摘要(yao)：供需雙(shuang)方貿易(yi)交接計(ji)量以富(fu)氫氣體(ti)中的純(chun)氫量👣爲(wei)準，由于(yu)測量的(de)富氫氣(qi)體中含(han)有飽和(he)水蒸🏃‍♀️氣(qi)，随📐着溫(wen)度的變(bian)化，其中(zhong)的水蒸(zheng)氣與氫(qing)的體積(ji)分數均(jun)會發生(sheng)變化，導(dao)緻氫的(de)平均相(xiang)對分子(zi)質量不(bu)停變化(hua)，爲測量(liang)帶來😄困(kun)難。針對(dui)該問題(ti)，對比分(fen)析了 渦(wo)街流量(liang)計 方法(fa)、科氏力(li)質量流(liu)量計方(fang)法、 孔闆(pan)流量計(ji) 方法三(san)種測量(liang)方案，最(zui)後選取(qu)孔闆流(liu)量計結(jie)合熱導(dao)式氫分(fen)析⚽儀測(ce)量氫的(de)體積分(fen)數，通過(guo)在流量(liang)演🌏算器(qi)中進行(hang)密度補(bu)償、幹氣(qi)部分計(ji)算、純氫(qing)流量計(ji)算，實現(xian)💃了準确(que)測量、數(shu)㊙️據可信(xin)。
　　某化工(gong)廠從附(fu)近的氯(lü)堿廠輸(shu)入純度(du)爲98％的氫(qing)氣，用于(yu)生📧産氫(qing)體積分(fen)數φＨ2爲70％～90％的(de)富氫氣(qi)體，再經(jing)1根内徑(jing)爲468ｍｍ的管(guan)道返送(song)回❄️氯堿(jian)廠，混合(he)氣中的(de)水蒸氣(qi)達到飽(bao)和狀态(tai)，通過熱(re)導式氫(qing)📧分析儀(yi)♍測量混(hun)合氣中(zhong)的氫體(ti)積分數(shu)，測量範(fan)圍爲50％～100％。該(gai)分析🌂儀(yi)測量出(chu)的是幹(gan)氣👅體中(zhong)的氫體(ti)♌積分數(shu)，而工🤞藝(yi)要求測(ce)量☎️的是(shi)濕氣體(ti)幹部分(fen)流量，并(bing)與氫體(ti)積分數(shu)♈一起計(ji)算純氫(qing)的體積(ji)流量，因(yin)🙇‍♀️此文中(zhong)所述是(shi)一個變(bian)組⁉️分氣(qi)體的濕(shi)氣體幹(gan)部分流(liu)量測量(liang)問題。
1測(ce)量方案(an)的确定(ding)
1．1渦街流(liu)量計方(fang)法
1）該方(fang)法信号(hao)處理較(jiao)爲簡單(dan)。渦街流(liu)量計是(shi)一種體(ti)積流量(liang)✨計，即輸(shu)出信号(hao)僅與流(liu)過旋渦(wo)發生體(ti)處的流(liu)體平均(jun)流速成(cheng)正比，而(er)與物料(liao)的密度(du)、黏度等(deng)無✌️關。如(ru)果能用(yong)渦街流(liu)量計測(ce)量某種(zhong)氣體的(de)體積流(liu)量，則信(xin)号經下(xia)面的😄處(chu)理後，就(jiu)可得到(dao)純氫體(ti)積流量(liang)。
ａ）将濕氣(qi)體中的(de)水汽量(liang)扣除。
B）将(jiang)濕氣體(ti)的幹部(bu)分流量(liang)換算爲(wei)标準狀(zhuang)态流量(liang)。
ｃ）将測量(liang)到的幹(gan)氣體中(zhong)氫體積(ji)分數值(zhi)與濕氣(qi)體的幹(gan)💯部分體(ti)🏃🏻‍♂️積🈲流量(liang)相乘，即(ji)得到純(chun)氫的體(ti)積流量(liang)。
由于測(ce)量對象(xiang)具有管(guan)徑大、流(liu)速低、靜(jing)壓低、流(liu)體密度(du)小的特(te)點，用渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)是否可(ke)行，須經(jing)分析和(he)具體驗(yan)算才可(ke)确定。
2）已(yi)知條件(jian)。該測量(liang)對象與(yu)最低可(ke)測流速(su)有關的(de)參數❓包(bao)🈲括：管道(dao)内徑D20＝468ｍｍ，最(zui)高壓力(li)爲70Kpa，常用(yong)壓力爲(wei)40Kpa，最低壓(ya)力爲20Kpa，幹(gan)部分最(zui)大體積(ji)流量爲(wei)1×104ｍ3/ｈ，幹部分(fen)常用體(ti)積流量(liang)爲7×103ｍ3/ｈ，最小(xiao)體積流(liu)量爲2．8×103ｍ3/ｈ，介(jie)質溫度(du)爲21．0～63．5℃（常用(yong)50℃），常用工(gong)況流體(ti)密度ρ1＝0．4138KG/ｍ3。由(you)于工況(kuang)條件下(xia)的流體(ti)密度小(xiao)于0．5KG/ｍ3，使用(yong)渦街流(liu)量計測(ce)量将受(shou)到流體(ti)密度的(de)限制，因(yin)此根據(ju)上述數(shu)據計算(suan)得到常(chang)用工🎯況(kuang)條件下(xia)最小體(ti)積流量(liang)對應的(de)流速爲(wei)3．57ｍ/ｓ。
3）最低可(ke)測流速(su)驗算［1－2］。提(ti)供了大(da)口徑渦(wo)街流量(liang)計最低(di)可☎️測流(liu)速公式(shi)：

式中：ｖ———最(zui)低可測(ce)流速，ｍ/ｓ；ρ———流(liu)體密度(du)，KG/ｍ3。
将ρ＝0．4138KG/ｍ3代入(ru)式（1）得到(dao)最低可(ke)測流速(su)爲8．73ｍ/ｓ，顯然(ran)比最小(xiao)體積流(liu)量對應(ying)🌏的最低(di)流速大(da)得多。
4）縮(suo)小管徑(jing)的可行(hang)性。縮徑(jing)前後的(de)管徑與(yu)縮徑流(liu)速的關(guan)系可用(yong)式（2）計算(suan)：

　　式中：D2———縮(suo)小後的(de)管徑，ｍｍ；D1———縮(suo)小前的(de)管徑，ｍｍ；ｖ2———縮(suo)小後的(de)流速👌，ｍ/ｓ；ｖ1———縮(suo)🔆小前的(de)👌流速，ｍ/ｓ。
　　将(jiang)D1＝468ｍｍ，ｖ1＝3．57ｍ/ｓ，ｖ2＝8．73ｍ/ｓ代入式(shi)（2），得D2＝299．3ｍｍ，即要(yao)選DＮ300渦街(jie)流量計(ji)才能将(jiang)最小可(ke)測流量(liang)覆☂️蓋，如(ru)果混合(he)氣中的(de)氫體積(ji)分數高(gao)于常用(yong)值或☁️流(liu)體壓力(li)低于🈚常(chang)用值，流(liu)體密度(du)減小時(shi)将導緻(zhi)最小流(liu)量無法(fa)測量；而(er)且管道(dao)流通截(jie)面積縮(suo)徑後隻(zhi)有縮徑(jing)前的41％，縮(suo)徑導緻(zhi)流速增(zeng)高，最🌍大(da)流量時(shi)的流速(su)高達31ｍ/ｓ，遠(yuan)高于規(gui)程規定(ding)的安全(quan)流速［3］。因(yin)此，渦街(jie)流量計(ji)不适用(yong)富氫氣(qi)體積流(liu)量的測(ce)量。
1．2科氏(shi)力質量(liang)流量計(ji)方法
　　用(yong)科氏力(li)質量流(liu)量計直(zhi)接測量(liang)變組分(fen)氣體的(de)質量流(liu)❄️量，是👣個(ge)既省力(li)又準确(que)的方案(an)，但要求(qiu)被測氣(qi)☔體靜壓(ya)在100Kpa以上(shang)，以便測(ce)量管内(nei)氣體達(da)到必要(yao)的流速(su)。但在該(gai)案例中(zhong)，靜壓最(zui)低時僅(jin)20Kpa，而且流(liu)速較高(gao)，也不符(fu)合安全(quan)流速的(de)🌈規定。
1．3孔(kong)闆流量(liang)計方法(fa)
　　隻要雷(lei)諾數大(da)于5×103，采用(yong)該方法(fa)就能保(bao)證測量(liang)的精确(que)度，不受(shou)下限流(liu)速的約(yue)束。但對(dui)于組分(fen)變化的(de)氣✊體，在(zai)溫度、壓(ya)力不變(bian)的情況(kuang)下，其密(mi)度會随(sui)組分的(de)變化而(er)變化，從(cong)而産生(sheng)誤差，爲(wei)🎯此必須(xu)針對組(zu)分變化(hua)對測量(liang)的影響(xiang)進行補(bu)償。
2孔闆(pan)流量計(ji)方法的(de)實施

1. 孔(kong)闆流量(liang)計基本(ben)公式：

孔(kong)闆流量(liang)計的基(ji)本公式(shi)如式（3）所(suo)示［4－6］：

　　式中(zhong)：ｑm———質量流(liu)量，kg/s；Ｃ———流出(chu)系數；β———直(zhi)徑比，β＝D/D；ε1———節(jie)流件正(zheng)端取壓(ya)口平面(mian)上的可(ke)膨脹性(xing)系數；D———工(gong)作條件(jian)下節流(liu)件的開(kai)孔直徑(jing)，ｍ；D———管道内(nei)徑‼️，ｍ；ΔP———差壓(ya)，Pａ；ρ1———節流件(jian)正端取(qu)壓口平(ping)面上的(de)流體密(mi)度，KG/ｍ3。
當流(liu)量用體(ti)積流量(liang)表示時(shi)，式（3）轉換(huan)爲式（4）：

式(shi)中：ｑＶ———體積(ji)流量，ｍ3/ｓ。
2．2混(hun)合氣密(mi)度計算(suan)公式
1）标(biao)準狀态(tai)下濕氣(qi)體幹部(bu)分的密(mi)度ρgn用式(shi)（5）計算［7－8］：

　　式(shi)中：φｉ———幹部(bu)分各組(zu)分的體(ti)積分數(shu)，％；ρGｎｉ———幹部分(fen)各組分(fen)的密度(du)，KG/ｍ3．
　　由于氫(qing)體積分(fen)數較大(da)，該案例(li)中隻測(ce)量濕氣(qi)體幹部(bu)分中的(de)氫體積(ji)分數，即(ji)認爲除(chu)氫之外(wai)的幾種(zhong)其💔他氣(qi)🛀體的體(ti)積分數(shu)恒定不(bu)變，則式(shi)（5）簡化成(cheng)式（6）：

　　式中(zhong)：φＨ2———氫體積(ji)分數，％；ρＨ2———标(biao)準狀态(tai)下的氫(qing)氣密度(du)，KG/ｍ3；ρＮｎ———标準狀(zhuang)态下氫(qing)之外其(qi)他氣體(ti)的平均(jun)密度，KG/ｍ3。
2）工(gong)作狀态(tai)下濕氣(qi)體幹部(bu)分密度(du)ρG的計算(suan)如式（7）所(suo)示💋［7－8］：

　　式中(zhong)：P1———工作狀(zhuang)态下差(cha)壓裝置(zhi)正端取(qu)壓口絕(jue)對壓力(li)，Pａ；1———濕氣體(ti)㊙️相對濕(shi)度，取1＝100％；Pｓ1ｍａｘ———工(gong)作狀态(tai)下飽和(he)水蒸氣(qi)的分壓(ya)，Pａ；Pｎ———标準狀(zhuang)态下氣(qi)體絕對(dui)壓力，Pａ；Tｎ，Tｆ———标(biao)準狀态(tai)和工作(zuo)狀态下(xia)氣體的(de)熱力學(xue)溫度，K；Zｎ，Zｆ———标(biao)準狀态(tai)和工作(zuo)狀态下(xia)氣體的(de)壓縮系(xi)數，取Zｎ＝Zｆ＝1。其(qi)中Pｓ1ｍａｘ由表(biao)1查得.。

3）工(gong)作狀态(tai)下濕氣(qi)體密度(du)ρ1的計算(suan)如式（8）所(suo)示：

　　式中(zhong)：ｑＶ1———工作狀(zhuang)态下混(hun)合氣幹(gan)部分體(ti)積流量(liang)，ｍ3/ｈ；ｑＶｎ———标準狀(zhuang)态下混(hun)合💯氣🌂幹(gan)部分體(ti)積流量(liang)，通常由(you)測量任(ren)務書給(gei)出，包括(kuo)❗刻度最(zui)大流量(liang)😍ｑＶｎｍａｘ，常用流(liu)量ｑＶｎｃｏｍ和最(zui)小流量(liang)ｑＶｎｍｉｎ，ｍ3/ｈ。
2．4差壓裝(zhuang)置的計(ji)算
　　求得(de)ｑＶ1和ρ1後，可(ke)按GB/T2624—2006設計(ji)計算差(cha)壓裝置(zhi)。
3溫度壓(ya)力及ε1的(de)補償
3．1溫(wen)度壓力(li)補償氫(qing)體積分(fen)數的補(bu)償公式(shi)
　　氣體溫(wen)度、壓力(li)偏離設(she)計值時(shi)，氫體積(ji)分數也(ye)會偏離(li)設計值(zhi)，此時濕(shi)氣體幹(gan)部分流(liu)量可用(yong)式（11）進行(hang)補償［10］：

式(shi)中：帶“′”的(de)物理量(liang)爲實際(ji)使用工(gong)況條件(jian)下的參(can)數，不帶(dai)“′”的⭕物♌理(li)量爲設(she)計工況(kuang)所對應(ying)的參數(shu)，在差壓(ya)裝置計(ji)算書中(zhong)可以獲(huo)得。
式（9）中(zhong)，由于工(gong)況變化(hua)，ρ1已經從(cong)式（8）所表(biao)示的值(zhi)變成式(shi)🏃🏻（12）所表示(shi)的值：

3．2流(liu)量示值(zhi)的可膨(peng)脹性系(xi)數補償(chang)
　　爲了提(ti)高濕氣(qi)體幹部(bu)分流量(liang)測量的(de)精确度(du)，必須進(jin)行氣體(ti)可膨脹(zhang)性系數(shu)（ｅｘPａｎｓｉBｉｌｉTｙ）的補償(chang)，并按GB/T2624—2006中(zhong)的公式(shi)Ｃ＝ｆ（β，RｅD）進行雷(lei)諾數補(bu)償，具體(ti)操作🥰方(fang)法詳見(jian)參考文(wen)獻［10－11］。
3．3補償(chang)公式的(de)實現
　　式(shi)（15）中有一(yi)半的物(wu)理量是(shi)已知的(de)，隻需按(an)儀表說(shuo)明書的(de)要求填(tian)入菜單(dan)，其餘的(de)則是測(ce)量值或(huo)計算值(zhi)，具體見(jian)表2所列(lie)。


3．4結構上(shang)的處理(li)
　　由于混(hun)合氣中(zhong)的水蒸(zheng)氣體積(ji)分數總(zong)是達到(dao)飽和👅程(cheng)度🌐，爲防(fang)止冷凝(ning)水在孔(kong)闆前、 三(san)閥組 内(nei)、 差壓變(bian)送器 高(gao)低壓室(shi)内的聚(ju)積對測(ce)量的精(jing)确度産(chan)生影響(xiang)，該項目(mu)😍儀表采(cai)用偏心(xin)孔闆，并(bing)将差壓(ya)變送器(qi)布置在(zai)🔱水平管(guan)道上方(fang)，而且☀️棄(qi)用針形(xing)閥三閥(fa)組，改用(yong)不鏽鋼(gang)球閥，從(cong)而杜絕(jue)了積🈲水(shui)。
　　爲便于(yu)清理差(cha)壓信号(hao)導壓管(guan)内可能(neng)生成的(de)污物，差(cha)壓裝✊置(zhi)⚽采用徑(jing)距取壓(ya)方法。
4純(chun)氫流量(liang)的計算(suan)
　　孔闆流(liu)量計經(jing)密度補(bu)償測得(de)的濕氣(qi)體幹部(bu)分體積(ji)流量，換(huan)💜算爲标(biao)準狀态(tai)下的體(ti)積流量(liang)後，乘上(shang)幹❄️氣體(ti)中的🔅氫(qing)體積分(fen)數，就得(de)到純氫(qing)的體積(ji)流量。
5結(jie)束語
1）文(wen)中計算(suan)是變組(zu)分氣體(ti)流量測(ce)量問題(ti)，組分的(de)變🤩化源(yuan)📧自混合(he)氣中氫(qing)體積分(fen)數的變(bian)化和氣(qi)體溫度(du)變化引(yin)起的水(shui)汽體積(ji)分數的(de)變化。介(jie)質溫度(du)冬季🧑🏾‍🤝‍🧑🏼最(zui)低達💘21℃，夏(xia)季最高(gao)達63．5℃，水汽(qi)體積分(fen)數相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼差(cha)9倍之多(duo)，因此混(hun)合氣密(mi)度變化(hua)很大。
2）該(gai)案例中(zhong)采用熱(re)導式氫(qing)分析儀(yi)測量氣(qi)體幹部(bu)分的氫(qing)體積分(fen)數，并根(gen)據氣體(ti)中飽和(he)水蒸氣(qi)壓力與(yu)🐆飽和🍓水(shui)蒸氣密(mi)度表🛀，扣(kou)除水汽(qi)體積分(fen)數，計算(suan)得到純(chun)氫體積(ji)流量。
3）該(gai)案例中(zhong)采用流(liu)量演算(suan)器實現(xian)各項計(ji)算，由于(yu)使用的(de)是彙編(bian)語言，所(suo)以杜絕(jue)了病毒(du)的侵擾(rao)，運行安(an)全可靠(kao)。
4）該案例(li)中的系(xi)統在東(dong)北某化(hua)工企業(ye)投運6ａ以(yi)來，運行(hang)可靠，未(wei)發生過(guo)故障。測(ce)量結果(guo)與産品(pin)産量一(yi)起計算(suan)得到🈲的(de)氫單耗(hao)不受季(ji)節影響(xiang)，因此作(zuo)爲貿易(yi)🤞交接手(shou)段得到(dao)了雙方(fang)認可，從(cong)⭐而解決(jue)了經營(ying)管理🚶中(zhong)的難題(ti)。

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