摘要：隨著空分設備自動化程度的不斷提高和變負荷運行的需求不斷增大，作為體現空分設備運行負荷的重要參數———低溫液體流量測量的準確性顯得越來越重要。提高儀表檢測精度，減少測量誤差，流量計的正確選型和使用是關鍵。比較分析空分設備低溫液體流量計的測量原理，結合具體的使用案例，闡述低溫液體流量計的選用原則，以及設計和安裝過程中需考慮的具體因素。

 

前言

目前，國內空分設備生產廠家不僅在空分設備的生產能力上直追世界先進水平，而且在先進性上的差距也越來越小，也認識到了空分設備節能降耗的重要性。衡量一套空分設備是否先進，其單位能耗是一個重要指標。實現空分設備的先進指標，除采取先進的工藝流程外，先進的控制策略，如變負荷控制就是一個重要的手段。

 

眾所周知，空分設備制氧是一種連續的、不間斷的生產工藝，而后續用氧量卻處于波動狀態，自動變負荷控制功能可實現空分設備能夠根據用戶后續用氧量的變化，自動調節生產能力，達到優化操作、節能降耗的目的。

 

空分設備實現自動變負荷運行時，工藝參數的變化直接制約著整個變負荷生產調節過程?？諝膺M塔流量以及產品氧、液氧、液氮流量等參數的準確指示就顯得尤為重要。通過這些相關測量點的監控，能更準確地反映變負荷過程中各工藝參數之間的內在關系，從而為快速變負荷奠定基礎。

 

空氣、氧氣、氮氣以及氬在低溫條件下可以呈現出液體狀態，但由于壓力、溫度的變化，這些液體可由液態轉變成氣態；而由氣體轉變為液態，則必須要有特定的條件。那么在測量低溫液體流量時，當流體流經檢測元件時由于阻力及節流件的作用，液體很容易發生相變。而對于任何流量測量儀表而言，當被測介質有氣液兩相并存時，就會影響測量的準確性。

 

空分設備變負荷運行時，測量的液體流量要求較高，測量不準，就不能及時反映工況流量的變化，將會影響變負荷內在參數的數學模型的探索和建立。

 

1 常用低溫液體流量測量儀表及測量原理比較

過去國產空分設備較少對低溫液體流量進行測量，但由于經濟的發展及空分設備變負荷控制技術的開發應用以及液體產品的貿易結算要求等因素，對低溫液體流量的測量要求日益顯現，如何選好并用好低溫液體流量測量儀表，對空分設備的經濟運行有重要意義。

 

空分設備低溫液體流量的測量從原理上來分，有差壓式流量計、渦街流量計、科里奧利質量流量計等。但由于低溫液體特性及各方面外在因素的影響，流量計在測量過程中或多或少會存在著一些問題，需要引起重視。差壓式流量計的性能比較見表1。

表1 差壓式流量計比較

 

*A+K平衡流量計是美國馬歇爾航空飛行中心（NASAMarshallSpaceFlightCenter）針對航天飛機的主發動機液氧測量而設計發明的一種新型差壓式流量傳感器。采用使流體流過經平衡優化計算而分布的多孔節流件后達到平衡節流，故也稱為平衡流量計（BFM，Balanced Flow Meter） 。其特點是當流體穿過圓盤的函數孔時，流體將被平衡調整，渦流被最小化。

 

空分設備常用低溫液體流量計測量原理：

（1）差壓式流量計：當充滿管道的流體流經管道內的節流件時，流束將在節流件處形成局部收縮。此時流速增大，靜壓降低，在節流件前后產生差壓，流量愈大，差壓愈大，因此可根據差壓來衡量流量的大小。這種測量方式以連續流動性方程（質量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎。

 

（2）渦街流量計：渦街流量計（VortexFlowMeter）是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計，即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體（渦街流量傳感器，稱之為旋渦發生體），就會在其下游兩側產生兩列有規律的旋渦，即卡門旋渦，其旋渦的頻率正比于流過液體的速度。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構成。

 

（3）科里奧利質量流量計：利用科里奧利效應測量通過元件移動的質量數量，其實質是測量流量通過U形管而在垂直于流動方向上引起的振動，流體通過U形管時伴隨有引起旋流的振動，旋流角度越大，流量越大，產生與質量成正比的科里奧利原理。是一種直接式質量流量計。

 

2 案例分析及使用說明

2.1 案例分析

在實際測量低溫液體流量時，使用過文丘里管、A +K平衡流量計和渦街流量計等測量儀表，從現場使用情況來看，結果都不是很穩定，下面用幾個案例加以說明。

 

案例一：在某空分設備中采用文丘里管來測量低溫液體流量，工藝要求安裝方式為垂直，且流體方向為自上而下。而在實際使用時，流量計卻沒有指示，在現場條件許可前提下，對管路方向進行了整改，文丘里管的安裝方向也由垂直改為水平，流量計正常工作。

 

案例二：在另一套空分設備中選用A+K平衡式流量計來測量低溫液體流量，水平安裝，引壓管卻采用了向下走向，實際測量時流量波動較大。在對變送器增加阻尼后，情況稍有好轉。

 

從以上的使用情況可以看出，低溫液體不但由于其特殊性，當流經節流裝置時，由于節流作用，處于臨界點的液體會發生相變作用，有部分液體會產生汽化；而且對低溫液體流量計的安裝要求也特別高，稍有不慎，就將嚴重影響測量的結果。在案例二中，如果引壓管改為向上走向，情況就會有所改觀。

 

2.2 使用說明

在選用檢測儀表來測量低溫液體流量時，不但要充分考慮流體的特性、安裝條件如管道的布置方向、流體走向、直管段長度等必要的條件外，對于節流件的結構及加工工藝也要進行深一步的考慮，除此以外還要考慮液體的過冷度及低溫冷箱這一特定的條件。

 

低溫液體的生產是在冷箱內這一特定環境下完成的，冷箱內環境溫度一般在－40℃以下，容器和管道內介質的保溫是依靠冷箱內填充珠光砂材料來實現，冷箱相當于一個密閉容器，冷箱內儀表的選用除按常規條件進行選型外，還要考慮測量元件安裝時與管道容器之間的密封性和儀表元件的耐低溫條件。

 

2.2.1 差壓式流量計

在利用差壓式原理進行低溫液體流量測量時，檢測元件首先要考慮選用整體式，與工藝管道之間必須采用焊接式的連接方式，以防泄漏。儀表引壓管安裝時在保證管內介質全部均勻汽化的前提下要盡量短，并采用斜向上走向，從取壓點到冷箱壁的坡度可以考慮在1∶10的范圍以上，引至冷箱壁后可采用先垂直向上后水平再垂直向下的交叉走向，引至冷箱壁根部閥，總之要確保引壓管內液體充分汽化； 同時F+、F－取壓儀表管（如圖1所示）間必須絕對地平行排列，根部閥位置也不能低于水平線下，只有這樣才能有效減小測量誤差，保證測量精度。

圖1 低溫液體流量取壓點示意圖

 

2.2.2 渦街流量計

利用渦街流量計在測量低溫液體流量時，首先要考慮采用分體結構，同時要考慮到儀表本身的局限性。羅斯蒙特8800D智能渦街流量計是空分設備常用的一種測量低溫液體流量的儀表，設計流量計安裝位置時應使流量計保持滿管，無集氣、集液現象，在上游和下游保留足夠的直管段以保證直行和對稱流形的同步，連接形式上同樣要采用焊接式的連接方式，當垂直安裝時液體流向必須自下向上。其次，由于采用了分體結構，測量元件與電子部件之間通過同軸電纜相連，而同軸電纜的長度最長只有5英寸，所以在考慮它的安裝位置時，既要考慮前10D后5D的最小直管段長度，又要考慮電纜長度的局限，更要考慮冷箱的保溫和密封以及工藝管道的過冷。

 

2.2.3 科里奧利質量流量計

科里奧利質量流量計是一種直接式質量流量計，具有許多其他流量計無可比擬的優點。

（1）實現了真正的、高精度的直接質量流量測量。精度一般可達0.11%0.12%，重復性優于0.11%。

 

（2）可測量多個參數，在測量質量流量的同時，獲取密度、溫度、體積流量等參數。

 

（3）流體的介質密度、黏度、溫度、壓力、導電率和流速分布等特性對測量結果影響較小。安裝時無直管段要求。

 

科里奧利質量流量計比較適宜空分設備冷箱外用于貿易結算的低溫液體流量的測量。

 

當然如果科里奧利質量流量計在使用過程中，當流體中氣泡含量超過某一界限時同樣會明顯影響測量結果； 另外其價格太高。用于低溫液體流量的測量，科里奧利質量流量計在使用過程中同樣有保溫的問題，在此要考慮設置保溫冷箱。另外利用科里奧利質量流量計測量液氧流量時，在安裝時還要考慮有個傾斜角度的問題，以最大限度避免液氧中碳氫化合物的積聚，保證設備安全使用。

 

2.3 設計和安裝的基本原則

要確保低溫液體流量測量的準確性，設計和安裝時必須遵循下列基本原則。

（1）充分考慮被測介質特性；

 

（2）安裝位置的合理性；

 

（3）借鑒成熟的新工藝、新技術；

 

（4）強化現場施工規范和質量管理。

 

只有做到了選型正確、安裝到位，才能保證正確測量低溫液體的流量。

 

3 結束語

無論差壓式流量計、渦街流量計還是科里奧利質量流量計都能正確測量低溫液體流量，但要使儀表的性能達到極致、性價比最高，除儀表本身的特性外，還要考慮被測流體特性、安裝條件和環境等方面的因素，而且更要提高現場安裝施工質量的科學管理，強化施工質量。只有這樣才能確保選用的每一個儀表的測量精度最高，也只有這樣才能保證空分設備運行在最佳工況，真正做到節能降耗。