质量流量计在化工测量氢气方面的应用案例

工业生产过程中, 因为物料的平衡、热存储、经济核算等方面的计算都需要使用质量, 而不是采用体积, 因此在测量的时候, 经常需要将体积测量结果换算成为质量流量。因为密度随着温度与压力而发生变化, 所以在测量流体体积的时候, 需要同时测量流体密度与压力, 然后求出质量流量。但是在质量与压力频繁变动的情况下, 很难获得测量的结果。采用质量流量计就无需进行这些繁琐的换算, 便捷的同时也提升了数据的性。该文在系统分析了质量流量计概念以及原理的基础上, 针对中核建中核燃料元件有限公司在制备氢化锂过程中, 出现的氢气总量与消耗量过高的问题进行了系统分析, 并提出了调校方法。

此前, 中核建中核燃料元件有限公司为了制备氢化锂需要采购氢气, 为了降低在供应的过程中出现纠纷, 同时也为了保证计量准确性, 双方决定使用同一种型号的剂量装置。通过和厂家进行交流沟通, 决定使用艾默生CMF200M质量流量计, 具体的型号是:分体式, 变送器是2700, 口径是50。从这几年的使用情况来看, 比较成功。现在该公司已经在化工生产中广泛使用, 主要用其测量制备氢化锂时的耗氢量, 有的时候也用来检测液氨、苯胺以及环己酮等。

质量流量计分为直接式与间接式2种。这种流量计能够直接测量质量流量, 具有较高的准确性, 和各类参数没有关联, 压力的损失较小。质量流量计当前依然在不断完善, 当前还有很多问题没有得到解决, 比如零点漂移、管材选择、振动管形状等。

人们试图使用多种已有学科知识来检测质量, 所以市场上出现了测量不同介质、形式多样的质量流量计。固态、气态与液态3种流量计都能够直接用于流量的测量, 可是固态流量计自从产生的那天开始, 就只能用来测量质量流量。传统气相、液相流量计, 主要的功效是测量容积的流量, 然后将其转变为质量流量。现在的质量流量计是直接测量的。所以, 一般我们所说的直接质量流量计主要是指气相与液相的质量流量计。当前, 质量流量计分成使用差压原理、热量原理以及动量变化原理3种类型的流量计。使用***广泛的是科里奥利流量计。

科里奥利质量流量计是采用流体在振动管当中流动的时候, 产生和质量流量成正比例的科里奥利力, 从而制备出的一种直接质量流量计。

在质量为m的质点通过速度在围绕轴p进行角速度w的管道内旋转运动的时候, 质点具备相对应的惯性力以及分量加速度。

法向加速度, 也就是向心加速度为a, 方向是p轴。

切向加速度, 也就是科里奥利加速度, 方向和ar呈垂直关系。因为符合运动, 当质点在at方向作用的时候, 科里奥利力, 管道对于质点作用存在着一个反向的作用力 

在密度是p的流体在管道当中以做匀速运动的时候, 任何一段长度是△x的管道当中所受到的切向科里奥利力是:

公式当中的为管道内部的流通内截面积。因为质量流量, 因此:

所以, 直接或者是间接方法都能够测量出在管道当中的流体的科里奥利力, 并借此测得质量流量。

现在, 科里奥利质量流量计已经出现了单管式的, 也就是通过两端固定在测量管上, 在中点测量管的振动以及接近谐振的频率所激励, 从而在管内的流体会产生科里奥利力, 使得测量管当中的点前后产生方向不同的挠曲, 使用电磁学以及光学原理来检测挠曲量, 从而获得质量流量。这种流量计的误差会维持在± (0.15~0.5) %R, 重复性误差会维持在基本误差的1/4~2/3;测量的范围度主要分布在 (10∶1) ~ (50∶1) 。

尽管从原理上来看, 质量流量计不会因为压力、温度以及振动而受到影响, 可是在实际使用的过程中, 温度与压力都会不同程度地造成传感器出现刚性变形, 进而影响到计量的准确性。

, 操作温度的影响。在温度发生变化以后, 质量流量计的传感器测量管刚性会产生变化, 并且与温度之间存在一定的函数关系, 所以能够被修正。每一台质量流量计内部都安装有P t10 0, 借此检测测量管的温度, 主要目的就是要补偿因为温度的变化而对刚性所产生的影响。

第二, 操作压力的影响。和温度相同, 压力对于测量管刚性也会产生影响, 可是影响较小, 存在一定的规律性。在操作压力上升的时候, 测量管会随之变硬, 从而产生负向偏差;在操作压力降低的时候, 测量管又会变软, 并且产生正向偏差。因为流量表所标定的压力通常非常低, 平均保持在0.1~0.3 MPa, 在实际的生产当中可以忽略不计。

(1) 质量流量计在化工测量氢气中存在的问题。

工厂中当前安装了2台质量流量计, 分别记为流量表1与流量表2, 用于保证氢气供应的准确剂量, 流量表1用于测量氢气的供应总量, 流量表2用于测量氢化锂反应过程中的耗氢量, 除此之外, 还安装有一个带有温压补偿功能的涡街流量计总表。通过观察流量计1与涡街流量计的数值发现, 2台流量计之间存在比较大的误差。流量表1所显示的数值明显偏高, 表明在计量的过程中质量流量计存在问题。

通过原因的查找, ***后发现仪表本身不存在质量问题, 问题主要出在介质上。质量测量仪1因为是总表, 它主要用于测量氢气的供应量, 虽然从外面购买的氢气号称是纯氢, 可是体积百分数却在99.6%上下波动, 其余的部分都为氮气。对于涡街流量计来说, 因为氢气的分子量相较于氮气分子量要小得多, 所以体积的百分数较高, 但是对于其数值的影响较小。但是, 这对于质量测量计来说有很大的影响, 因为在结算的时候都是采用纯氢来实施的, 并不是氢气与氮气的混合气体的质量流量, 但是质量流量计上所测量的数值都是混合气体质量流量, 这也是造成数值偏高的重要原因。

(2) 数据修正。

质量流量计1出现误差的原因是混合气体的质量, 因此需要按照质量百分比对其进行换算。首先需要按照分析仪体积的百分数来计算出氢气的百分比, 所采用的公式如下:

根据氢气浓度为99.6%, 计算出这个时候氢气的质量百分比是93.5%, 为了对数值进行修正, 此时需要在流量计读数基础上再乘以0.935, 此时才是纯氢质量。

为此, 我们向相关的部门申请了数据修正的建议, 双方***后一致同意按照这个公式对质量流量计的测量数据进行修正, 修正后的数据基本满足氢化锂制备过程中实际的生产消耗水平。

对于质量流量计2我们也进行了相对应的修正工作, 通过采用混合气体中氢气99.6%的浓度计算出了氢气标准密度是0.094 5 k g/m, 按照这个数据组态将其设置特殊的单位转换系数以后, 标准体积的流量显著降低, 从以前的3 900 Nm/h降到了3 600 Nm/h, 这与实际生产工况以及设计消耗的指标相吻合, 可是在氢气浓度产生波动的时候, 依然存在一定的误差, 只有在线修正才能将其避免。

质量流量计在化工产业中应用越来越广泛, 同时在物料质量计量当中也发挥了更加重要的作用, 不论是气体或是液体, 质量流量计都能够提出很好的解决对策, 可是在实际应用过程中, 比如混合气体组分的计量当中, 需要充分考虑组分变化对氢气质量的影响, 并积极探求消除的办法。