成正比, 因而 K 值的±10%分散度将造成流量测量±10%的误差, 而阿牛巴流量计 K 值分散度较大的这段雷诺数范围对应的流体流速正是大多数气体在管道中的正常流速值。第 2 代宝石Ⅰ型( 菱形断面) 阿牛巴流量计突出的优点是流体分离点的位置固定在菱形两侧尖锐的拐点上, 从而解决了圆形阿牛巴流量计 K 值不稳定的问题, 测量精度提高了。当流体流经阿牛巴传感器边缘时会产生漩涡, 这些漩涡导致了阿牛巴流量传感器的震动, 产生脉动的噪声信号失真, 从而影响测量的稳定性。第 2 代宝石Ⅱ型( 改进型菱形断面) 阿牛巴流量计解决了这个问题。
无论是改进型菱形断面的阿牛巴流量计还是在圆形阿牛巴流量计基础上发展起来的椭圆形、扇形、型、机翼型等多种均速管流量计虽然比圆形阿牛巴流量计有了很大的改进, 但还存在着如下问题。
( 1) K 值还是不够恒定, 特别是在小流量测量时, 大大影响了阿牛巴流量计在低流速, 低流量时测量的精度。
( 2) 产生的差压信号比较小, 一般只有 1～3 k Pa。在测量流速比较低的工况时, 甚至只有 20～50 Pa。对这样低的差压, 无法保证测量的精度和稳定性。限制了阿牛巴流量计的使用范围, 尤其是在气体流量测量的应用中。
( 3) 容易受到各种干扰, 产生差压信号的信噪比较低, 影响了测量的稳定性。
( 4) 由于均速管流量计是流体速度取样式流量计, 按照流体力学研究的要求, 要对管道内一定位置的流体速度取样, 因此对安装有着较高的要求, 在X, Y, Z 三轴方向上一般要求偏差不大于±3°, 在一般现场要达到如此的安装精度是相当困难的。
3.2.1、良好的本质抗堵性能：
流体在管道各个截面上的速度分布是有差别的。一个的速度式流量计需要得到流体的平均速度, 以往均速管流量计只开了几个取压孔, 对流体的速度取样率仅为 6.5%左右。T 型阿牛巴流量计正面高压取压槽口跨越整个管道, 获得比以往各种形状匀速管流量计 12 倍以上的流体速度取样面积, 它对流体的速度取样率高达 85%, 因而得到***好的平均速度测量精度。T 型阿牛巴流量计跨越整个管道的高压取压槽口的设计也使得它有了更好的抗堵性, 一些杂质的吸附对测量精度不会造成在以往的均速管流量计上发生的测量误差。在管道中, 流体在阿牛巴正面能形成一个大的高压区, 流体中的微粒偏转绕过这个高压区, 并流离 T 型阿牛巴背后低压取压口的滞留区, 使得杂质不会进入阿牛巴的内部,获得了良好的抗堵性能。
3.2.2、精度高、稳定性好：
K 值是差压流量计***重要的表征系数, 对于测量流量范围的稳定至关重要, 并直接关系到流量计的测量精度。T 型阿牛巴流量计的 K 值在各个雷诺数范围内能够保持恒定, 解决了以往所有各种均速管流量计 K 值在流量变化, 特别是在小流量时不稳定的问题, 使得测量精度保证在±0. 75 %范围内。从根本上保证了阿牛巴流量计在各种流体状况中都能得到的测量。T 型阿牛巴流量计的改进是成功的, 同时, 其重复性非常出色, 为±0.1%。
3.2.3、突出的信噪比和量程比：
均速管流量计使用效果的一个重要条件就是使得测量流体时产生的差压要足够大, 以前的均速管流量计抗力差, 在低流量时, 输出信号的信噪比太低, 失真度大, 同时以前的差压变送器对微差压测量的精度和稳定性不能令人满意。在流体同样的工艺条件下, T 型阿牛巴流量计产生的差压信号要比以往各种形状均速管流量计大 80 %以上。这样不但使得测量精度提高, 而且能使其使用在其他低流速场合, 这个特性使它具有了 10 ∶1 ~20 ∶1 的量程比。T 型阿牛巴流量计输出的差压信号具有突出的信噪比, 使得差压变送器能够获得良好的差压信号,从而得到流量的稳定测量。
3.2.4、管道压损小：
孔板产生的差压本身就比阿牛巴流量传感器产生的差压大, 同时其压力损失也不可避免达到差压的 60%, 而阿牛巴流量传感器由于阻流面积成倍减少, 也使其压力损失几十倍地减少, 只有差压的3%。实际测量中氢气的***大压差只有 144 Pa, 氯气的***大压差只有 1 435 Pa。氢气管道压力为 110 k Pa, 氯气管道压力为 85 k Pa, 氢气压损不到整个管道压力的0.004%, 氯气压损不到管道压力的 1%, 可以忽略。
3.2.5、安装便利、免维护：
T 型阿牛巴流量计的正面高压取压槽口跨越整个管道, 在提高流体平均的测量精度的同时, 也大大降低了 T 型阿牛巴流量计的安装要求。允许在 X, YZ 三轴方向上有±5°的偏差, ±5°的偏差是人的眼睛能够明显判断的, 安装人员能更容易地安装和调试。
2004 年安装至今, 9 台氯气流量计从未因检测流量偏高或偏低而检修处理, 真正做到了免维护。在停车期间拆下检查时, 传感器与 3051S 变送器完好无损。9 台氢气流量计使用比较理想, 但由于氢气本身固有特性, 即分子小, 密度低, 造成氢气流量计 DP 差压值过低; 工艺原理氢中含水不固定, 造成氢气流量计零点有时漂移, 但处理简单容易。另外必须关注北方冬天,气温偏低氢气管道含水增大, 形成水珠影响测量, 其次氢分子渗透现象, 测量膜盒选用镀金比较理想。
4、使用阿牛巴流量计需注意的问题： 阿牛巴流量计的机械尺寸是根据要安装的管道尺寸量身定制的, 其流量测量范围也是根据用户提供的流量数据计算、标定的。因此提供的流量数据和管道数据一定要正确无误, 否则会造成大的测量误差。差压式均速管流量计产生的差压一般都比较小,***小可能只有 10～20 Pa, 均速管流量计产生差压信号的大小和流体工况的雷诺数密切相关。对小于1 k Pa 的差压测量, 特别是小于 0.1 k Pa 的差压, 需要特别关注。各种均速管流量计在这样低的流速条件下 K 的波动非常大, 影响测量精度。小于 0.1 k Pa 的微差压测量, 要求差压变送器的性能非常高。
( 1) 如果流体中含有黏粘性的杂质, 应用均速管流量计时需慎重考虑。黏粘性杂质粘在传感器上, 将大大影响测量精度, 很多流量仪表都不适合这种工况的应用。
( 2) 流体中杂质很多, 并且装置间歇操作, 在经常停车而且时间长的情况下, 在断流期间, 杂质可能会干燥并在传感器的表面结垢, 长年累月将堵塞取压口。
( 3) 引压系统泄漏。没有使用直接安装形式, 均速管流量计到变送器引压管路系统的泄漏, 会造成在阿牛巴流量计的引压腔体内有流体流动。虽然此流量非常小, 流速非常慢, 但日积月累, 杂质可能会进入其内部并集聚, 从而造成堵塞。
5、结束语： 随着阿牛巴流量测量技术的日趋成熟完善, 其应用的前景是广阔的。T 型阿牛巴流量计不仅具有高稳定性和高测量精度, 而且与高精度的差压变送器一体化安装, 本质抗堵特性, 宽量程比, 运行能耗低, 在测量特殊介质氢气、氯气流量中的成功应用,值得在氯碱行业实现盐酸生产自控中借鉴和推广。
