摘要：随着空分设备自动化程度的不断提高和变负荷运行的需求不断增大，作为体现空分设备运行负荷的重要参数———低温液体流量测量的准确性显得越来越重要。提高仪表检测精度，减少测量误差，流量计的正确选型和使用是关键。比较分析空分设备低温液体流量计的测量原理，结合具体的使用案例，阐述低温液体流量计的选用原则，以及设计和安装过程中需考虑的具体因素。

 

前言

目前，国内空分设备生产厂家不仅在空分设备的生产能力上直追世界先进水平，而且在先进性上的差距也越来越小，也认识到了空分设备节能降耗的重要性。衡量一套空分设备是否先进，其单位能耗是一个重要指标。实现空分设备的先进指标，除采取先进的工艺流程外，先进的控制策略，如变负荷控制就是一个重要的手段。

 

众所周知，空分设备制氧是一种连续的、不间断的生产工艺，而后续用氧量却处于波动状态，自动变负荷控制功能可实现空分设备能够根据用户后续用氧量的变化，自动调节生产能力，达到优化操作、节能降耗的目的。

 

空分设备实现自动变负荷运行时，工艺参数的变化直接制约着整个变负荷生产调节过程。空气进塔流量以及产品氧、液氧、液氮流量等参数的准确指示就显得尤为重要。通过这些相关测量点的监控，能更准确地反映变负荷过程中各工艺参数之间的内在关系，从而为快速变负荷奠定基础。

 

空气、氧气、氮气以及氩在低温条件下可以呈现出液体状态，但由于压力、温度的变化，这些液体可由液态转变成气态；而由气体转变为液态，则必须要有特定的条件。那么在测量低温液体流量时，当流体流经检测元件时由于阻力及节流件的作用，液体很容易发生相变。而对于任何流量测量仪表而言，当被测介质有气液两相并存时，就会影响测量的准确性。

 

空分设备变负荷运行时，测量的液体流量要求较高，测量不准，就不能及时反映工况流量的变化，将会影响变负荷内在参数的数学模型的探索和建立。

 

1 常用低温液体流量测量仪表及测量原理比较

过去国产空分设备较少对低温液体流量进行测量，但由于经济的发展及空分设备变负荷控制技术的开发应用以及液体产品的贸易结算要求等因素，对低温液体流量的测量要求日益显现，如何选好并用好低温液体流量测量仪表，对空分设备的经济运行有重要意义。

 

空分设备低温液体流量的测量从原理上来分，有差压式流量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计等。但由于低温液体特性及各方面外在因素的影响，流量计在测量过程中或多或少会存在着一些问题，需要引起重视。差压式流量计的性能比较见表1。

表1 差压式流量计比较

 

*A+K平衡流量计是美国马歇尔航空飞行中心（NASAMarshallSpaceFlightCenter）针对航天飞机的主发动机液氧测量而设计发明的一种新型差压式流量传感器。采用使流体流过经平衡优化计算而分布的多孔节流件后达到平衡节流，故也称为平衡流量计（BFM，Balanced Flow Meter） 。其特点是当流体穿过圆盘的函数孔时，流体将被平衡调整，涡流被最小化。

 

空分设备常用低温液体流量计测量原理：

（1）差压式流量计：当充满管道的流体流经管道内的节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩。此时流速增大，静压降低，在节流件前后产生差压，流量愈大，差压愈大，因此可根据差压来衡量流量的大小。这种测量方式以连续流动性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础。

 

（2）涡街流量计：涡街流量计（VortexFlowMeter）是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计，即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体（涡街流量传感器，称之为旋涡发生体），就会在其下游两侧产生两列有规律的旋涡，即卡门旋涡，其旋涡的频率正比于流过液体的速度。涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。

 

（3）科里奥利质量流量计：利用科里奥利效应测量通过元件移动的质量数量，其实质是测量流量通过U形管而在垂直于流动方向上引起的振动，流体通过U形管时伴随有引起旋流的振动，旋流角度越大，流量越大，产生与质量成正比的科里奥利原理。是一种直接式质量流量计。

 

2 案例分析及使用说明

2.1 案例分析

在实际测量低温液体流量时，使用过文丘里管、A +K平衡流量计和涡街流量计等测量仪表，从现场使用情况来看，结果都不是很稳定，下面用几个案例加以说明。

 

案例一：在某空分设备中采用文丘里管来测量低温液体流量，工艺要求安装方式为垂直，且流体方向为自上而下。而在实际使用时，流量计却没有指示，在现场条件许可前提下，对管路方向进行了整改，文丘里管的安装方向也由垂直改为水平，流量计正常工作。

 

案例二：在另一套空分设备中选用A+K平衡式流量计来测量低温液体流量，水平安装，引压管却采用了向下走向，实际测量时流量波动较大。在对变送器增加阻尼后，情况稍有好转。

 

从以上的使用情况可以看出，低温液体不但由于其特殊性，当流经节流装置时，由于节流作用，处于临界点的液体会发生相变作用，有部分液体会产生汽化；而且对低温液体流量计的安装要求也特别高，稍有不慎，就将严重影响测量的结果。在案例二中，如果引压管改为向上走向，情况就会有所改观。

 

2.2 使用说明

在选用检测仪表来测量低温液体流量时，不但要充分考虑流体的特性、安装条件如管道的布置方向、流体走向、直管段长度等必要的条件外，对于节流件的结构及加工工艺也要进行深一步的考虑，除此以外还要考虑液体的过冷度及低温冷箱这一特定的条件。

 

低温液体的生产是在冷箱内这一特定环境下完成的，冷箱内环境温度一般在－40℃以下，容器和管道内介质的保温是依靠冷箱内填充珠光砂材料来实现，冷箱相当于一个密闭容器，冷箱内仪表的选用除按常规条件进行选型外，还要考虑测量元件安装时与管道容器之间的密封性和仪表元件的耐低温条件。

 

2.2.1 差压式流量计

在利用差压式原理进行低温液体流量测量时，检测元件首先要考虑选用整体式，与工艺管道之间必须采用焊接式的连接方式，以防泄漏。仪表引压管安装时在保证管内介质全部均匀汽化的前提下要尽量短，并采用斜向上走向，从取压点到冷箱壁的坡度可以考虑在1∶10的范围以上，引至冷箱壁后可采用先垂直向上后水平再垂直向下的交叉走向，引至冷箱壁根部阀，总之要确保引压管内液体充分汽化； 同时F+、F－取压仪表管（如图1所示）间必须绝对地平行排列，根部阀位置也不能低于水平线下，只有这样才能有效减小测量误差，保证测量精度。

图1 低温液体流量取压点示意图

 

2.2.2 涡街流量计

利用涡街流量计在测量低温液体流量时，首先要考虑采用分体结构，同时要考虑到仪表本身的局限性。罗斯蒙特8800D智能涡街流量计是空分设备常用的一种测量低温液体流量的仪表，设计流量计安装位置时应使流量计保持满管，无集气、集液现象，在上游和下游保留足够的直管段以保证直行和对称流形的同步，连接形式上同样要采用焊接式的连接方式，当垂直安装时液体流向必须自下向上。其次，由于采用了分体结构，测量元件与电子部件之间通过同轴电缆相连，而同轴电缆的长度最长只有5英寸，所以在考虑它的安装位置时，既要考虑前10D后5D的最小直管段长度，又要考虑电缆长度的局限，更要考虑冷箱的保温和密封以及工艺管道的过冷。

 

2.2.3 科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计是一种直接式质量流量计，具有许多其他流量计无可比拟的优点。

（1）实现了真正的、高精度的直接质量流量测量。精度一般可达0.11%0.12%，重复性优于0.11%。

 

（2）可测量多个参数，在测量质量流量的同时，获取密度、温度、体积流量等参数。

 

（3）流体的介质密度、黏度、温度、压力、导电率和流速分布等特性对测量结果影响较小。安装时无直管段要求。

 

科里奥利质量流量计比较适宜空分设备冷箱外用于贸易结算的低温液体流量的测量。

 

当然如果科里奥利质量流量计在使用过程中，当流体中气泡含量超过某一界限时同样会明显影响测量结果； 另外其价格太高。用于低温液体流量的测量，科里奥利质量流量计在使用过程中同样有保温的问题，在此要考虑设置保温冷箱。另外利用科里奥利质量流量计测量液氧流量时，在安装时还要考虑有个倾斜角度的问题，以最大限度避免液氧中碳氢化合物的积聚，保证设备安全使用。

 

2.3 设计和安装的基本原则

要确保低温液体流量测量的准确性，设计和安装时必须遵循下列基本原则。

（1）充分考虑被测介质特性；

 

（2）安装位置的合理性；

 

（3）借鉴成熟的新工艺、新技术；

 

（4）强化现场施工规范和质量管理。

 

只有做到了选型正确、安装到位，才能保证正确测量低温液体的流量。

 

3 结束语

无论差压式流量计、涡街流量计还是科里奥利质量流量计都能正确测量低温液体流量，但要使仪表的性能达到极致、性价比最高，除仪表本身的特性外，还要考虑被测流体特性、安装条件和环境等方面的因素，而且更要提高现场安装施工质量的科学管理，强化施工质量。只有这样才能确保选用的每一个仪表的测量精度最高，也只有这样才能保证空分设备运行在最佳工况，真正做到节能降耗。