淺談質(zhì)量流量計(jì)在化工測(cè)量氫氣方面的應(yīng)用

嚴(yán)波

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)槲锪系钠胶?、熱存?chǔ)、經(jīng)濟(jì)核算等方面的計(jì)算都需要使用質(zhì)量，而不是采用體積，因此在測(cè)量的時(shí)候，經(jīng)常需要將體積測(cè)量結(jié)果換算成為質(zhì)量流量。因?yàn)槊芏入S著溫度與壓力而發(fā)生變化，所以在測(cè)量流體體積的時(shí)候，需要同時(shí)測(cè)量流體密度與壓力，然后求出質(zhì)量流量。但是在質(zhì)量與壓力頻繁變動(dòng)的情況下，很難獲得精確測(cè)量的結(jié)果。采用質(zhì)量流量計(jì)就無(wú)需進(jìn)行這些繁瑣的換算，便捷的同時(shí)也提升了數(shù)據(jù)的精確性。該文在系統(tǒng)分析了質(zhì)量流量計(jì)概念以及原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)中核建中核燃料元件有限公司在制備氫化鋰過(guò)程中，出現(xiàn)的氫氣總量與消耗量過(guò)高的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了調(diào)校方法。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量計(jì) 氫化鋰 耗氫量 測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TH814.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0095-02

此前，中核建中核燃料元件有限公司為了制備氫化鋰需要采購(gòu)氫氣，為了降低在供應(yīng)的過(guò)程中出現(xiàn)糾紛，同時(shí)也為了保證計(jì)量準(zhǔn)確性，雙方?jīng)Q定使用同一種型號(hào)的劑量裝置。通過(guò)和廠家進(jìn)行交流溝通，決定使用艾默生CMF200M質(zhì)量流量計(jì)，具體的型號(hào)是：分體式，變送器是2700，口徑是50。從這幾年的使用情況來(lái)看，比較成功?，F(xiàn)在該公司已經(jīng)在化工生產(chǎn)中廣泛使用，主要用其測(cè)量制備氫化鋰時(shí)的耗氫量，有的時(shí)候也用來(lái)檢測(cè)液氨、苯胺以及環(huán)己酮等。

1 質(zhì)量流量計(jì)概述

質(zhì)量流量計(jì)分為直接式與間接式2種。這種流量計(jì)能夠直接測(cè)量質(zhì)量流量，具有較高的準(zhǔn)確性，和各類(lèi)參數(shù)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，壓力的損失較小。質(zhì)量流量計(jì)當(dāng)前依然在不斷完善，當(dāng)前還有很多問(wèn)題沒(méi)有得到解決，比如零點(diǎn)漂移、管材選擇、振動(dòng)管形狀等。

人們?cè)噲D使用多種已有學(xué)科知識(shí)來(lái)檢測(cè)質(zhì)量，所以市場(chǎng)上出現(xiàn)了測(cè)量不同介質(zhì)、形式多樣的質(zhì)量流量計(jì)。固態(tài)、氣態(tài)與液態(tài)3種流量計(jì)都能夠直接用于流量的測(cè)量，可是固態(tài)流量計(jì)自從產(chǎn)生的那天開(kāi)始，就只能用來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量。傳統(tǒng)氣相、液相流量計(jì)，主要的功效是測(cè)量容積的流量，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量流量?，F(xiàn)在的質(zhì)量流量計(jì)是直接測(cè)量的。所以，一般我們所說(shuō)的直接質(zhì)量流量計(jì)主要是指氣相與液相的質(zhì)量流量計(jì)。當(dāng)前，質(zhì)量流量計(jì)分成使用差壓原理、熱量原理以及動(dòng)量變化原理3種類(lèi)型的流量計(jì)。使用最廣泛的是科里奧利流量計(jì)。

2 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是采用流體在振動(dòng)管當(dāng)中流動(dòng)的時(shí)候，產(chǎn)生和質(zhì)量流量成正比例的科里奧利力，從而制備出的一種直接質(zhì)量流量計(jì)。

在質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)通過(guò)速度v在圍繞P軸進(jìn)行角速度ω的管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)具備相對(duì)應(yīng)的慣性力以及分量加速度。

法向加速度，也就是向心加速度為a，方向是P軸。

切向加速度，也就是科里奧利加速度，方向和αr呈垂直關(guān)系。因?yàn)榉线\(yùn)動(dòng)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在αt方向作用的時(shí)候，科里奧利力Fc=2ωvm，管道對(duì)于質(zhì)點(diǎn)作用存在著一個(gè)反向的作用力-Fc=-2ωvm。

在密度是ρ的流體在管道當(dāng)中以v做勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，任何一段長(zhǎng)度是?x的管道當(dāng)中所受到的切向科里奧利力是：

?Fc=2ωvρA?x

公式當(dāng)中的A為管道內(nèi)部的流通內(nèi)截面積。因?yàn)橘|(zhì)量流量qm=ρvA，因此：

?Fc=2ωqm?x

所以，直接或者是間接方法都能夠測(cè)量出在管道當(dāng)中的流體的科里奧利力，并借此測(cè)得質(zhì)量流量。

現(xiàn)在，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)了單管式的，也就是通過(guò)兩端固定在測(cè)量管上，在中點(diǎn)測(cè)量管的振動(dòng)以及接近諧振的頻率所激勵(lì)，從而在管內(nèi)的流體會(huì)產(chǎn)生科里奧利力，使得測(cè)量管當(dāng)中的點(diǎn)前后產(chǎn)生方向不同的撓曲，使用電磁學(xué)以及光學(xué)原理來(lái)檢測(cè)撓曲量，從而獲得質(zhì)量流量。這種流量計(jì)的誤差會(huì)維持在±（0.15～0.5）%R，重復(fù)性誤差會(huì)維持在基本誤差的1/4～2/3；測(cè)量的范圍度主要分布在（10∶1）～（50∶1）。

3 質(zhì)量流量計(jì)的影響因素

盡管從原理上來(lái)看，質(zhì)量流量計(jì)不會(huì)因?yàn)閴毫?、溫度以及振?dòng)而受到影響，可是在實(shí)際使用的過(guò)程中，溫度與壓力都會(huì)不同程度地造成傳感器出現(xiàn)剛性變形，進(jìn)而影響到計(jì)量的準(zhǔn)確性。

第一，操作溫度的影響。在溫度發(fā)生變化以后，質(zhì)量流量計(jì)的傳感器測(cè)量管剛性會(huì)產(chǎn)生變化，并且與溫度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以能夠被修正。每一臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)部都安裝有Pt100，借此檢測(cè)測(cè)量管的溫度，主要目的就是要補(bǔ)償因?yàn)闇囟鹊淖兓鴮?duì)剛性所產(chǎn)生的影響。

第二，操作壓力的影響。和溫度相同，壓力對(duì)于測(cè)量管剛性也會(huì)產(chǎn)生影響，可是影響較小，存在一定的規(guī)律性。在操作壓力上升的時(shí)候，測(cè)量管會(huì)隨之變硬，從而產(chǎn)生負(fù)向偏差；在操作壓力降低的時(shí)候，測(cè)量管又會(huì)變軟，并且產(chǎn)生正向偏差。因?yàn)榱髁勘硭鶚?biāo)定的壓力通常非常低，平均保持在0.1～0.3 MPa，在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中可以忽略不計(jì)。

4 質(zhì)量流量計(jì)在化工測(cè)量氫氣中的應(yīng)用

（1）質(zhì)量流量計(jì)在化工測(cè)量氫氣中存在的問(wèn)題。

工廠中當(dāng)前安裝了2臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)，分別記為流量表1與流量表2，用于保證氫氣供應(yīng)的準(zhǔn)確劑量，流量表1用于測(cè)量氫氣的供應(yīng)總量，流量表2用于測(cè)量氫化鋰反應(yīng)過(guò)程中的耗氫量，除此之外，還安裝有一個(gè)帶有溫壓補(bǔ)償功能的渦街流量計(jì)總表。通過(guò)觀察流量計(jì)1與渦街流量計(jì)的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)流量計(jì)之間存在比較大的誤差。流量表1所顯示的數(shù)值明顯偏高，表明在計(jì)量的過(guò)程中質(zhì)量流量計(jì)存在問(wèn)題。

通過(guò)原因的查找，最后發(fā)現(xiàn)儀表本身不存在質(zhì)量問(wèn)題，問(wèn)題主要出在介質(zhì)上。質(zhì)量測(cè)量?jī)x1因?yàn)槭强偙?，它主要用于測(cè)量氫氣的供應(yīng)量，雖然從外面購(gòu)買(mǎi)的氫氣號(hào)稱(chēng)是純氫，可是體積百分?jǐn)?shù)卻在99.6%上下波動(dòng)，其余的部分都為氮?dú)?。?duì)于渦街流量計(jì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)闅錃獾姆肿恿肯噍^于氮?dú)夥肿恿恳〉枚?，所以體積的百分?jǐn)?shù)較高，但是對(duì)于其數(shù)值的影響較小。但是，這對(duì)于質(zhì)量測(cè)量計(jì)來(lái)說(shuō)有很大的影響，因?yàn)樵诮Y(jié)算的時(shí)候都是采用純氫來(lái)實(shí)施的，并不是氫氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w的質(zhì)量流量，但是質(zhì)量流量計(jì)上所測(cè)量的數(shù)值都是混合氣體質(zhì)量流量，這也是造成數(shù)值偏高的重要原因。

（2）數(shù)據(jù)修正。

質(zhì)量流量計(jì)1出現(xiàn)誤差的原因是混合氣體的質(zhì)量，因此需要按照質(zhì)量百分比對(duì)其進(jìn)行換算。首先需要按照分析儀體積的百分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算出氫氣的百分比，所采用的公式如下：

質(zhì)量百分比=（H2標(biāo)準(zhǔn)密度×H2體積比）÷[H2標(biāo)準(zhǔn)密度×H2體積比+N2標(biāo)準(zhǔn)密度×（1-H2體積比）]

根據(jù)氫氣濃度為99.6%，計(jì)算出這個(gè)時(shí)候氫氣的質(zhì)量百分比是93.5%，為了對(duì)數(shù)值進(jìn)行修正，此時(shí)需要在流量計(jì)讀數(shù)基礎(chǔ)上再乘以0.935，此時(shí)才是純氫質(zhì)量。

為此，我們向相關(guān)的部門(mén)申請(qǐng)了數(shù)據(jù)修正的建議，雙方最后一致同意按照這個(gè)公式對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的數(shù)據(jù)基本滿(mǎn)足氫化鋰制備過(guò)程中實(shí)際的生產(chǎn)消耗水平。

對(duì)于質(zhì)量流量計(jì)2我們也進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的修正工作，通過(guò)采用混合氣體中氫氣99.6%的濃度計(jì)算出了氫氣標(biāo)準(zhǔn)密度是0.094 5 kg/m3，按照這個(gè)數(shù)據(jù)組態(tài)將其設(shè)置特殊的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)以后，標(biāo)準(zhǔn)體積的流量顯著降低，從以前的3 900 Nm3/h降到了3 600 Nm3/h，這與實(shí)際生產(chǎn)工況以及設(shè)計(jì)消耗的指標(biāo)相吻合，可是在氫氣濃度產(chǎn)生波動(dòng)的時(shí)候，依然存在一定的誤差，只有在線修正才能將其避免。

5 結(jié)語(yǔ)

質(zhì)量流量計(jì)在化工產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)在物料質(zhì)量計(jì)量當(dāng)中也發(fā)揮了更加重要的作用，不論是氣體或是液體，質(zhì)量流量計(jì)都能夠提出很好的解決對(duì)策，可是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，比如混合氣體組分的計(jì)量當(dāng)中，需要充分考慮組分變化對(duì)氫氣質(zhì)量的影響，并積極探求消除的辦法。

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