摘要：供需雙方貿(mao)易交接計量以富(fù)氫氣體中的純氫(qing)量爲準，由于測量(liang)的富氫氣體中含(han)有飽和水蒸氣，随(sui)着溫度的變化，其(qi)中♉的水蒸氣與氫(qing)的體積分數均會(huì)⭐發生變化，導緻🌈氫(qīng)的平均相對分子(zǐ)質量不👣停變化，爲(wèi)💛測量帶來困難。針(zhen)對該問題，對比分(fen)析了 渦街流量計(ji) 方法、科氏力質量(liang)流量計方法、 孔闆(pan)流量計 方法三種(zhǒng)測量方案，最後選(xuan)取孔闆流量計結(jie)合熱導式🥵氫分♊析(xi)儀測量氫的體積(jī)分數，通過在流量(liang)演算器中進行密(mi)度補償、幹🐆氣部分(fèn)計算、純氫流量計(jì)算，實現了準确測(cè)量、數據可信❤️。
　　某化(hua)工廠從附近的氯(lǜ)堿廠輸入純度爲(wei)98％的氫氣，用于生産(chan)氫體🧡積分數φＨ2爲70％～90％的(de)富氫氣體，再經1根(gen)内徑爲468ｍｍ的管道返(fan)送回氯堿廠，混合(hé)氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀态，通過(guo)熱導式氫分析儀(yi)測量混🐇合氣中的(de)氫體積分數，測量(liang)範圍爲50％～100％。該分析儀(yi)測量出的是幹氣(qì)體中的氫體🔴積分(fen)數，而工🌏藝要求測(ce)量的是濕氣體幹(gàn)部分流量，并與氫(qīng)體積分數一起計(jì)算純氫的體積流(liú)量，因此文中所述(shù)是一個變組分氣(qi)體的濕氣體幹部(bu)分流量測量問題(tí)。
1測量方案的确定(dìng)
1．1渦街流量計方法(fa)
1）該方法信号處理(lǐ)較爲簡單。渦街流(liu)量計是一種體積(jī)流量😍計⛱️，即🌈輸出信(xìn)号僅與流過旋渦(wo)發生體處的流體(tǐ)平均流速成正比(bǐ)，而與物料的密度(du)、黏度等無關。如果(guo)能用渦街流量計(jì)測量某種氣體的(de)體積流量，則信号(hào)經下面的處理後(hòu)，就可得到純氫體(ti)積流㊙️量。
ａ）将濕氣體(tǐ)中的水汽量扣除(chu)。
B）将濕氣體的幹部(bu)分流量換算爲标(biao)準狀态流量。
ｃ）将測(ce)量到的幹氣體中(zhōng)氫體積分數值與(yǔ)濕氣體的幹部分(fen)體積流量相乘，即(jí)得到純氫的體積(ji)流量。
由于測量對(dui)象具有管徑大、流(liu)速低、靜壓低、流體(tǐ)密度小的🐆特🤟點，用(yòng)渦街流量計測量(liang)是否可行，須經分(fèn)析和具體驗算才(cái)可确定。
2）已知條件(jian)。該測量對象與最(zuì)低可測流速有關(guan)的參數包🙇🏻括🐇：管道(dao)🙇🏻内徑D20＝468ｍｍ，最高壓力爲(wèi)70Kpa，常用壓力爲40Kpa，最低(di)壓📧力爲20Kpa，幹部分最(zuì)大體積流量爲1×104ｍ3/ｈ，幹(gàn)部分常用體積流(liu)量爲7×103ｍ3/ｈ，最小體積💛流(liu)量爲2．8×103ｍ3/ｈ，介質溫度爲(wèi)21．0～63．5℃（常用50℃），常用工況流(liú)體密度ρ1＝0．4138KG/ｍ3。由于工況(kuàng)條件下的流體密(mi)度小于0．5KG/ｍ3，使用🔞渦街(jiē)流量計測量将受(shou)到流體密度的⁉️限(xiàn)制，因此根據上述(shu)數據計算得到常(cháng)用工況條件下最(zui)小體積流量對應(yīng)的流速🐆爲3．57ｍ/ｓ。
3）最低可(kě)測流速驗算［1－2］。提供(gòng)了大口徑渦街流(liu)量計最🧡低可測流(liú)速公式：

式中：ｖ———最低(di)可測流速，ｍ/ｓ；ρ———流體密(mi)度，KG/ｍ3。
将ρ＝0．4138KG/ｍ3代入式（1）得到(dào)最低可測流速爲(wei)8．73ｍ/ｓ，顯然比最小體積(ji)流🍓量對應的最低(di)流速大得多。
4）縮小(xiǎo)管徑的可行性。縮(suo)徑前後的管徑與(yu)縮徑流速的關系(xi)可用式（2）計算：

　　式中(zhong)：D2———縮小後的管徑，ｍｍ；D1———縮(suō)小前的管徑，ｍｍ；ｖ2———縮小(xiao)後的流速，ｍ/ｓ；ｖ1———縮🌏小前(qián)㊙️的流速，ｍ/ｓ。
　　将D1＝468ｍｍ，ｖ1＝3．57ｍ/ｓ，ｖ2＝8．73ｍ/ｓ代入式(shi)（2），得D2＝299．3ｍｍ，即要選DＮ300渦街流(liú)量計才能将最小(xiao)可測流✨量覆❄️蓋，如(rú)💃🏻果混合氣中的氫(qing)體積分數高于常(chang)用值或流體壓力(lì)低于💘常用值，流體(tǐ)密度減小時将導(dao)緻最小流量無法(fa)測量；而且管道流(liú)通截面積縮徑後(hou)隻有縮🐅徑前的41％，縮(suo)🍉徑導緻流速增高(gāo)，最大流量時的流(liu)速高達31ｍ/ｓ，遠高于規(guī)程規定的安全流(liú)速［3］。因此，渦🌈街流量(liang)計不💰适用富氫氣(qi)體積流量的測量(liang)。
1．2科氏力質量流量(liàng)計方法
　　用科氏力(li)質量流量計直接(jie)測量變組分氣體(ti)的質量流量，是個(gè)既省力又準确的(de)方案，但要求被測(ce)氣體靜壓在100Kpa以上(shang)，以便測量管内氣(qì)體達到必要的流(liú)速。但在㊙️該案例中(zhōng)，靜壓最低時僅20Kpa，而(er)且流速較高，也不(bu)符合安👌全流速的(de)規定。
1．3孔闆流量計(ji)方法
　　隻要雷諾數(shu)大于5×103，采用該方法(fa)就能保證測量的(de)精确度，不受下限(xiàn)流速的約束。但對(dui)于組分變化的氣(qì)體，在溫度⁉️、壓力不(bú)變的情🏃🏻況下，其密(mì)度會随組分的變(biàn)化而變化，從而産(chan)生誤差，爲🈲此必須(xū)針對組分變化對(dui)測量的影響進行(hang)補償。
2孔闆流量計(jì)方法的實施

1. 孔闆(pǎn)流量計基本公式(shi)：

孔闆流量計的基(jī)本公式如式（3）所示(shì)［4－6］：

　　式中：ｑm———質量流量，kg/s；Ｃ———流(liu)出系數；β———直徑比，β＝D/D；ε1———節(jie)流件正端取壓口(kou)平面上的可膨脹(zhang)性系數；D———工作條件(jian)下節流件的開孔(kong)直徑，ｍ；D———管道内徑，ｍ；ΔP———差(cha)壓，Pａ；ρ1———節流件正端取(qu)壓口平面上的流(liú)體密度，KG/ｍ3。
當流量用(yong)體積流量表示時(shí)，式（3）轉換爲式（4）：

式中(zhōng)：ｑＶ———體積流量，ｍ3/ｓ。
2．2混合氣(qì)密度計算公式
1）标(biao)準狀态下濕氣體(tǐ)幹部分的密度ρgn用(yong)式（5）計算［7－8］：

　　式中：φｉ———幹部(bu)分各組分的體積(jī)分數，％；ρGｎｉ———幹部分各組(zu)分的密度，KG/ｍ3．
　　由于氫(qīng)體積分數較大，該(gai)案例中隻測量濕(shi)氣體幹部分中🔴的(de)氫體積分數，即認(ren)爲除氫之外的幾(jǐ)種其他氣🈲體的🔅體(tǐ)積分數恒定不變(bian)，則式（5）簡化成式（6）：

　　式(shi)中：φＨ2———氫體積分數，％；ρＨ2———标(biao)準狀态下的氫氣(qì)密度，KG/ｍ3；ρＮｎ———标準狀态下(xià)氫之外🐇其他氣體(tǐ)的平均密度，KG/ｍ3。
2）工作(zuo)狀态下濕氣體幹(gàn)部分密度ρG的計算(suàn)如式（7）所示［7－8］：

　　式中：P1———工(gōng)作狀态下差壓裝(zhuāng)置正端取壓口絕(jue)對壓力，Pａ；1———濕氣體🔴相(xiang)✊對😘濕度，取1＝100％；Pｓ1ｍａｘ———工作狀(zhuàng)态下飽和水蒸氣(qi)的分壓，Pａ；Pｎ———标準狀态(tài)下氣體絕對壓力(li)，Pａ；Tｎ，Tｆ———标準狀态和工作(zuò)狀态下氣㊙️體的熱(re)力學溫度，K；Zｎ，Zｆ———标準狀(zhuang)态和工作狀态下(xia)氣體的壓縮系數(shù)，取Zｎ＝Zｆ＝1。其中Pｓ1ｍａｘ由表1查得(dé).。

3）工作狀态下濕氣(qì)體密度ρ1的計算如(rú)式（8）所示：

　　式中：ｑＶ1———工作(zuo)狀态下混合氣幹(gàn)部分體積流量，ｍ3/ｈ；ｑＶｎ———标(biāo)準狀态下💘混合氣(qi)🌐幹部分體積流量(liàng)，通常由測量任務(wu)書給出，包括刻度(dù)最大流量ｑＶｎｍａｘ，常用流(liu)量ｑＶｎｃｏｍ和最小流量ｑＶｎｍｉｎ，ｍ3/ｈ。
2．4差(chà)壓裝置的計算
　　求(qiú)得ｑＶ1和ρ1後，可按GB/T2624—2006設計(ji)計算差壓裝置。
3溫(wen)度壓力及ε1的補償(cháng)
3．1溫度壓力補償氫(qing)體積分數的補償(cháng)公式
　　氣體溫度、壓(ya)力偏離設計值時(shí)，氫體積分數也會(hui)偏離設計值♉，此時(shí)濕氣體幹部分流(liú)量可用式（11）進行補(bǔ)償［10］：

式中：帶“′”的物理(lǐ)量爲實際使用工(gōng)況條件下的參數(shu)，不帶“′”的物理量爲(wèi)設計工況所對應(yīng)的參數，在差壓裝(zhuāng)置計算🈲書中可以(yǐ)獲得🏃。
式（9）中，由于工(gong)況變化，ρ1已經從式(shì)（8）所表示的值變成(chéng)式（12）所表示的值：

3．2流(liu)量示值的可膨脹(zhang)性系數補償
　　爲了(le)提高濕氣體幹部(bu)分流量測量的精(jing)确度，必須進行氣(qi)體☂️可膨脹性系數(shu)（ｅｘPａｎｓｉBｉｌｉTｙ）的補償，并按GB/T2624—2006中的(de)公式Ｃ＝ｆ（β，RｅD）進😄行雷諾數(shù)🐆補償♌，具體操作方(fāng)法詳見參考文獻(xiàn)［10－11］。
3．3補償公式的實現(xiàn)
　　式（15）中有一半的物(wu)理量是已知的，隻(zhī)需按儀表說明書(shū)的要求填入菜單(dan)，其餘的則是測量(liang)值或計算值，具體(ti)見表2所列。


3．4結構上(shang)的處理
　　由于混合(he)氣中的水蒸氣體(ti)積分數總是達到(dao)飽和程🔴度，爲防止(zhǐ)❗冷凝水在孔闆前(qian)、 三閥組 内、 差壓變(biàn)送器 高低壓室内(nèi)的聚積對測量的(de)精确度産生影響(xiǎng)，該項目㊙️儀表采用(yong)偏心孔闆，并将差(cha)壓變送器布置在(zai)水平🌐管道上方，而(er)且棄用針形閥三(sān)閥組，改用不鏽鋼(gang)球閥，從而杜絕了(le)積水。
　　爲便于清理(lǐ)差壓信号導壓管(guan)内可能生成的污(wū)物，差壓裝置采用(yong)徑距取壓方法。
4純(chun)氫流量的計算
　　孔(kong)闆流量計經密度(dù)補償測得的濕氣(qì)體幹部分體積流(liú)量，換算爲标準狀(zhuang)态下的體積流量(liang)後，乘上幹氣體中(zhong)的氫體積分數，就(jiù)得到純氫的體積(ji)流量。
5結束語
1）文中(zhōng)計算是變組分氣(qi)體流量測量問題(tí)，組分的變🐇化源自(zi)混🌏合🥵氣中氫體積(ji)分數的變化和氣(qi)體溫度變化🌈引起(qi)的水汽體📞積分數(shu)的變化。介質溫度(du)冬季最低達21℃，夏季(jì)最❌高達63．5℃，水☂️汽體積(jī)分數相差9倍之多(duo)，因此混合氣密度(dù)變化很大。
2）該案例(lì)中采用熱導式氫(qing)分析儀測量氣體(tǐ)幹部分的氫💃體積(ji)🏃分㊙️數，并根據氣體(tǐ)中飽和水蒸氣壓(yā)力與飽和水蒸氣(qì)密度表，扣除水汽(qi)體積分數，計算得(dé)到純氫體積流量(liàng)。
3）該案例中采用流(liu)量演算器實現各(gè)項計算，由于使用(yòng)🔅的是彙編語言，所(suǒ)以杜絕了病毒的(de)侵擾，運行安🐆全可(ke)㊙️靠。
4）該案例中的系(xi)統在東北某化工(gōng)企業投運6ａ以來，運(yùn)✍️行💃🏻可靠，未發生過(guo)故障。測量結果與(yu)産品産量一起🌂計(jì)算得到的氫🌈單耗(hao)不受季節影響，因(yīn)此作爲貿易交接(jiē)手段得到了雙方(fāng)認可，從而解決了(le)經營管理中的難(nán)題。

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