蒸汽質量流量計--金湖天翔儀表有限公司  質量是企業的生命，每件產品都是匠心之作！

摘要:云南化工有限公司兩套80萬噸硫酸尾氣環保減排脫硫，利用稀氨水吸收硫酸生產外排氣中的二氧化硫，洗滌吸收的硫氨液密度 是個重要的工藝指標，實現在線監測及自動控制難度大，本文詳細介紹了利用公司生產的質量流量計進行硫氨液密度測量的原理、現場使用及維護方法，可供同行或儀表維護員工學習參考。

 

1、工藝流程簡介：
    云南天安化工有限公司(以下簡稱公司)兩套年產go萬噸硫酸生產裝置，利用硫磺燃燒制取硫酸，生產過程中的外排尾氣中含有二氧化硫，隨著國家新標準GB 26132-2015《硫酸工業污染物排放標準》頒布實施，要求硫酸企業二氧化硫污染物排放濃度限值為200mg/m3。 2012年底，公司進行尾氣氨法脫硫改造。利用稀氨水對尾氣進行循環洗滌，吸收尾氣中的二氧化硫，當吸收后的硫氨液密度達到設定值后，吸收效果變差，這時自動開啟硫氨液外送調節閥，排出部分硫氨液到氧化塔，同時補充稀氨水及工藝水到吸收塔中，控制好吸收塔液位，繼續完成尾氣的吸收。簡單的工藝流程圖如圖1所不。
    脫硫過程中的硫氨液是種腐蝕性液體，分子式為(NH4) ZS03，經過氧化塔氧化后成為硫酸氨溶液(Nh4)zS04送磷肥系統生產使用。

2、液體質量流量計的原理：

圖1尾氣吸收工藝圖
     液體質量流量計可以直接測量流體的質量流量，同時直接測量液體的在線密度。
   

質量流量計可視為是種簡單的彈性體系統，如圖2所示。


    

飽和蒸汽：通常來說,蒸汽即水的蒸氣。當水在有限的密閉空間中蒸發時,液體水分子通過液面進入上面空間,成為蒸汽分子。由于蒸汽分子處于紊亂的熱運動之中,它們相互碰撞,并和容器壁以及液面發生碰撞,在和液面碰撞時,有的分子則被液體分子所吸引,而重新返回液體中成為液體分子。開始蒸發時,進入空間的分子數目多于返回液體中分子的數目,隨著蒸發的繼續進行,空間蒸汽分子的密度不斷增大,因而返回液體中的分子數目也增多。當單位時間內進入空間的分子數目與返回液體中的分子數目相等時,則蒸發與凝結處于動平衡狀態,這時雖然蒸發和凝結仍在進行,但空間中蒸汽分子的密度不再增大,此時的狀態稱為飽和狀態。在飽和狀態下的液體稱為飽和液體,其對應的蒸汽是飽和蒸汽,但初只是濕飽和蒸汽,待蒸汽中的水分*蒸發后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過程溫度是不增加的,干飽和之后繼續加熱則溫度會上升,成為過熱蒸汽。而熱采階段需要大量的濕飽和蒸汽,而不是過熱蒸汽。

1、流量測量方法：
1.1、流量：
  流量是指流體在單位時間內流過管道或設備某橫截面的數量。流動的氣體、液體或多相流氣固、氣液、液固、氣液固統稱為流體。流量按統計時間不同分為瞬時流量和累積流量,瞬時流量是指單位時間內的流量,累積流量是指一段時間內的流體總量。流量按測量對象可分為以下三類：
(1)體積流量    單位時間內流過管道或設備某橫截面積的流體體積。設流體通過某微小面積為dA，在時間t內通過的微小距離為L，該段體積為dV，通過該微小面積的流體流速為u,則通過微小面積的體積流量為:                          dq=udA               (2.1)若整個截面的流速相同，則體積流量可表述為:                            q=uA                     

(2)質量流量:
    單位時間內流過管道或設備某橫截面積的流體質量。單位為kg/s，累積質量流量單位為kg，若流體的密度為A，則有公式:
(3)能量流量:    單位時間內流過管道或設備某橫截面積的流體能量，單位為J/s或MJ/s;累積能量流量單位為J或MJ，若流體的高位發熱量為H,  q=HuA  (2. 4)    傳統的蒸汽計量是以體積為單位，由于體積計量受到壓力、溫度、壓縮因子等諸多方面的影響，人們希望用質量流量計直接測量蒸汽流量。再由于蒸汽是種熱能資源，為了真正反映蒸汽的品質和真實價值，國外己發展到了使用能量計量來代替質量計量，我國將逐步推廣蒸汽能量計量。
 

2、流量測量方法分類：
   流量測量由流量計來完成，流量計是測量密閉管道或明渠中流體流量的儀表?？煞譃轶w積流量計和質量流量計兩大類。根據現場要求，選取質量流量計，而質量流量計可分為三大類.
 

(1)直接式:流量計的輸出信號直接反映出流涕的質量流量值，而與介質的溫度、壓力、粘度等參數無關。
 

(2)間接式:需要同時檢測出流體的體積流量和密度，通過計算得到流體的質量流量。
 

(3)補償式:同時檢測出流體的體積流量、溫度、壓力和粘度等參數。根據已知的被測流體的密度與流體溫度壓力等參數的關系，實時的求出流體的密度，從而間接得到流體的質量流量。
   

對于直接式質量流量計，典型的代表是科氏力質量流量計?？剖狭|量流量計是運用流體質量流量對振動管振蕩的調制作用即科里奧利力現象為原理的流量計?？剖狭|量流量計由于有著能直接測量質量流量的優點，在我國從90年代初進入工業測量領域以來，應用越來越廣泛。早期的質量流量計生產廠家都宣稱其產品不受被測介質的密度、溫度、壓力、粘度等變化的影響，隨著近幾年的大量應用，發現測量介質的物理參量的變化對其測量精度是有影響的。且科氏力質量流量計易受工業現場的電磁干擾，對現場安裝條件要求較高，安裝復雜，存在零點漂移且壓力損失較大。目前，科氏力質量流量計還沒有應用到測量高溫高壓高干度的飽和蒸汽質量流量的實例。
 

對于間接式質量流量計，由于目前的密度計不能直接測量高溫高壓流體的密度，所以不適合測量本文中的飽和蒸汽。    

補償式流量計主要包括容積式流量計、速度式流量計、節流式流量計等。渦街流量計是種速度式流量計，它是基于卡門渦街原理而研制成功的種新型流量計，其具有以下特點:結構簡單牢固，無可動部件;維護十分方便，安裝費用低;測量范圍寬，量程比可達l: 10;壓力損失較小，運行費用低;應用范圍廣，氣體、液體的流量均可測量。但蒸汽質量流量計也存在定的局限性:使用渦街流量計測量流量時旋渦分離的穩定性受流速影響，故它對直管段有一定的要求;測量液體時，上限流速受壓損和氣蝕現象限制，一般是0.5 m/s至8m/s;測量氣體是，上限流速受介質可壓縮性變化的限制，下限流速受雷諾數和傳感器靈敏度的限制，蒸汽是8m/s至25m/s;應力式渦街流量計對振動較為敏感，故在振動較大的管道安裝流量計時，管道要有一定的減震措施;應力式渦街流量計采用壓電晶體作為檢測傳感器，故其受溫度的限制，般為40℃至3000C 0節流式流量計是一種典型的差壓式流量計，差壓式流量計是類應用廣泛的流量計，在各類流量儀表中其使用量占居*，近年來，由于各種新型流量計的問世，它的使用量百分數逐漸下降，但目前仍是重要的一類流量計。其優點是:
 

(1)結構簡單，安裝方便，性能穩定可靠，使用壽命長，成本低又具有較高的精確度;
 

(2)應用范圍廣泛，至今尚無任何類流量計可與之相比擬;
 

(3)具有較長的使用歷史，有豐富可靠的試驗數據，設計加工已經標準化。
    根據節流元件不同，節流式流量計可分為孔板流量計、噴嘴流量計、文丘里管流量計和文丘里噴嘴流量計?？装辶髁坑嫅脷v史悠久，有標準，理論精度高，應用十分普遍，但經過幾十年的應用，發現孔板流量計有以下不足:應用中許多因素(設計參數與工況參數不符、上游直管段不足、孔板和管道不同心、孔板A面受污、銳角磨損等)對其測量精度有非常大的影響，使其測量誤差增大;安裝較為麻煩，維護及拆洗的工作量較大;流量量程比為1: 3，局限性大;若安裝不正確，容易發生蒸汽泄漏;壓力損失較大，運行費用高。而長徑噴嘴的入口為光滑曲面不易磨損，流出系數穩定，壓力損失也較孔板小很多，文丘里管的制造工藝要求很高且價格昂貴，所以本文中選用流量計的節流元件是長徑噴嘴。

3、蒸汽質量流量計測量方法及原理：
   如果在充滿流體的管道中固定放置個流通面積小于管道截面積的節流元件，則管內流束在通過該節流元件時就會造成局部收縮。在收縮處，流速增加，靜壓力降低，因此，在節流件前后將產生定的壓力差。實踐證明，對于定形狀和尺寸的節流件，定的測壓位置和前后直管段，在定的流體參數情況下，節流件前后的差壓如與流量機之間有一定的函數關系。因此，可以通過測量節流件前后的差壓來測量流量。
  定的測壓位置和前后直管段，在的流體參數情況下，節流件前后的差壓如與流量9qv之間有定的函數關系。因此，可以通過測量節流件前后的差壓來測量流量。

圖2. 1節流件前后流動狀況圖
   

如圖2.1，流體通過節流件之前就己經開始收縮，由于慣性的作用，流束通過噴嘴后還將繼續收縮，直到在噴嘴后的某距離處達到小流束截面。這是流體的平均流速達到大值。然后流束又逐漸擴大到充滿整個圓管，流體的速度也恢復到節流件前的速度?？拷澚骷昂蟮慕锹涮?，由于流體的粘性和局部阻力以及靜壓差回流等影響將造成渦流。這時沿管壁流體的靜壓變化和軸線上不同，圖中表示管壁上的靜壓差沿軸線方向的變化曲線。在節流件前，由于節流件對流體的阻力，造成部分流體的局部滯止，使得管道壁面上的靜壓比上游壓力略有升高。同過節流件后，流體壓力突然降低并隨著流束的縮小，流速的提高而減小，一直達到某一低值。然后又隨著流束的擴張而升高，后恢復到一個稍低于原管中壓力的壓力值，這就是節流件造成的不可恢復的壓力損失Sn。
   

節流裝置中造成流體壓力損失的原因是節流件前后渦流的形成以及流體的沿程摩擦，它使得流體具有的總機械能的部分不可逆的變成了熱能，散失在流體內部。所以選擇長徑噴嘴這樣的節流元件，以盡量消除節流件前后的渦流區，大大減少了流動的壓力損失。
   

在圖中取兩個截面I和II，截面I是流束收縮前的截面，截面II是流束小截面。根據不可壓縮理想流體的伯努利方程：




其中，對、減是截面I和II處的靜壓力(Pa); 是截面工和II處的平均流速(m/s ) ;P"  Pz截面I和II處的流體密度(Kg/m3);聲是流束收縮系數(Az二fAo )，它的大小與節流件的形式及流動狀態有關;}i=dlD河面，稱為節流裝置的直徑比。d為節流件的開孔直徑，D為管道內徑。    由于壓力對和跳是截面I和截面II處流體的平均壓力，而實際測量時，差壓P}Pz是按定的取壓方式在管壁處取得的，與差壓P- Pi有定差異。所以引進取壓系數甲，使得對環`I'P，一Pz)，取壓方式不同，甲也不同。另外，實際的流動都存在損失，與假定的理想流體等嫡定常流體也有差異，因此，引入系數睿對uz進行修正。這樣，修正后的不可壓縮流體的體積流量表達式為


式中，Pi - Pz是實際取壓位置取出的壓力差。令


式中，a是流量系數，它是個與節流件形式、直徑比、取壓方式、流動雷諾數及管壁粗燥度有關的系數，是節流裝置中為重要的個系數。由于流束收縮系數產、修正系數咨及甲無法測量，所以，通常流量系數a由實驗確定。    對于可壓縮流體，流體密度的變化是不可忽視的。根據可壓縮流體的伯努利方程:


  式中，K是氣體的等嫡指數，U1.  U2是截面I和II處流體比體積(m3/Kg)。
   考慮到和推導不可壓縮流體的流量公式時樣的原因，對于實際流體和實際的取壓位置，引入修正系數咨，取壓系數甲和可壓縮流體的流束收縮系數產、后，將可壓縮流體的流量公式整理成與不可壓縮流體的流量公式類似的形式，即令

則流量公式可以寫成:qm=asAo2p, p，p2)(2. 17)式中，a就是不可壓縮流體的流量系數，即式2.5所確定的值，‘稱為可壓縮流體的可膨脹系數，它有下式確定:

由式2.15可得到可壓縮流體的體積流量公式為:

    由于不可壓縮流體的可膨脹系數‘=1，所以可以認為可壓縮流體的流量公式2.13和式2.巧是節流式流量計流量公式的普遍形式。    如果用節流件開孔直徑d來表示式中的，并用信號差壓幼來表示P}Pi，流出系數C來代替流量系數a，則節流式流量計的流量公式的普遍形式可寫成

式中，K為常數，由公式中各量的計算單位確定k值的大小。如果按照工程上的習慣，孔徑d的單位用~，流量9，或q，的單位用耐/h或Kg/h，則K=扼t l 4 x 3600 x 10-b =0.0039986，般取K=0.004 0    流出系數C與流量系數。的關系是

式中，E=1/價稱為漸進速度系數。    利用流出系數C來分析各種因素對流量的影響更加方便，在不同的刀和不同的Re下，C的變化范圍要比a的變化范圍小得多。    當節流元件為長徑噴嘴時，流出系數C有下面的公式導出

    由于在進行可壓縮流體的流量方程推導時假設流體流經節流件的熱力學過程是維等墑過程，即可逆的絕熱過程，所以把流體膨脹系數中的等墑指數K看成常數。當節流件的孔徑比確定時，流體膨脹系數￡與差壓OP和靜壓P,有關。在流量測量中高差壓低靜壓的情況必須補償流體膨脹系數。當DP/只<_ 0.04時可忽略流體膨脹系數的影響。由于所測的飽和蒸汽差壓DP大為SOOKPa，靜壓君為3至15MPa，在正常工作時肯定不滿足△p/君<_ 0.04，所以不能把流體膨脹系數:看成常數。所以需根據下面的式子對流體可膨脹系數￡做出補償:



   在這章中首先介紹了蒸汽質量流量計的性質，然后介紹了幾種流量測量的般方法，流量計的類型及如何選擇流量計，接著介紹了飽和蒸汽質量流量測量的基本原理和質量流量方程中各個參數的補償方法。