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(jì)的基本結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、應(yīng)用情況及注意的問題。
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(jīng)氯氣緩沖罐、氫氣緩沖罐、氫氣阻火器進(jìn)入合成爐燈頭混合燃燒,生成的氣體自爐頂排出, 進(jìn)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(qū)待售。
在合成過程中, 傳統(tǒng)的控制手段是觀察火焰顏色, 手動調(diào)節(jié)氯、氫進(jìn)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(rèn)為流量沒有變化, 但是有時(shí)氯氣純度或氫氣純度發(fā)生了變化,實(shí)際配比可能已發(fā)生了變化。氫氣純度低, 含氧高時(shí),火焰會發(fā)紅、發(fā)暗; 氯氣純度低時(shí)火焰發(fā)白有煙霧, 影響操作人員對氯氫比例的正確判斷。生產(chǎn)中, 氫氣應(yīng)適當(dāng)過量, 防止合成時(shí)過氯。出現(xiàn)過氯現(xiàn)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(chǎn)酸時(shí)含氯過高, 形成氫氯爆炸性混合氣體, 特別是采用液氯生產(chǎn)的廢氯合成鹽酸時(shí), 更要提高氫氯配比, 避免尾氣系統(tǒng)發(fā)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(yīng)生成氯乙炔, 避免發(fā)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(jìn)而影響到氯氫配比。其次, 工藝發(fā)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(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定地測量是鹽酸爐操作的關(guān)鍵, 也是鹽酸生產(chǎn)真正實(shí)現(xiàn)自控的關(guān)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(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)。但是由于2 種工藝介質(zhì)的特殊性, 實(shí)際測量都不滿意。轉(zhuǎn)子流量計(jì)由于流速過快, 氯氫流量高時(shí)會造成流量計(jì)震蕩, 很難保證測量的可靠性、穩(wěn)定性; 用渦街測量氫氣時(shí), 由于氫氣密度低, 且含水, 精度無法滿足; 測量氯氣時(shí), 發(fā)生體內(nèi)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(jìn)而影響到流速, 差壓增大造成實(shí)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(zhì)量流量計(jì)不但價(jià)格昂貴而且選型時(shí)干擾因素多。
T 型阿牛巴流量計(jì)是基于伯努利能量守恒原理和皮托管測量原理而發(fā)展起來的差壓式均速管流量計(jì)。精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高。根據(jù)多年來在氫氣測量中的經(jīng)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)在溫度、壓力相對穩(wěn)定的情況下, 氫氣中析出水量并不大。如果測量系統(tǒng)不存在盲管、死角、水的積聚是不會發(fā)生的。T 型阿牛巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)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(jì), 對速度、密度、雷諾數(shù)有一定的要求。在使用中, 壓力損失也是需要認(rèn)真考慮的問題。
測量氯氣時(shí), 由于氯氣的強(qiáng)腐蝕性, 易在取壓管、取壓閥、變送器內(nèi)部與雜質(zhì)反應(yīng), 生成酸性堵塞物,導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。同時(shí), 孔板材料為 PVC 材質(zhì), 易老化,邊緣會處發(fā)生變形。而 F4 由于硬度較低, 易發(fā)生整體變形。這些均是影響測量的重要因素。氯氣測量中***關(guān)鍵的難點(diǎn)是氯氣的強(qiáng)腐蝕性, 易造成測量系統(tǒng)不規(guī)范。
T 型阿牛巴流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單, 不易堵塞,由于測量介質(zhì)是干氯氣, 傳感器材質(zhì)、膜盒材質(zhì)采用哈氏合金 C- 276。由于 T 型流量計(jì)是節(jié)能型流量計(jì),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(jīng)過對比, 應(yīng)采用 T 型阿牛巴流量計(jì)測量氯氣、氫氣流量。
3.1、T 型阿牛巴流量計(jì)的發(fā)展：
T 型差壓式阿牛巴流量計(jì)的氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量公式如下:Q=0.365 84×K×Y!ΔP/ρ×P/T式中: Q- 氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量, m3/h;K- 流量系數(shù), 其值與傳感器結(jié)構(gòu)、流體流動狀態(tài)、管徑等有關(guān), 由實(shí)驗(yàn)求得;Y- 氣體膨脹系數(shù), 其值與氣體壓力、流速、面積比、差壓等有關(guān), 由實(shí)驗(yàn)求得;ΔP- 差壓, k Pa;ρ- 被測流體在工作狀態(tài)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(jì)的檢測桿斷面是圓形的,發(fā)現(xiàn)圓形阿牛巴流量計(jì)的流量系數(shù) K 值在 Re<105時(shí)基本不變, 而 Re 為 106 ～108 時(shí), K 值增大且分散, 分散度約為±10 %。進(jìn)一步研究表明, 上述現(xiàn)象是由流體流過圓管時(shí), 分離點(diǎn)位置不固定造成的; 當(dāng)Re<105 時(shí), 分離點(diǎn)與管道中心的分離角為 78°, 當(dāng)Re>105 時(shí), 分離角為 130°; 當(dāng) Re 在 105～108 之間時(shí), 分離角處于 78°～130°之間不確定的位置上。由于阿牛巴流量計(jì)計(jì)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(jì) K 值分散度較大的這段雷諾數(shù)范圍對應(yīng)的流體流速正是大多數(shù)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(jì)突出的優(yōu)點(diǎn)是流體分離點(diǎn)的位置固定在菱形兩側(cè)尖銳的拐點(diǎn)上, 從而解決了圓形阿牛巴流量計(jì) K 值不穩(wěn)定的問題, 測量精度提高了。當(dāng)流體流經(jīng)阿牛巴傳感器邊緣時(shí)會產(chǎn)生漩渦, 這些漩渦導(dǎo)致了阿牛巴流量傳感器的震動, 產(chǎn)生脈動的噪聲信號失真, 從而影響測量的穩(wěn)定性。第 2 代寶石Ⅱ型( 改進(jìn)型菱形斷面) 阿牛巴流量計(jì)解決了這個(gè)問題。
無論是改進(jìn)型菱形斷面的阿牛巴流量計(jì)還是在圓形阿牛巴流量計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的橢圓形、扇形、型、機(jī)翼型等多種均速管流量計(jì)雖然比圓形阿牛巴流量計(jì)有了很大的改進(jìn), 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(shí), 大大影響了阿牛巴流量計(jì)在低流速, 低流量時(shí)測量的精度。
( 2) 產(chǎn)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(shí), 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(wěn)定性。限制了阿牛巴流量計(jì)的使用范圍, 尤其是在氣體流量測量的應(yīng)用中。
( 3) 容易受到各種干擾, 產(chǎn)生差壓信號的信噪比較低, 影響了測量的穩(wěn)定性。
( 4) 由于均速管流量計(jì)是流體速度取樣式流量計(jì), 按照流體力學(xué)研究的要求, 要對管道內(nèi)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(xiàn)場要達(dá)到如此的安裝精度是相當(dāng)困難的。
3.2.1、良好的本質(zhì)抗堵性能：
流體在管道各個(gè)截面上的速度分布是有差別的。一個(gè)的速度式流量計(jì)需要得到流體的平均速度, 以往均速管流量計(jì)只開了幾個(gè)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(jì)正面高壓取壓槽口跨越整個(gè)管道, 獲得比以往各種形狀勻速管流量計(jì) 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(dá) 85%, 因而得到***好的平均速度測量精度。T 型阿牛巴流量計(jì)跨越整個(gè)管道的高壓取壓槽口的設(shè)計(jì)也使得它有了更好的抗堵性, 一些雜質(zhì)的吸附對測量精度不會造成在以往的均速管流量計(jì)上發(fā)生的測量誤差。在管道中, 流體在阿牛巴正面能形成一個(gè)大的高壓區(qū), 流體中的微粒偏轉(zhuǎn)繞過這個(gè)高壓區(qū), 并流離 T 型阿牛巴背后低壓取壓口的滯留區(qū), 使得雜質(zhì)不會進(jìn)入阿牛巴的內(nèi)部,獲得了良好的抗堵性能。
3.2.2、精度高、穩(wěn)定性好：
K 值是差壓流量計(jì)***重要的表征系數(shù), 對于測量流量范圍的穩(wěn)定至關(guān)重要, 并直接關(guān)系到流量計(jì)的測量精度。T 型阿牛巴流量計(jì)的 K 值在各個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi)能夠保持恒定, 解決了以往所有各種均速管流量計(jì) K 值在流量變化, 特別是在小流量時(shí)不穩(wěn)定的問題, 使得測量精度保證在±0. 75 %范圍內(nèi)。從根本上保證了阿牛巴流量計(jì)在各種流體狀況中都能得到的測量。T 型阿牛巴流量計(jì)的改進(jìn)是成功的, 同時(shí), 其重復(fù)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(jì)使用效果的一個(gè)重要條件就是使得測量流體時(shí)產(chǎn)生的差壓要足夠大, 以前的均速管流量計(jì)抗力差, 在低流量時(shí), 輸出信號的信噪比太低, 失真度大, 同時(shí)以前的差壓變送器對微差壓測量的精度和穩(wěn)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(jì)產(chǎn)生的差壓信號要比以往各種形狀均速管流量計(jì)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(gè)特性使它具有了 10 ∶1 ~20 ∶1 的量程比。T 型阿牛巴流量計(jì)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(wěn)定測量。
3.2.4、管道壓損?。?br /> 孔板產(chǎn)生的差壓本身就比阿牛巴流量傳感器產(chǎn)生的差壓大, 同時(shí)其壓力損失也不可避免達(dá)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(shí)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(gè)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(hù)：
T 型阿牛巴流量計(jì)的正面高壓取壓槽口跨越整個(gè)管道, 在提高流體平均的測量精度的同時(shí), 也大大降低了 T 型阿牛巴流量計(jì)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(diào)試。
2004 年安裝至今, 9 臺氯氣流量計(jì)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(hù)。在停車期間拆下檢查時(shí), 傳感器與 3051S 變送器完好無損。9 臺氫氣流量計(jì)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(jì) DP 差壓值過低; 工藝原理氫中含水不固定, 造成氫氣流量計(jì)零點(diǎn)有時(shí)漂移, 但處理簡單容易。另外必須關(guān)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(xiàn)象, 測量膜盒選用鍍金比較理想。
4、使用阿牛巴流量計(jì)需注意的問題：
阿牛巴流量計(jì)的機(jī)械尺寸是根據(jù)要安裝的管道尺寸量身定制的, 其流量測量范圍也是根據(jù)用戶提供的流量數(shù)據(jù)計(jì)算、標(biāo)定的。因此提供的流量數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)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(jì)產(chǎn)生的差壓一般都比較小,***小可能只有 10～20 Pa, 均速管流量計(jì)產(chǎn)生差壓信號的大小和流體工況的雷諾數(shù)密切相關(guān)。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(guān)注。各種均速管流量計(jì)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(zhì), 應(yīng)用均速管流量計(jì)時(shí)需慎重考慮。黏粘性雜質(zhì)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(yīng)用。
( 2) 流體中雜質(zhì)很多, 并且裝置間歇操作, 在經(jīng)常停車而且時(shí)間長的情況下, 在斷流期間, 雜質(zhì)可能會干燥并在傳感器的表面結(jié)垢, 長年累月將堵塞取壓口。
( 3) 引壓系統(tǒng)泄漏。沒有使用直接安裝形式, 均速管流量計(jì)到變送器引壓管路系統(tǒng)的泄漏, 會造成在阿牛巴流量計(jì)的引壓腔體內(nèi)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(zhì)可能會進(jìn)入其內(nèi)部并集聚, 從而造成堵塞。
5、結(jié)束語：
隨著阿牛巴流量測量技術(shù)的日趨成熟完善, 其應(yīng)用的前景是廣闊的。T 型阿牛巴流量計(jì)不僅具有高穩(wěn)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(zhì)抗堵特性, 寬量程比, 運(yùn)行能耗低, 在測量特殊介質(zhì)氫氣、氯氣流量中的成功應(yīng)用,值得在氯堿行業(yè)實(shí)現(xiàn)鹽酸生產(chǎn)自控中借鑒和推廣。
