淺談質(zhì)量流量計在化工測量氫氣方面的應(yīng)用

嚴波

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)過程中，因為物料的平衡、熱存儲、經(jīng)濟核算等方面的計算都需要使用質(zhì)量，而不是采用體積，因此在測量的時候，經(jīng)常需要將體積測量結(jié)果換算成為質(zhì)量流量。因為密度隨著溫度與壓力而發(fā)生變化，所以在測量流體體積的時候，需要同時測量流體密度與壓力，然后求出質(zhì)量流量。但是在質(zhì)量與壓力頻繁變動的情況下，很難獲得精確測量的結(jié)果。采用質(zhì)量流量計就無需進行這些繁瑣的換算，便捷的同時也提升了數(shù)據(jù)的精確性。該文在系統(tǒng)分析了質(zhì)量流量計概念以及原理的基礎(chǔ)上，針對中核建中核燃料元件有限公司在制備氫化鋰過程中，出現(xiàn)的氫氣總量與消耗量過高的問題進行了系統(tǒng)分析，并提出了調(diào)校方法。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量計 氫化鋰 耗氫量 測量

中圖分類號：TH814.6 文獻標識碼：A 文章編號：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氫氣，為了降低在供應(yīng)的過程中出現(xiàn)糾紛，同時也為了保證計量準確性，雙方?jīng)Q定使用同一種型號的劑量裝置。通過和廠家進行交流溝通，決定使用艾默生CMF200M質(zhì)量流量計，具體的型號是：分體式，變送器是2700，口徑是50。從這幾年的使用情況來看，比較成功。現(xiàn)在該公司已經(jīng)在化工生產(chǎn)中廣泛使用，主要用其測量制備氫化鋰時的耗氫量，有的時候也用來檢測液氨、苯胺以及環(huán)己酮等。

1 質(zhì)量流量計概述

質(zhì)量流量計分為直接式與間接式2種。這種流量計能夠直接測量質(zhì)量流量，具有較高的準確性，和各類參數(shù)沒有關(guān)聯(lián)，壓力的損失較小。質(zhì)量流量計當前依然在不斷完善，當前還有很多問題沒有得到解決，比如零點漂移、管材選擇、振動管形狀等。

人們試圖使用多種已有學(xué)科知識來檢測質(zhì)量，所以市場上出現(xiàn)了測量不同介質(zhì)、形式多樣的質(zhì)量流量計。固態(tài)、氣態(tài)與液態(tài)3種流量計都能夠直接用于流量的測量，可是固態(tài)流量計自從產(chǎn)生的那天開始，就只能用來測量質(zhì)量流量。傳統(tǒng)氣相、液相流量計，主要的功效是測量容積的流量，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量流量。現(xiàn)在的質(zhì)量流量計是直接測量的。所以，一般我們所說的直接質(zhì)量流量計主要是指氣相與液相的質(zhì)量流量計。當前，質(zhì)量流量計分成使用差壓原理、熱量原理以及動量變化原理3種類型的流量計。使用最廣泛的是科里奧利流量計。

2 科里奧利質(zhì)量流量計原理

科里奧利質(zhì)量流量計是采用流體在振動管當中流動的時候，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。

在質(zhì)量為m的質(zhì)點通過速度v在圍繞P軸進行角速度ω的管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動的時候，質(zhì)點具備相對應(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。因為符合運動，當質(zhì)點在αt方向作用的時候，科里奧利力Fc=2ωvm，管道對于質(zhì)點作用存在著一個反向的作用力-Fc=-2ωvm。

在密度是ρ的流體在管道當中以v做勻速運動的時候，任何一段長度是?x的管道當中所受到的切向科里奧利力是：

?Fc=2ωvρA?x

公式當中的A為管道內(nèi)部的流通內(nèi)截面積。因為質(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量出在管道當中的流體的科里奧利力，并借此測得質(zhì)量流量。

現(xiàn)在，科里奧利質(zhì)量流量計已經(jīng)出現(xiàn)了單管式的，也就是通過兩端固定在測量管上，在中點測量管的振動以及接近諧振的頻率所激勵，從而在管內(nèi)的流體會產(chǎn)生科里奧利力，使得測量管當中的點前后產(chǎn)生方向不同的撓曲，使用電磁學(xué)以及光學(xué)原理來檢測撓曲量，從而獲得質(zhì)量流量。這種流量計的誤差會維持在±（0.15～0.5）%R，重復(fù)性誤差會維持在基本誤差的1/4～2/3；測量的范圍度主要分布在（10∶1）～（50∶1）。

3 質(zhì)量流量計的影響因素

盡管從原理上來看，質(zhì)量流量計不會因為壓力、溫度以及振動而受到影響，可是在實際使用的過程中，溫度與壓力都會不同程度地造成傳感器出現(xiàn)剛性變形，進而影響到計量的準確性。

第一，操作溫度的影響。在溫度發(fā)生變化以后，質(zhì)量流量計的傳感器測量管剛性會產(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。每一臺質(zhì)量流量計內(nèi)部都安裝有Pt100，借此檢測測量管的溫度，主要目的就是要補償因為溫度的變化而對剛性所產(chǎn)生的影響。

第二，操作壓力的影響。和溫度相同，壓力對于測量管剛性也會產(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候，測量管會隨之變硬，從而產(chǎn)生負向偏差；在操作壓力降低的時候，測量管又會變軟，并且產(chǎn)生正向偏差。因為流量表所標定的壓力通常非常低，平均保持在0.1～0.3 MPa，在實際的生產(chǎn)當中可以忽略不計。

4 質(zhì)量流量計在化工測量氫氣中的應(yīng)用

（1）質(zhì)量流量計在化工測量氫氣中存在的問題。

工廠中當前安裝了2臺質(zhì)量流量計，分別記為流量表1與流量表2，用于保證氫氣供應(yīng)的準確劑量，流量表1用于測量氫氣的供應(yīng)總量，流量表2用于測量氫化鋰反應(yīng)過程中的耗氫量，除此之外，還安裝有一個帶有溫壓補償功能的渦街流量計總表。通過觀察流量計1與渦街流量計的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，2臺流量計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，表明在計量的過程中質(zhì)量流量計存在問題。

通過原因的查找，最后發(fā)現(xiàn)儀表本身不存在質(zhì)量問題，問題主要出在介質(zhì)上。質(zhì)量測量儀1因為是總表，它主要用于測量氫氣的供應(yīng)量，雖然從外面購買的氫氣號稱是純氫，可是體積百分數(shù)卻在99.6%上下波動，其余的部分都為氮氣。對于渦街流量計來說，因為氫氣的分子量相較于氮氣分子量要小得多，所以體積的百分數(shù)較高，但是對于其數(shù)值的影響較小。但是，這對于質(zhì)量測量計來說有很大的影響，因為在結(jié)算的時候都是采用純氫來實施的，并不是氫氣與氮氣的混合氣體的質(zhì)量流量，但是質(zhì)量流量計上所測量的數(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)量百分比對其進行換算。首先需要按照分析儀體積的百分數(shù)來計算出氫氣的百分比，所采用的公式如下：

質(zhì)量百分比=（H2標準密度×H2體積比）÷[H2標準密度×H2體積比+N2標準密度×（1-H2體積比）]

根據(jù)氫氣濃度為99.6%，計算出這個時候氫氣的質(zhì)量百分比是93.5%，為了對數(shù)值進行修正，此時需要在流量計讀數(shù)基礎(chǔ)上再乘以0.935，此時才是純氫質(zhì)量。

為此，我們向相關(guān)的部門申請了數(shù)據(jù)修正的建議，雙方最后一致同意按照這個公式對質(zhì)量流量計的測量數(shù)據(jù)進行修正，修正后的數(shù)據(jù)基本滿足氫化鋰制備過程中實際的生產(chǎn)消耗水平。

對于質(zhì)量流量計2我們也進行了相對應(yīng)的修正工作，通過采用混合氣體中氫氣99.6%的濃度計算出了氫氣標準密度是0.094 5 kg/m3，按照這個數(shù)據(jù)組態(tài)將其設(shè)置特殊的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)以后，標準體積的流量顯著降低，從以前的3 900 Nm3/h降到了3 600 Nm3/h，這與實際生產(chǎn)工況以及設(shè)計消耗的指標相吻合，可是在氫氣濃度產(chǎn)生波動的時候，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

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

參考文獻

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