涡街流量计等流量仪表在测量极低温液体时影响因素分析

所谓工业上的极低温流体，一般指在大气压下沸点为－50℃以下的流体。
代表性的极低温流体有LNG(液化天然气)、LN2(液氮)、LO2(液氧)、液化乙烯、液氢、液氯以及这些低温气体，L PG(液化石油气)不包括在极低温流体中。
在论述极低温流体的流量测量方法时，特别要了解的是在工业过程中使用这些流体时，它与常温或高温相比有哪些不同?容易发生什么样的问题?因此，*先列举极低温流体和过程的特征加以说明。

(1)   容易引起状态变化

  

构成极低温流体的物质具有表1、表2所示的物理常数。这些流体通常以饱和状态储存在绝热的储存容器里。用泵升压、送出，开始过程处理，并反复进行加压、减压。在此过程中，饱和状态的极低温流体一会儿变为过冷状态，一会儿变为沸腾状态，状态容易变化。因此，配管设计和流量计设计需要采取措施。

表1 低沸点物质的物理常数

表2 液化天然气成分物质的物理常数

(2)有因浓缩而出现的物态变化

液化天然气是由表2所示的物质而组成的混合物。由于从外部向储存容器或配管内加热，所以，先从甲烷开始蒸发，发生称为浓缩的如图1所示那样的成分变化。液化天然气的成分物质甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液态密度如图2所示。由于浓缩，液化天然气的液态密度变大，所以，测量流量时，必须修正密度。

(3)对材料有限制

金属材料在极低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率、节流、冲击试验值等机械性质与常温下有很大不同，在极低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，冲击值也随材料而显著下降。因此，在极低温下所使用的仪器的材料，应是有充分抗破坏韧性的材料，使之不引起脆性破坏，这些材料就叫做低温材料。但是，现在使用的一般的材料有：不锈钢、铝合金、90％的镍钢、35％的镍钢(镍铁合金)。表3示出了低温材料的机械性质。图3还示出了不锈钢的恰贝迁移温度曲线。

图1液化天然气的浓缩

图2 液化天然气成分的液态密度

图3不锈钢的恰贝迁移温度迁移曲线

表3低温材料的机械性质

(4)要求考虑因冷缩而产生的应力、间隙的变化后进行设计。

低温材料的物理性质如表4所示。用这些材料设计测量仪器时，必须充分考虑冷缩的影响。

(5)需要预冷

如果使极低温流体急剧地流入处于温暖状态的配管和仪器的局部，则不能控制从法兰漏出极低温流体，这样，配管和仪器会产生异常应力，有被破坏的危险。因此，必须进行预冷作业，冷却到所定的温度状态然后开始使用。

(6)必须注意因高凝固点物质的凝固而产生故障

开始使用前．如果不消除空气、油分，那么，在极低温下，固化的水分，油分，二氧化碳等会增大可动部分的摩擦，使过滤器堵塞，发生效障。

表4低温材料的物理性质

(7)在气液分界面引起对流

在气液分界面内产生的对流，会出现微弱的脉动现象，发生因烟雾而产生的故障。

流量测量仪器的种类

目前使用多的极低温流体的流量测量仪器有孔板、涡街流量计、涡轮流量计三种。但是，各种流量计，根据其用途、测量范围，也研制了很多不同的结构。因此，希望选择仪器时，一定要在充分掌握各种仪器的特征的基础上考虑价格。维护性能、要求精度、过程中测量场所的特征。

极低温流体以液体和气体两种状态存在，但几乎所有的问题都发生在流体的流量测量过程中。因此．这里主要说明极低温液体的流量测量。

孔板

用孔板测量流体的方法是根据德国工业标准、美国机械工程师学会、日本工业标准等的标准确定的。由于其使用效果好，所以，极低温流体在以上述标准定义的物性值的范围内，如果测量时没有异常的物性值变化，就能进行圆满的测量。

实际上在极低温流体的流量测量中，孔板应用得多，可靠性也高。但是，在进行仪表设计时有几个重要的事项需要注意，下面就加以叙述。

材料和结构

1.      材料采用SUS316L。焊接喷嘴使用低炭焊接棒是安全的。

2.      极低温流体在饱和状态下流动时，为把容易引起差压的摆动平滑化后进行测量，希望取压型式用角接取压。

3.      为了减少由于冷缩而引起的孔板漏浊，可将孔板和环室作成一体。

4.      对于测量高压配管或泵流用的孔板，难以用夹紧的办法来控制安装处的漏浊，有时甚至需要停止设备运行。因此，要按照配管等级来提高孔板安装位置的法兰和螺丝的等级，这种方法比通常用的过盈量要大，以防漏泄。同时，要将热传导率好的金属插入螺丝的空间，使配管的冷缩不产生时间差。根据情况，也有选择螺丝的冷缩率比孔板大的。

5.      在口径较大的配管上安装孔板时，用上述的薄片式的，有时不能控制漏泄。要使用带有法兰的孔板或焊接式孔扳。

2)孔板设计

涡街流量计

特征

涡街流量计用于极低温流体的流量测量时，一般特征如下：

1.      压力损失比较小。即使是极低温的流体，其蒸发量也少，可以高精度测量。

2.      量程范围大。

3.      由于是检测流速，所以，流量和输出的关系为线性。

4.      由于可以脉冲输出，容易累积计算。

5.      很容易安装导压管。

结构和材料

为了减少热收缩等原因产生的漏液的可能性，主体一般装有法兰盘，而不用螺纹接头。

为了避免冷热的影响，前置放大器部分采用加长管来安装。但是，有时也可根据情况安装散热片。本体、三角柱、法兰盘需使用低温材料SUS316。
 

流量测量范围

通常希望流量计的口径与普通配管直径一致。但是，往往是根据将来的计划来设计配管。当配管直径很大或使用量增加之后，会出现测量精度变差、甚至不能测量的情况。在这种情况下，必须按测量范围选用涡街流量计以及前后安装的整流器以使口径一致。一般地说，可按照下面几点来选定。

1.      小流量的极限是这样选取的：当流量低于这个极限时，流量信号变弱。按雷诺数划分的话，雷诺数大约是2000。

2.      大流量。换算为流速的话，取6米／秒。取该值的原因是一方面在流量计的检测部分压力损失增加，流体在该处急剧蒸发，另一方面它是涡街流量测量的极限值。

结构和材料

涡轮流量计中装有转子和轴承等以高速转动的可动部分、摩擦部分。因此，应充分了解其结构和处理方法，否则，使用时就不会发挥其特性。

一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低温材料。如能进行奥氏体化处理，SUS304也可使用。

轴承是涡轮流量计的重要部分，达部分决定其特性、耐久性。如果被测流体是没有润滑性的液体，在选泽轴承时，要十分注意。通过实验证明，测量液化天然气用的涡轮流量计可以使用AISI 440C不锈钢的滚珠轴承。

流量范围

用涡轮流量计测量极低温流体时，容易发生的故障是因仪表的压力损失而引起的急剧蒸发。仪表中形成急剧蒸发后，转子将以比通常转速快数十倍的速度旋转。这样轴承会在很短的时间内就被彻底磨坏。防止蒸发的好方法是适当加大仪表的尺寸。涡轮流量计的压力损失与流量的平方成正比，如能将被测大流量限制在仪表容量的1／2时，压力损失可下降到额定的1／4。

一股地说，在间断使用时，如将被测大流量控制在仪表容量的70％以下，基本上不会产生因仪表本身的压力损失而出现的故障。连续使用时，要将常用流量限制在仪表容量的50％以下。这就需要将轴承的检查周期取为一年以上。

粘度的影响

当流体是紊流时，转子的转速不受粘度和密度的影响。但是，当是层流时，就要受影响。因此，在流量小的地方，可测量的流体的密度和流量之间存在一定的极限。液化天然气等极低温流体和汽油相比，粘度小一个数量级。因此，就可以用汽油检定，保证得到量程以上的值。