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

1. 孔闆(pǎn)流量計基本公(gōng)式：

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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