丁烷流量計(jì)在測量極低溫液體時(shí)影響因素分析
點(diǎn)擊次數(shù)：2560 發(fā)布時(shí)間：2020-11-06 08:08:50
所謂工業(yè)上的極低溫流體，一般指在大氣壓下沸點(diǎn)為－50℃以下的流體。
代表性的極低溫流體有LNG(液化天然氣)、LN2(液氮)、LO2(液氧)、液化乙烯、液氫、液氯以及這些低溫氣體，L PG(液化石油氣)不包括在極低溫流體中。
在論述極低溫流體的流量測量方法時(shí)，特別要了解的是在工業(yè)過程中使用這些流體時(shí)，它與常溫或高溫相比有哪些不同?容易發(fā)生什么樣的問題?因此，*先列舉極低溫流體和過程的特征加以說明。
(1)容易引起狀態(tài)變化
構(gòu)成極低溫流體的物質(zhì)具有表1、表2所示的物理常數(shù)。這些流體通常以飽和狀態(tài)儲(chǔ)存在絕熱的儲(chǔ)存容器里。用泵升壓、送出，開始過程處理，并反復(fù)進(jìn)行加壓、減壓。在此過程中，飽和狀態(tài)的極低溫流體一會(huì)兒變?yōu)檫^冷狀態(tài)，一會(huì)兒變?yōu)榉序v狀態(tài)，狀態(tài)容易變化。因此，配管設(shè)計(jì)和流量計(jì)設(shè)計(jì)需要采取措施。
表1 低沸點(diǎn)物質(zhì)的物理常數(shù)
表2 液化天然氣成分物質(zhì)的物理常數(shù)
(2)有因濃縮而出現(xiàn)的物態(tài)變化
液化天然氣是由表2所示的物質(zhì)而組成的混合物。由于從外部向儲(chǔ)存容器或配管內(nèi)加熱，所以，先從甲烷開始蒸發(fā)，發(fā)生稱為濃縮的如圖1所示那樣的成分變化。液化天然氣的成分物質(zhì)甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液態(tài)密度如圖2所示。由于濃縮，液化天然氣的液態(tài)密度變大，所以，測量流量時(shí)，必須修正密度。
(3)對材料有限制
金屬材料在極低溫下的屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、延伸率、節(jié)流、沖擊試驗(yàn)值等機(jī)械性質(zhì)與常溫下有很大不同，在極低溫下，金屬材料的拉伸強(qiáng)度上升，但延展性降低，沖擊值也隨材料而顯著下降。因此，在極低溫下所使用的儀器的材料，應(yīng)是有充分抗破壞韌性的材料，使之不引起脆性破壞，這些材料就叫做低溫材料。但是，現(xiàn)在使用的*一般的材料有：不銹鋼、鋁合金、90％的鎳鋼、35％的鎳鋼(鎳鐵合金)。表3示出了低溫材料的機(jī)械性質(zhì)。圖3還示出了不銹鋼的恰貝遷移溫度曲線。
圖1液化天然氣的濃縮
圖2 液化天然氣成分的液態(tài)密度
圖3不銹鋼的恰貝遷移溫度遷移曲線
表3低溫材料的機(jī)械性質(zhì)
(4)要求考慮因冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力、間隙的變化后進(jìn)行設(shè)計(jì)。
低溫材料的物理性質(zhì)如表4所示。用這些材料設(shè)計(jì)測量儀器時(shí)，必須充分考慮冷縮的影響。
(5)需要預(yù)冷
如果使極低溫流體急劇地流入處于溫暖狀態(tài)的配管和儀器的局部，則不能控制從法蘭漏出極低溫流體，這樣，配管和儀器會(huì)產(chǎn)生異常應(yīng)力，有被破壞的危險(xiǎn)。因此，必須進(jìn)行預(yù)冷作業(yè)，冷卻到所定的溫度狀態(tài)然后開始使用。
(6)必須注意因高凝固點(diǎn)物質(zhì)的凝固而產(chǎn)生故障
開始使用前．如果不消除空氣、油分，那么，在極低溫下，固化的水分，油分，二氧化碳等會(huì)增大可動(dòng)部分的摩擦，使過濾器堵塞，發(fā)生效障。
表4低溫材料的物理性質(zhì)
(7)在氣液分界面引起對流
在氣液分界面內(nèi)產(chǎn)生的對流，會(huì)出現(xiàn)微弱的脈動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)生因煙霧而產(chǎn)生的故障。
流量測量儀器的種類
目前使用*多的極低溫流體的流量測量儀器有孔板、丁烷流量計(jì)、渦輪流量計(jì)三種。但是，各種流量計(jì)，根據(jù)其用途、測量范圍，也研制了很多不同的結(jié)構(gòu)。因此，希望選擇儀器時(shí)，一定要在充分掌握各種儀器的特征的基礎(chǔ)上考慮價(jià)格。維護(hù)性能、要求精度、過程中測量場所的特征。
極低溫流體以液體和氣體兩種狀態(tài)存在，但幾乎所有的問題都發(fā)生在流體的流量測量過程中。因此．這里主要說明極低溫液體的流量測量。
用孔板測量流體的方法是根據(jù)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等的標(biāo)準(zhǔn)確定的。由于其使用效果好，所以，極低溫流體在以上述標(biāo)準(zhǔn)定義的物性值的范圍內(nèi)，如果測量時(shí)沒有異常的物性值變化，就能進(jìn)行圓滿的測量。
實(shí)際上在極低溫流體的流量測量中，孔板應(yīng)用得*多，可靠性也高。但是，在進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)重要的事項(xiàng)需要注意，下面就加以敘述。
材料和結(jié)構(gòu)
1.材料采用SUS316L。焊接噴嘴使用低炭焊接棒是安全的。
2.極低溫流體在飽和狀態(tài)下流動(dòng)時(shí)，為把容易引起差壓的擺動(dòng)平滑化后進(jìn)行測量，希望取壓型式用角接取壓。
3.為了減少由于冷縮而引起的孔板漏濁，可將孔板和環(huán)室作成一體。
4.對于測量高壓配管或泵流用的孔板，難以用夾緊的辦法來控制安裝處的漏濁，有時(shí)甚至需要停止設(shè)備運(yùn)行。因此，要按照配管等級來提高孔板安裝位置的法蘭和螺絲的等級，這種方法比通常用的過盈量要大，以防漏泄。同時(shí)，要將熱傳導(dǎo)率好的金屬插入螺絲的空間，使配管的冷縮不產(chǎn)生時(shí)間差。根據(jù)情況，也有選擇螺絲的冷縮率比孔板大的。
5.在口徑較大的配管上安裝孔板時(shí)，用上述的薄片式的，有時(shí)不能控制漏泄。要使用帶有法蘭的孔板或焊接式孔扳。
2)孔板設(shè)計(jì)
丁烷流量計(jì)
特征
丁烷流量計(jì)用于極低溫流體的流量測量時(shí)，一般特征如下：
1.壓力損失比較小。即使是極低溫的流體，其蒸發(fā)量也少，可以高精度測量。
2.量程范圍大。
3.由于是檢測流速，所以，流量和輸出的關(guān)系為線性。
4.由于可以脈沖輸出，容易累積計(jì)算。
5.很容易安裝導(dǎo)壓管。
結(jié)構(gòu)和材料
為了減少熱收縮等原因產(chǎn)生的漏液的可能性，主體一般裝有法蘭盤，而不用螺紋接頭。
為了避免冷熱的影響，前置放大器部分采用加長管來安裝。但是，有時(shí)也可根據(jù)情況安裝散熱片。本體、三角柱、法蘭盤需使用低溫材料SUS316。
流量測量范圍
通常希望流量計(jì)的口徑與普通配管直徑一致。但是，往往是根據(jù)將來的計(jì)劃來設(shè)計(jì)配管。當(dāng)配管直徑很大或使用量增加之后，會(huì)出現(xiàn)測量精度變差、甚至不能測量的情況。在這種情況下，必須按測量范圍選用丁烷流量計(jì)以及前后安裝的整流器以使口徑一致。一般地說，可按照下面幾點(diǎn)來選定。
1.*小流量的極限是這樣選取的：當(dāng)流量低于這個(gè)極限時(shí)，流量信號變?nèi)酢０蠢字Z數(shù)劃分的話，雷諾數(shù)大約是2000。
2.*大流量。換算為流速的話，取6米／秒。取該值的原因是一方面在流量計(jì)的檢測部分壓力損失增加，流體在該處急劇蒸發(fā)，另一方面它是渦街流量測量的極限值。
結(jié)構(gòu)和材料
渦輪流量計(jì)中裝有轉(zhuǎn)子和軸承等以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的可動(dòng)部分、摩擦部分。因此，應(yīng)充分了解其結(jié)構(gòu)和處理方法，否則，使用時(shí)就不會(huì)發(fā)揮其特性。
一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低溫材料。如能進(jìn)行奧氏體化處理，SUS304也可使用。
軸承是渦輪流量計(jì)的*重要部分，達(dá)部分決定其特性、耐久性。如果被測流體是沒有潤滑性的液體，在選澤軸承時(shí)，要十分注意。通過實(shí)驗(yàn)證明，測量液化天然氣用的渦輪流量計(jì)可以使用AISI 440C不銹鋼的滾珠軸承。
流量范圍
用渦輪流量計(jì)測量極低溫流體時(shí)，*容易發(fā)生的故障是因儀表的壓力損失而引起的急劇蒸發(fā)。儀表中形成急劇蒸發(fā)后，轉(zhuǎn)子將以比通常轉(zhuǎn)速快數(shù)十倍的速度旋轉(zhuǎn)。這樣軸承會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)就被徹底磨壞。防止蒸發(fā)的*好方法是適當(dāng)加大儀表的尺寸。渦輪流量計(jì)的壓力損失與流量的平方成正比，如能將被測*大流量限制在儀表容量的1／2時(shí)，壓力損失可下降到額定的1／4。
一股地說，在間斷使用時(shí)，如將被測*大流量控制在儀表容量的70％以下，基本上不會(huì)產(chǎn)生因儀表本身的壓力損失而出現(xiàn)的故障。連續(xù)使用時(shí)，要將常用流量限制在儀表容量的50％以下。這就需要將軸承的檢查周期取為一年以上。
粘度的影響
當(dāng)流體是紊流時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不受粘度和密度的影響。但是，當(dāng)是層流時(shí)，就要受影響。因此，在流量小的地方，可測量的流體的密度和流量之間存在一定的極限。液化天然氣等極低溫流體和汽油相比，粘度小一個(gè)數(shù)量級。因此，就可以用汽油檢定，保證得到量程以上的值。
代表性的極低溫流體有LNG(液化天然氣)、LN2(液氮)、LO2(液氧)、液化乙烯、液氫、液氯以及這些低溫氣體，L PG(液化石油氣)不包括在極低溫流體中。
在論述極低溫流體的流量測量方法時(shí)，特別要了解的是在工業(yè)過程中使用這些流體時(shí)，它與常溫或高溫相比有哪些不同?容易發(fā)生什么樣的問題?因此，*先列舉極低溫流體和過程的特征加以說明。
(1)容易引起狀態(tài)變化
構(gòu)成極低溫流體的物質(zhì)具有表1、表2所示的物理常數(shù)。這些流體通常以飽和狀態(tài)儲(chǔ)存在絕熱的儲(chǔ)存容器里。用泵升壓、送出，開始過程處理，并反復(fù)進(jìn)行加壓、減壓。在此過程中，飽和狀態(tài)的極低溫流體一會(huì)兒變?yōu)檫^冷狀態(tài)，一會(huì)兒變?yōu)榉序v狀態(tài)，狀態(tài)容易變化。因此，配管設(shè)計(jì)和流量計(jì)設(shè)計(jì)需要采取措施。
表1 低沸點(diǎn)物質(zhì)的物理常數(shù)
表2 液化天然氣成分物質(zhì)的物理常數(shù)
(2)有因濃縮而出現(xiàn)的物態(tài)變化
液化天然氣是由表2所示的物質(zhì)而組成的混合物。由于從外部向儲(chǔ)存容器或配管內(nèi)加熱，所以，先從甲烷開始蒸發(fā)，發(fā)生稱為濃縮的如圖1所示那樣的成分變化。液化天然氣的成分物質(zhì)甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液態(tài)密度如圖2所示。由于濃縮，液化天然氣的液態(tài)密度變大，所以，測量流量時(shí)，必須修正密度。
(3)對材料有限制
金屬材料在極低溫下的屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、延伸率、節(jié)流、沖擊試驗(yàn)值等機(jī)械性質(zhì)與常溫下有很大不同，在極低溫下，金屬材料的拉伸強(qiáng)度上升，但延展性降低，沖擊值也隨材料而顯著下降。因此，在極低溫下所使用的儀器的材料，應(yīng)是有充分抗破壞韌性的材料，使之不引起脆性破壞，這些材料就叫做低溫材料。但是，現(xiàn)在使用的*一般的材料有：不銹鋼、鋁合金、90％的鎳鋼、35％的鎳鋼(鎳鐵合金)。表3示出了低溫材料的機(jī)械性質(zhì)。圖3還示出了不銹鋼的恰貝遷移溫度曲線。
圖1液化天然氣的濃縮
圖2 液化天然氣成分的液態(tài)密度
圖3不銹鋼的恰貝遷移溫度遷移曲線
表3低溫材料的機(jī)械性質(zhì)
(4)要求考慮因冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力、間隙的變化后進(jìn)行設(shè)計(jì)。
低溫材料的物理性質(zhì)如表4所示。用這些材料設(shè)計(jì)測量儀器時(shí)，必須充分考慮冷縮的影響。
(5)需要預(yù)冷
如果使極低溫流體急劇地流入處于溫暖狀態(tài)的配管和儀器的局部，則不能控制從法蘭漏出極低溫流體，這樣，配管和儀器會(huì)產(chǎn)生異常應(yīng)力，有被破壞的危險(xiǎn)。因此，必須進(jìn)行預(yù)冷作業(yè)，冷卻到所定的溫度狀態(tài)然后開始使用。
(6)必須注意因高凝固點(diǎn)物質(zhì)的凝固而產(chǎn)生故障
開始使用前．如果不消除空氣、油分，那么，在極低溫下，固化的水分，油分，二氧化碳等會(huì)增大可動(dòng)部分的摩擦，使過濾器堵塞，發(fā)生效障。
表4低溫材料的物理性質(zhì)
(7)在氣液分界面引起對流
在氣液分界面內(nèi)產(chǎn)生的對流，會(huì)出現(xiàn)微弱的脈動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)生因煙霧而產(chǎn)生的故障。
流量測量儀器的種類
目前使用*多的極低溫流體的流量測量儀器有孔板、丁烷流量計(jì)、渦輪流量計(jì)三種。但是，各種流量計(jì)，根據(jù)其用途、測量范圍，也研制了很多不同的結(jié)構(gòu)。因此，希望選擇儀器時(shí)，一定要在充分掌握各種儀器的特征的基礎(chǔ)上考慮價(jià)格。維護(hù)性能、要求精度、過程中測量場所的特征。
極低溫流體以液體和氣體兩種狀態(tài)存在，但幾乎所有的問題都發(fā)生在流體的流量測量過程中。因此．這里主要說明極低溫液體的流量測量。
用孔板測量流體的方法是根據(jù)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等的標(biāo)準(zhǔn)確定的。由于其使用效果好，所以，極低溫流體在以上述標(biāo)準(zhǔn)定義的物性值的范圍內(nèi)，如果測量時(shí)沒有異常的物性值變化，就能進(jìn)行圓滿的測量。
實(shí)際上在極低溫流體的流量測量中，孔板應(yīng)用得*多，可靠性也高。但是，在進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)重要的事項(xiàng)需要注意，下面就加以敘述。
材料和結(jié)構(gòu)
1.材料采用SUS316L。焊接噴嘴使用低炭焊接棒是安全的。
2.極低溫流體在飽和狀態(tài)下流動(dòng)時(shí)，為把容易引起差壓的擺動(dòng)平滑化后進(jìn)行測量，希望取壓型式用角接取壓。
3.為了減少由于冷縮而引起的孔板漏濁，可將孔板和環(huán)室作成一體。
4.對于測量高壓配管或泵流用的孔板，難以用夾緊的辦法來控制安裝處的漏濁，有時(shí)甚至需要停止設(shè)備運(yùn)行。因此，要按照配管等級來提高孔板安裝位置的法蘭和螺絲的等級，這種方法比通常用的過盈量要大，以防漏泄。同時(shí)，要將熱傳導(dǎo)率好的金屬插入螺絲的空間，使配管的冷縮不產(chǎn)生時(shí)間差。根據(jù)情況，也有選擇螺絲的冷縮率比孔板大的。
5.在口徑較大的配管上安裝孔板時(shí)，用上述的薄片式的，有時(shí)不能控制漏泄。要使用帶有法蘭的孔板或焊接式孔扳。
2)孔板設(shè)計(jì)
丁烷流量計(jì)
特征
丁烷流量計(jì)用于極低溫流體的流量測量時(shí)，一般特征如下：
1.壓力損失比較小。即使是極低溫的流體，其蒸發(fā)量也少，可以高精度測量。
2.量程范圍大。
3.由于是檢測流速，所以，流量和輸出的關(guān)系為線性。
4.由于可以脈沖輸出，容易累積計(jì)算。
5.很容易安裝導(dǎo)壓管。
結(jié)構(gòu)和材料
為了減少熱收縮等原因產(chǎn)生的漏液的可能性，主體一般裝有法蘭盤，而不用螺紋接頭。
為了避免冷熱的影響，前置放大器部分采用加長管來安裝。但是，有時(shí)也可根據(jù)情況安裝散熱片。本體、三角柱、法蘭盤需使用低溫材料SUS316。
流量測量范圍
通常希望流量計(jì)的口徑與普通配管直徑一致。但是，往往是根據(jù)將來的計(jì)劃來設(shè)計(jì)配管。當(dāng)配管直徑很大或使用量增加之后，會(huì)出現(xiàn)測量精度變差、甚至不能測量的情況。在這種情況下，必須按測量范圍選用丁烷流量計(jì)以及前后安裝的整流器以使口徑一致。一般地說，可按照下面幾點(diǎn)來選定。
1.*小流量的極限是這樣選取的：當(dāng)流量低于這個(gè)極限時(shí)，流量信號變?nèi)酢０蠢字Z數(shù)劃分的話，雷諾數(shù)大約是2000。
2.*大流量。換算為流速的話，取6米／秒。取該值的原因是一方面在流量計(jì)的檢測部分壓力損失增加，流體在該處急劇蒸發(fā)，另一方面它是渦街流量測量的極限值。
結(jié)構(gòu)和材料
渦輪流量計(jì)中裝有轉(zhuǎn)子和軸承等以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的可動(dòng)部分、摩擦部分。因此，應(yīng)充分了解其結(jié)構(gòu)和處理方法，否則，使用時(shí)就不會(huì)發(fā)揮其特性。
一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低溫材料。如能進(jìn)行奧氏體化處理，SUS304也可使用。
軸承是渦輪流量計(jì)的*重要部分，達(dá)部分決定其特性、耐久性。如果被測流體是沒有潤滑性的液體，在選澤軸承時(shí)，要十分注意。通過實(shí)驗(yàn)證明，測量液化天然氣用的渦輪流量計(jì)可以使用AISI 440C不銹鋼的滾珠軸承。
流量范圍
用渦輪流量計(jì)測量極低溫流體時(shí)，*容易發(fā)生的故障是因儀表的壓力損失而引起的急劇蒸發(fā)。儀表中形成急劇蒸發(fā)后，轉(zhuǎn)子將以比通常轉(zhuǎn)速快數(shù)十倍的速度旋轉(zhuǎn)。這樣軸承會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)就被徹底磨壞。防止蒸發(fā)的*好方法是適當(dāng)加大儀表的尺寸。渦輪流量計(jì)的壓力損失與流量的平方成正比，如能將被測*大流量限制在儀表容量的1／2時(shí)，壓力損失可下降到額定的1／4。
一股地說，在間斷使用時(shí)，如將被測*大流量控制在儀表容量的70％以下，基本上不會(huì)產(chǎn)生因儀表本身的壓力損失而出現(xiàn)的故障。連續(xù)使用時(shí)，要將常用流量限制在儀表容量的50％以下。這就需要將軸承的檢查周期取為一年以上。
粘度的影響
當(dāng)流體是紊流時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不受粘度和密度的影響。但是，當(dāng)是層流時(shí)，就要受影響。因此，在流量小的地方，可測量的流體的密度和流量之間存在一定的極限。液化天然氣等極低溫流體和汽油相比，粘度小一個(gè)數(shù)量級。因此，就可以用汽油檢定，保證得到量程以上的值。