富氫氣流量測(cè)量與純氫流量(liàng)計算 發布時間(jiān):2025-12-15
摘要:供需雙方(fāng)貿易交接計量(liang)以富氫氣體中(zhōng)的純😍氫量爲準(zhǔn),由于測量的富(fù)氫氣體中含有(you)飽和水蒸氣,随(sui)着溫度的變化(hua),其中的水蒸氣(qì)與氫的體積分(fen)數均會發生變(bian)🍉化,導緻氫的平(píng)均相對分子質(zhi)量不停變化,爲(wèi)測量帶來困難(nán)。針對🙇🏻該問題,對(dui)比分析了 渦街(jiē)流量計 方法、科(kē)氏力質量流量(liàng)計方法、 孔闆流(liu)量計 方法三種(zhǒng)測量方案,最後(hou)選取孔闆流量(liàng)計結合熱導式(shì)氫分析儀測量(liang)氫的體積分數(shu),通過在流量演(yǎn)算器中進行密(mì)度補償、幹👉氣部(bu)分計算、純氫流(liu)量計算,實現了(le)準确測量、數據(jù)可信。 某化工廠(chang)從附近的氯堿(jiǎn)廠輸入純度爲(wèi)98%的氫氣,用于🙇♀️生(sheng)産氫體積分數(shu)φH2爲70%~90%的富氫氣體(ti),再經1根内徑爲(wèi)468mm的管道返送回(hui)氯堿廠,混合氣(qì)中的水蒸氣達(dá)到飽和狀态,通(tong)過熱導式氫💘分(fèn)析儀測量混合(hé)氣中的氫體積(ji)分數☁️,測量範圍(wéi)爲50%~100%。該分析儀測(cè)量出的是幹氣(qi)🐇體中的氫體積(jī)分數,而工藝要(yao)求測量的是濕(shī)氣體📐幹部分流(liu)量🌈,并與氫體積(ji)分數一起計算(suàn)純氫的體積流(liú)量,因👉此文中所(suo)述是一個變組(zǔ)分氣體的濕氣(qì)體💘幹部分流量(liang)測量❓問題。 1測量(liàng)方案的确定 1.1渦(wo)街流量計方法(fa) 1)該方法信号處(chu)理較爲簡單。渦(wo)街流量計是一(yī)種體積流🥰量計(ji),即輸出信号僅(jin)與流過旋渦發(fā)生體處的流體(tǐ)🔞平均♍流速成正(zhèng)比,而與物料的(de)密度、黏度等無(wú)關。如果能用渦(wo)街流量計測量(liàng)某種氣體的體(tǐ)積流🌈量,則信号(hào)經下面的🏃🏻♂️處理(li)後,就可得到純(chun)氫體積流量。 a)将(jiāng)濕氣體中的水(shuǐ)汽量扣除。 B)将濕(shī)氣體的幹部分(fen)流量換算爲标(biāo)準狀态流量。 c)将(jiāng)測量到的幹氣(qì)體中氫體積分(fèn)數值與濕氣體(ti)的幹部分💋體積(ji)流量相乘,即得(dé)到純氫的體積(ji)流量。 由于測量(liàng)對象具有管徑(jìng)大、流速低、靜壓(yā)低、流體密度小(xiǎo)的特點,用渦街(jie)流量計測量是(shì)否可行,須經分(fen)析和具體驗算(suan)才可确定。 2)已知(zhi)條件。該測量對(dui)象與最低可測(cè)流速有關的參(can)數包括:管道内(nei)徑D20=468mm,最高壓力爲(wei)70Kpa,常用壓力爲40Kpa,最(zui)低壓力爲20Kpa,幹部(bù)分最大體積流(liu)🔅量爲1×104m3/h,幹部分常(cháng)用體積流📱量爲(wei)7×103m3/h,最小體積☎️流量(liang)爲2.8×103m3/h,介質溫🏃♀️度爲(wei)21.0~63.5℃(常用50℃),常用工況(kuàng)流體密度ρ1=0.4138KG/m3。由于(yú)工況條件下的(de)流體密度小于(yu)0.5KG/m3,使用💛渦街流量(liang)計測量将受到(dao)流體密度的限(xian)制,因此根據上(shàng)述數據🌈計算得(dé)到常用工況條(tiáo)件下最小體積(jī)流量對應的流(liú)速爲3.57m/s。 3)最低可測(ce)流速驗算[1-2]。提供(gòng)了大口徑渦街(jie)流量計最低🌐可(ke)測流速公式: 式(shi)中:v———最低可測流(liu)速,m/s;ρ———流體密度,KG/m3。 将(jiāng)ρ=0.4138KG/m3代入式(1)得到最(zuì)低可測流速爲(wei)8.73m/s,顯然比最小體(tǐ)積🌈流量對應的(de)最低流速大得(dé)多。 4)縮小管徑的(de)可行性。縮徑前(qián)後的管徑與縮(suo)徑流速的關系(xì)可用🈚式(2)計算: 式(shì)中:D2———縮小後的管(guan)徑,mm;D1———縮小前的管(guan)徑,mm;v2———縮小後的流(liu)速,m/s;v1———縮小前的🏃流(liu)❄️速,m/s。 将D1=468mm,v1=3.57m/s,v2=8.73m/s代入式(2),得(de)D2=299.3mm,即要選DN300渦街流(liu)量計才能将最(zuì)小可測流量覆(fu)❗蓋,如果混合氣(qi)中的氫體積分(fen)數高于常用值(zhí)或流體壓力低(di)于常用值,流體(ti)密度減小時将(jiāng)導緻最小流量(liàng)無法測量;而且(qie)管☎️道流通截面(miàn)積縮徑後隻有(you)縮徑前的41%,縮徑(jing)導緻流速增高(gāo),最大流量時的(de)流速高達31m/s,遠高(gāo)于規程規定的(de)安全流速[3]。因此(cǐ),渦⭐街流量計不(bu)适用富氫氣體(tǐ)積流量的測量(liang)。 1.2科氏力質量流(liu)量計方法 用科(ke)氏力質量流量(liàng)計直接測量變(bian)組分氣體的質(zhì)量🌈流量,是🏃♀️個既(jì)省力又準确的(de)方案,但要求被(bèi)測氣體靜壓在(zài)100Kpa以上,以便測量(liang)管内氣體達到(dào)必要的流速。但(dan)在該案例中,靜(jìng)壓最低時僅20Kpa,而(er)且流速較高,也(yě)不符合安全流(liu)速的規定。 1.3孔闆(pǎn)流量計方法 隻(zhi)要雷諾數大于(yú)5×103,采用該方法就(jiù)能保證測量的(de)精🥵确度,不☀️受下(xia)限流速的約束(shù)。但對于組分變(bian)化的氣體,在溫(wen)度、壓力不變💰的(de)情況下,其密度(du)會随組分的變(bian)化而變化,從🍉而(er)産生誤差,爲此(ci)必須🏃針對組分(fèn)變化對測量的(de)影響進🐆行補償(cháng)。 2孔闆流量計方(fāng)法的實施
孔闆流量計(jì)的基本公式如(ru)式(3)所示[4-6]: 式中:qm———質(zhi)量流量,kg/s;C———流出系(xì)數;β———直徑比,β=D/D;ε1———節流(liu)件正端取壓口(kou)平面❓上的可膨(peng)脹性系數;D———工作(zuo)條件下節流件(jiàn)的開孔直徑,m;D———管(guǎn)道内徑,m;ΔP———差壓,Pa;ρ1———節(jie)流件正端取壓(ya)口平面上的流(liú)體密度,KG/m3。 當流量(liang)用體積流量表(biao)示時,式(3)轉換爲(wei)式(4): 式中:qV———體積流(liú)量,m3/s。 2.2混合氣密度(dù)計算公式 1)标準(zhǔn)狀态下濕氣體(tǐ)幹部分的密度(dù)ρgn用式(5)計算[7-8]: 式中(zhong):φi———幹部分各組分(fen)的體積分數,%;ρGni———幹(gan)部分各組分的(de)密度,KG/m3. 由于氫體(tǐ)積分數較大,該(gai)案例中隻測量(liang)濕氣體幹部分(fen)中😘的氫體積分(fèn)數,即認爲除氫(qing)之外的幾種其(qí)他氣體的體積(ji)分數恒定不變(bian),則式(5)簡化成式(shi)(6): 式中:φH2———氫體積分(fèn)數,%;ρH2———标準狀态下(xià)的氫氣密度,KG/m3;ρNn———标(biao)準狀态下氫之(zhī)外♻️其他氣體的(de)平均密度,KG/m3。 2)工作(zuo)狀态下濕氣體(tǐ)幹部分密度ρG的(de)計算如式(7)所示(shì)[7-8]: 式中:P1———工作狀态(tai)下差壓裝置正(zhèng)端取壓口絕對(dui)壓力,Pa;1———濕氣體相(xiang)對🙇♀️濕度,取1=100%;Ps1max———工作(zuo)狀态下飽和水(shui)蒸氣的分壓,Pa;Pn———标(biāo)🐆準狀态下氣體(ti)絕對壓力,Pa;Tn,Tf———标準(zhun)狀态和工作狀(zhuang)态下氣體的熱(rè)力學溫度,K;Zn,Zf———标準(zhun)狀态和工作狀(zhuàng)态下氣體的壓(ya)縮系數,取Zn=Zf=1。其中(zhōng)Ps1max由表1查得.。 3)工作(zuo)狀态下濕氣體(tǐ)密度ρ1的計算如(rú)式(8)所示: 式中:qV1———工(gong)作狀态下混合(he)氣幹部分體積(jī)流量,m3/h;qVn———标準狀态(tài)下混合氣❗幹部(bu)分體積流量,通(tōng)常由測量任務(wu)書給出,包括刻(kè)度最大流量qVnmax,常(cháng)用流量qVncom和最小(xiǎo)流量qVnmin,m3/h。 2.4差壓裝置(zhì)的計算 求得qV1和(hé)ρ1後,可按GB/T2624—2006設計計(jì)算差壓裝置。 3溫(wēn)度壓力及ε1的補(bu)償 3.1溫度壓力補(bu)償氫體積分數(shu)的補償公式 氣(qì)體溫度、壓力偏(piān)離設計值時,氫(qing)體積分數也會(hui)偏離設計值‼️,此(ci)時濕氣體幹部(bu)分流量可用式(shì)(11)進行補🈲償[10]: 式中(zhong):帶“′”的物理量爲(wei)實際使用工況(kuang)條件下的參數(shù),不帶“′”的物理量(liàng)爲設計工況所(suo)對應的參數,在(zài)差壓裝置計算(suan)💯書中🌂可以獲得(dé)🌂。 式(9)中,由于工況(kuàng)變化,ρ1已經從式(shi)(8)所表示的值變(bian)成式(12)所表示的(de)㊙️值: 3.2流量示值的(de)可膨脹性系數(shu)補償 爲了提高(gāo)濕氣體幹部分(fen)流量測量的精(jīng)确度,必須💔進行(háng)氣體可膨脹性(xing)系數(exPansiBiliTy)的補償,并(bing)按GB/T2624—2006中的公式C=f(β,ReD)進(jìn)行雷諾數補償(cháng),具體操作方法(fǎ)詳見參考文獻(xian)[10-11]。 3.3補償公式的實(shí)現 式(15)中有一半(ban)的物理量是已(yi)知的,隻需按儀(yí)表說明書的要(yao)求填入菜單,其(qí)餘的則是測量(liang)值或計算值,具(jù)體見表2所列。 3.4結(jie)構上的處理 由(yóu)于混合氣中的(de)水蒸氣體積分(fen)數總是達到飽(bǎo)和💞程👄度🐅,爲防止(zhǐ)冷凝水在孔闆(pǎn)前、 三閥組 内、 差(cha)壓變送器 高低(di)壓室内的聚積(jī)對測量的精确(què)度産生影響,該(gai)項目儀表采用(yong)偏心孔闆,并将(jiang)差壓變送器布(bu)置在水平管道(dào)上方,而且棄用(yòng)針形閥三閥組(zǔ),改用不鏽鋼球(qiu)閥,從而杜絕了(le)積水。 爲便于清(qing)理差壓信号導(dao)壓管内可能生(sheng)成的污物,差壓(yā)裝✔️置采♌用徑距(ju)取壓方法。 4純氫(qing)流量的計算 孔(kong)闆流量計經密(mì)度補償測得的(de)濕氣體幹部分(fèn)體積🈲流量,換👌算(suan)爲标準狀态下(xia)的體積流量後(hou),乘上幹氣體中(zhōng)的氫體積分數(shu),就得到純氫的(de)體積流量。 5結束(shu)語 1)文中計算是(shi)變組分氣體流(liú)量測量問題,組(zǔ)分的變化源💔自(zi)混合♌氣中氫體(ti)積分數的變化(huà)和氣體溫度⭐變(bian)化引起♋的水汽(qi)體積分數的變(bian)化。介質溫度冬(dōng)季最低達21℃,夏季(ji)最高達63.5℃,水汽體(ti)積分數相差9倍(bei)之多,因此混合(he)氣密度變化很(hěn)大。 2)該案例中采(cai)用熱導式氫分(fen)析儀測量氣體(ti)幹部分的氫體(ti)積🥰分數,并根據(jù)氣體中飽和水(shuǐ)蒸氣壓力與🔴飽(bao)和水蒸氣密度(du)表,扣除水汽體(tǐ)積分數,計算得(de)到純氫體積流(liú)量。 3)該案例中采(cai)用流量演算器(qi)實現各項計算(suan),由于使用的是(shì)彙編語言,所以(yǐ)杜絕了病毒的(de)侵擾,運行安全(quán)可🌈靠。 4)該案例中(zhong)的系統在東北(bei)某化工企業投(tou)運6a以來,運行可(ke)靠,未發生過故(gù)障。測量結果與(yu)産品産量一起(qi)計算得到的氫(qing)單耗不受季節(jie)影響,因此作爲(wèi)貿易交接手段(duan)得到了雙方認(rèn)可,從而解決了(le)經營管理中的(de)難題。
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