氯氫差壓式T型阿牛巴流量計基本結構性能特點應

摘 要: 介紹了測量氫氣、氯氣流量的意義及差壓式 T 型阿牛巴流量計的基本結構、性能特點、應用情況及注意的問題。

1、氯氣、氫氣流量測量的意義：
來自氯氫處理工序的氯氣、氫氣以一定的摩爾比( 氯氣∶氫氣=1.00∶1.05~1.00∶1.10) 分別經氯氣緩沖罐、氫氣緩沖罐、氫氣阻火器進入合成爐燈頭混合燃燒,生成的氣體自爐頂排出, 進入冷卻器。冷卻后的氣體輸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鹽酸送往成品罐區待售。
在合成過程中, 傳統的控制手段是觀察火焰顏色, 手動調節氯、氫進料閥。操作人員需特別注意觀察火焰顏色, 以青白色火焰為佳。一般認為流量沒有變化, 但是有時氯氣純度或氫氣純度發生了變化,實際配比可能已發生了變化。氫氣純度低, 含氧高時,火焰會發紅、發暗; 氯氣純度低時火焰發白有煙霧, 影響操作人員對氯氫比例的正確判斷。生產中, 氫氣應適當過量, 防止合成時過氯。出現過氯現象, 在氯乙烯工序極易形成氯乙炔, 對安全造成重大影響。一方面要防止產酸時含氯過高, 形成氫氯爆炸性混合氣體, 特別是采用液氯生產的廢氯合成鹽酸時, 更要提高氫氯配比, 避免尾氣系統發生爆炸。另一方面要防止在氯乙烯工序氣體攜帶氯氣與乙炔反應生成氯乙炔, 避免發生事故。加之早晚溫度與四季氣候變化, 也會引起流體密度的變化, 進而影響到氯氫配比。其次, 工藝發生變化, 氯氫純度、壓力大幅度的波動也會大幅度地影響氯氫氣體流量。鹽酸工段對氯氣、氫氣流量準確、可靠、穩定地測量是鹽酸爐操作的關鍵, 也是鹽酸生產真正實現自控的關鍵。

2、流量測量方法：
氯氣、氫氣流量檢測可以通過孔板流量計、轉子流量計、渦街流量計、質量流量計來實現。但是由于2 種工藝介質的特殊性, 實際測量都不滿意。轉子流量計由于流速過快, 氯氫流量高時會造成流量計震蕩, 很難保證測量的可靠性、穩定性; 用渦街測量氫氣時, 由于氫氣密度低, 且含水, 精度無法滿足; 測量氯氣時, 發生體內壁必須做防腐處理。由于氫氣含水, 用孔板測量在孔板前會形成死水, 進而影響到流速, 差壓增大造成實際流量偏大和波動。氯氣是腐蝕性氣體, 孔板必須做好防腐處理。采用質量流量計不但價格昂貴而且選型時干擾因素多。
T 型阿牛巴流量計是基于伯努利能量守恒原理和皮托管測量原理而發展起來的差壓式均速管流量計。精度高、穩定性好、可靠性高。根據多年來在氫氣測量中的經驗, 發現在溫度、壓力相對穩定的情況下, 氫氣中析出水量并不大。如果測量系統不存在盲管、死角、水的積聚是不會發生的。T 型阿牛巴流量計結構簡單, 只要選擇好儀表安裝位置, 水的積聚問題是可以解決的。使用 T 型阿牛巴流量計, 對速度、密度、雷諾數有一定的要求。在使用中, 壓力損失也是需要認真考慮的問題。
測量氯氣時, 由于氯氣的強腐蝕性, 易在取壓管、取壓閥、變送器內部與雜質反應, 生成酸性堵塞物,導致測量不準。同時, 孔板材料為 PVC 材質, 易老化,邊緣會處發生變形。而 F4 由于硬度較低, 易發生整體變形。這些均是影響測量的重要因素。氯氣測量中***關鍵的難點是氯氣的強腐蝕性, 易造成測量系統不規范。
T 型阿牛巴流量計內部結構簡單, 不易堵塞,由于測量介質是干氯氣, 傳感器材質、膜盒材質采用哈氏合金 C- 276。由于 T 型流量計是節能型流量計,形成差壓比較小, 必須選用高性能的 3051S 差壓變送器, 不能采用 EJA 和普通的 3051CD 壓差變送器。經過對比, 應采用 T 型阿牛巴流量計測量氯氣、氫氣流量。 3、T 型阿牛巴流量計：
3.1、T 型阿牛巴流量計的發展：
T 型差壓式阿牛巴流量計的氣體標準體積流量公式如下:Q=0.365 84×K×Y!ΔP/ρ×P/T式中: Q- 氣體標準狀態下的體積流量, m3/h;K- 流量系數, 其值與傳感器結構、流體流動狀態、管徑等有關, 由實驗求得;Y- 氣體膨脹系數, 其值與氣體壓力、流速、面積比、差壓等有關, 由實驗求得;ΔP- 差壓, k Pa;ρ- 被測流體在工作狀態下的密度, kg/m3;P- 氣體工作壓力( 絕壓) , k Pa;T- 工作溫度, K。
***初的阿牛巴流量計的檢測桿斷面是圓形的,發現圓形阿牛巴流量計的流量系數 K 值在 Re<105時基本不變, 而 Re 為 106 ～108 時, K 值增大且分散, 分散度約為±10 %。進一步研究表明, 上述現象是由流體流過圓管時, 分離點位置不固定造成的; 當Re<105 時, 分離點與管道中心的分離角為 78°, 當Re>105 時, 分離角為 130°; 當 Re 在 105～108 之間時, 分離角處于 78°～130°之間不確定的位置上。由于阿牛巴流量計計算公式中流量與 K 值成正比, 因而 K 值的±10%分散度將造成流量測量±10%的誤差, 而阿牛巴流量計 K 值分散度較大的這段雷諾數范圍對應的流體流速正是大多數氣體在管道中的正常流速值。第 2 代寶石Ⅰ型( 菱形斷面) 阿牛巴流量計突出的優點是流體分離點的位置固定在菱形兩側尖銳的拐點上, 從而解決了圓形阿牛巴流量計 K 值不穩定的問題, 測量精度提高了。當流體流經阿牛巴傳感器邊緣時會產生漩渦, 這些漩渦導致了阿牛巴流量傳感器的震動, 產生脈動的噪聲信號失真, 從而影響測量的穩定性。第 2 代寶石Ⅱ型( 改進型菱形斷面) 阿牛巴流量計解決了這個問題。
無論是改進型菱形斷面的阿牛巴流量計還是在圓形阿牛巴流量計基礎上發展起來的橢圓形、扇形、型、機翼型等多種均速管流量計雖然比圓形阿牛巴流量計有了很大的改進, 但還存在著如下問題。
( 1) K 值還是不夠恒定, 特別是在小流量測量時, 大大影響了阿牛巴流量計在低流速, 低流量時測量的精度。
( 2) 產生的差壓信號比較小, 一般只有 1～3 k Pa。在測量流速比較低的工況時, 甚至只有 20～50 Pa。對這樣低的差壓, 無法保證測量的精度和穩定性。限制了阿牛巴流量計的使用范圍, 尤其是在氣體流量測量的應用中。
( 3) 容易受到各種干擾, 產生差壓信號的信噪比較低, 影響了測量的穩定性。
( 4) 由于均速管流量計是流體速度取樣式流量計, 按照流體力學研究的要求, 要對管道內一定位置的流體速度取樣, 因此對安裝有著較高的要求, 在X, Y, Z 三軸方向上一般要求偏差不大于±3°, 在一般現場要達到如此的安裝精度是相當困難的。

3.2.1、良好的本質抗堵性能：
流體在管道各個截面上的速度分布是有差別的。一個的速度式流量計需要得到流體的平均速度, 以往均速管流量計只開了幾個取壓孔, 對流體的速度取樣率僅為 6.5%左右。T 型阿牛巴流量計正面高壓取壓槽口跨越整個管道, 獲得比以往各種形狀勻速管流量計 12 倍以上的流體速度取樣面積, 它對流體的速度取樣率高達 85%, 因而得到***好的平均速度測量精度。T 型阿牛巴流量計跨越整個管道的高壓取壓槽口的設計也使得它有了更好的抗堵性, 一些雜質的吸附對測量精度不會造成在以往的均速管流量計上發生的測量誤差。在管道中, 流體在阿牛巴正面能形成一個大的高壓區, 流體中的微粒偏轉繞過這個高壓區, 并流離 T 型阿牛巴背后低壓取壓口的滯留區, 使得雜質不會進入阿牛巴的內部,獲得了良好的抗堵性能。

3.2.2、精度高、穩定性好：
K 值是差壓流量計***重要的表征系數, 對于測量流量范圍的穩定至關重要, 并直接關系到流量計的測量精度。T 型阿牛巴流量計的 K 值在各個雷諾數范圍內能夠保持恒定, 解決了以往所有各種均速管流量計 K 值在流量變化, 特別是在小流量時不穩定的問題, 使得測量精度保證在±0. 75 %范圍內。從根本上保證了阿牛巴流量計在各種流體狀況中都能得到的測量。T 型阿牛巴流量計的改進是成功的, 同時, 其重復性非常出色, 為±0.1%。

3.2.3、突出的信噪比和量程比：
均速管流量計使用效果的一個重要條件就是使得測量流體時產生的差壓要足夠大, 以前的均速管流量計抗力差, 在低流量時, 輸出信號的信噪比太低, 失真度大, 同時以前的差壓變送器對微差壓測量的精度和穩定性不能令人滿意。在流體同樣的工藝條件下, T 型阿牛巴流量計產生的差壓信號要比以往各種形狀均速管流量計大 80 %以上。這樣不但使得測量精度提高, 而且能使其使用在其他低流速場合, 這個特性使它具有了 10 ∶1 ~20 ∶1 的量程比。T 型阿牛巴流量計輸出的差壓信號具有突出的信噪比, 使得差壓變送器能夠獲得良好的差壓信號,從而得到流量的穩定測量。

3.2.4、管道壓損小：
孔板產生的差壓本身就比阿牛巴流量傳感器產生的差壓大, 同時其壓力損失也不可避免達到差壓的 60%, 而阿牛巴流量傳感器由于阻流面積成倍減少, 也使其壓力損失幾十倍地減少, 只有差壓的3%。實際測量中氫氣的***大壓差只有 144 Pa, 氯氣的***大壓差只有 1 435 Pa。氫氣管道壓力為 110 k Pa, 氯氣管道壓力為 85 k Pa, 氫氣壓損不到整個管道壓力的0.004%, 氯氣壓損不到管道壓力的 1%, 可以忽略。

3.2.5、安裝便利、免維護：
T 型阿牛巴流量計的正面高壓取壓槽口跨越整個管道, 在提高流體平均的測量精度的同時, 也大大降低了 T 型阿牛巴流量計的安裝要求。允許在 X, YZ 三軸方向上有±5°的偏差, ±5°的偏差是人的眼睛能夠明顯判斷的, 安裝人員能更容易地安裝和調試。
2004 年安裝至今, 9 臺氯氣流量計從未因檢測流量偏高或偏低而檢修處理, 真正做到了免維護。在停車期間拆下檢查時, 傳感器與 3051S 變送器完好無損。9 臺氫氣流量計使用比較理想, 但由于氫氣本身固有特性, 即分子小, 密度低, 造成氫氣流量計 DP 差壓值過低; 工藝原理氫中含水不固定, 造成氫氣流量計零點有時漂移, 但處理簡單容易。另外必須關注北方冬天,氣溫偏低氫氣管道含水增大, 形成水珠影響測量, 其次氫分子滲透現象, 測量膜盒選用鍍金比較理想。

4、使用阿牛巴流量計需注意的問題：
阿牛巴流量計的機械尺寸是根據要安裝的管道尺寸量身定制的, 其流量測量范圍也是根據用戶提供的流量數據計算、標定的。因此提供的流量數據和管道數據一定要正確無誤, 否則會造成大的測量誤差。差壓式均速管流量計產生的差壓一般都比較小,***小可能只有 10～20 Pa, 均速管流量計產生差壓信號的大小和流體工況的雷諾數密切相關。對小于1 k Pa 的差壓測量, 特別是小于 0.1 k Pa 的差壓, 需要特別關注。各種均速管流量計在這樣低的流速條件下 K 的波動非常大, 影響測量精度。小于 0.1 k Pa 的微差壓測量, 要求差壓變送器的性能非常高。
( 1) 如果流體中含有黏粘性的雜質, 應用均速管流量計時需慎重考慮。黏粘性雜質粘在傳感器上, 將大大影響測量精度, 很多流量儀表都不適合這種工況的應用。
( 2) 流體中雜質很多, 并且裝置間歇操作, 在經常停車而且時間長的情況下, 在斷流期間, 雜質可能會干燥并在傳感器的表面結垢, 長年累月將堵塞取壓口。
( 3) 引壓系統泄漏。沒有使用直接安裝形式, 均速管流量計到變送器引壓管路系統的泄漏, 會造成在阿牛巴流量計的引壓腔體內有流體流動。雖然此流量非常小, 流速非常慢, 但日積月累, 雜質可能會進入其內部并集聚, 從而造成堵塞。

5、結束語：
隨著阿牛巴流量測量技術的日趨成熟*, 其應用的前景是廣闊的。T 型阿牛巴流量計不僅具有高穩定性和高測量精度, 而且與高精度的差壓變送器一體化安裝, 本質抗堵特性, 寬量程比, 運行能耗低, 在測量特殊介質氫氣、氯氣流量中的成功應用,值得在氯堿行業實現鹽酸生產自控中借鑒和推廣。