雷光富,江泳，諸葛國

(1.浙江巨化檢安石化工程有限公司，浙江 衢州 324004；2.浙江巨化股份有限公司電化廠，浙江 衢州 324004)

氯與烯烴類物質(zhì)反應(yīng)的產(chǎn)物(以下稱氯反應(yīng)物)是一類重要化學(xué)品中間體，也是生產(chǎn)氯氟烴替代品的主要原料。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，氯反應(yīng)物在醫(yī)藥、化工、染料等領(lǐng)域?qū)加性絹碓街匾牡匚?。在生產(chǎn)過程中氯反應(yīng)物流量參數(shù)是生產(chǎn)工序中一項(xiàng)重要的測控?cái)?shù)據(jù)，然而由于氯反應(yīng)物的強(qiáng)腐蝕性、低電導(dǎo)率、易堵塞管道及工藝上的低流量等特點(diǎn)，使得氯反應(yīng)物流量測控多年來一直存在諸多問題。儀表技術(shù)人員曾嘗試過使用多種流量測量儀表，也為此付出了大量的人力和財(cái)力，但都因出現(xiàn)的種種問題不能滿足生產(chǎn)上的需要而以失敗告終，因此氯反應(yīng)物流量測控問題一直都沒有得到根本性解決。

1 氯反應(yīng)物流量測控失敗的原因

1.1 電磁流量計(jì)

由于電磁流量計(jì)對被測液體有技術(shù)要求，即被測液體的電導(dǎo)率不能低于電磁流量計(jì)規(guī)定的閾值，否則不能正常進(jìn)行測量。通用型電磁流量計(jì)對被測液體電導(dǎo)率規(guī)定的閾值根據(jù)不同的型號而異，一般在5×10-6～10-4S/cm之間；使用時還取決于傳感器間流量信號線長度及其分布。而非接觸電容耦合大面積電極的電磁流量計(jì)則可測電導(dǎo)率低至(1～5)×10-8S/cm?？紤]到氯反應(yīng)物屬于低電導(dǎo)率液體，浙江巨化股份有限公司電化廠(以下簡稱“巨化電化廠”)選用的是電容式電磁流量計(jì)，但是在實(shí)際使用中還是不能正常工作，示值經(jīng)常大幅跳動或流量時有時無。經(jīng)檢查，流量計(jì)的安裝符合要求，液體等電位接地良好，電纜絕緣等都不存在問題。由于查不到氯反應(yīng)物的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，分析主要還是氯反應(yīng)物電導(dǎo)率低于或接近于規(guī)定的閾值導(dǎo)致上述問題。盡管電磁流量計(jì)傳感器內(nèi)無可動部件，也是測量導(dǎo)電流體較好的流量儀表，但是用于測量氯反應(yīng)物這種電導(dǎo)率很低或處于臨界狀態(tài)的流體流量還是不太適合[1]。

1.2 遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì)，盡管其測量精度較低，但是它適用于低雷諾數(shù)和小流量測量，某種形狀的浮子甚至對流體的最小雷諾數(shù)要求達(dá)到40，這兩個技術(shù)特性比較適合氯反應(yīng)物流體的特點(diǎn)?？紤]到介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性，巨化電化廠曾選用襯聚四氟乙烯的遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)測量氯反應(yīng)物流量，但是由于氯反應(yīng)物是含有多種成分的易堵塞流體，而浮子流量計(jì)要求被測流體應(yīng)為清潔的流體，所以在使用過程中還是發(fā)生了浮子在錐形管腔體被卡堵等問題。盡管將流量計(jì)拆下清理重新組裝后仍可使用，但是使用不久又會被堵塞。而且在線拆卸清理還需要在工藝管道設(shè)置旁路管線及閥門等，這些不僅受到現(xiàn)場空間及成本上的限制，還存在著對生產(chǎn)的影響和操作上的不方便等問題。由于浮子流量計(jì)傳感器內(nèi)有可動部件，在測量含有易堵塞流體時容易發(fā)生堵塞，因此采用浮子流量計(jì)還是不能滿足連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)測量的需要。

1.3 質(zhì)量流量計(jì)

依據(jù)科里奧利原理的質(zhì)量流量計(jì)是一種具有精度高、量程比寬、無直管段要求、無需補(bǔ)償?shù)闹苯邮劫|(zhì)量流量計(jì)，盡管其價格昂貴，但是為了能找到一種適合測量氯反應(yīng)物流量的儀表，巨化電化廠也曾選用了質(zhì)量流量計(jì)來進(jìn)行測量試驗(yàn)。為了防止介質(zhì)對流量計(jì)的腐蝕，供應(yīng)商提供了內(nèi)襯PFA的質(zhì)量流量計(jì)，但在使用過程中還是出現(xiàn)了問題。內(nèi)襯PFA雖在防止介質(zhì)腐蝕方面起到了一定作用，但是由于傳感器口徑較小，且液體流量測控需要傳感器朝下安裝，因生產(chǎn)中氯反應(yīng)物流體有時處于間斷流動狀態(tài)，這就導(dǎo)致了在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了傳感器流通管內(nèi)沉積結(jié)垢而局部堵塞和示值誤差問題，在選用測量氯反應(yīng)物流量時最終還是被淘汰了。

1.4 差壓式流量計(jì)[2]

差壓類流量計(jì)是流量計(jì)范疇內(nèi)品種最多的流量儀表，巨化電化廠曾使用過V錐流量計(jì)、阿牛巴流量計(jì)等。由于差壓類儀表屬于受限于雷諾數(shù)的儀表，必須要先看是否滿足儀表的技術(shù)特性要求。以DN50管徑的氯反應(yīng)物最大流量8 m3/h、最小流量0.5～1 m3/h來分析是否滿足儀表的要求。根據(jù)上述最小流量0.5～1 m3/h時，計(jì)算得到對應(yīng)的雷諾數(shù)為4 000～6 800(黏度μ=1.5 mPa·s)，盡管V錐流量計(jì)是下限要求較低的儀表，其下限雷諾數(shù)也要達(dá)到≥8 000才能正常工作，而阿牛巴要求的下限遠(yuǎn)高于V錐流量計(jì)。所以當(dāng)流量較小時，DN50管道由于受限于雷諾數(shù)，差壓類流量計(jì)不能正常工作。

再看差壓變送器實(shí)際測量時的不確定度。以V錐流量計(jì)為例，當(dāng)孔板內(nèi)外徑之比β取0.6、測量管內(nèi)徑為50 mm 時，對應(yīng)最大流量8 m3/h差壓量程上限為9 kPa，采用精度等級為0.075的差壓變送器，依據(jù)下式計(jì)算可得到在小流量0.5～1 m3/h時差壓變送器的實(shí)際測量不確定度的大小。

(1)

式(1)中:Ei—差壓實(shí)際測量的不確定度；ξΔp—差壓變送器的準(zhǔn)確度等級；Δpk—差壓變送器上限值(20 mA輸出對應(yīng)差壓值)，Pa(或kPa)；Δpi—差壓實(shí)際值，Pa(或kPa)。

在小流量1 m3/h時，節(jié)流件產(chǎn)生的差壓值為0.14 kPa，帶入式(1)得到差壓變送器實(shí)際不確定度為3.2%；在流量0.5 m3/h時，差壓為0.035 kPa，差壓變送器實(shí)際不確定度為12.9%。盡管采用精度等級為0.075的差壓變送器，但在小流量時整個測量系統(tǒng)實(shí)際精度太差，這是差壓類流量計(jì)不能正常工作的原因。

2 選擇測量控制方案[3]

2.1 超聲流量計(jì)

根據(jù)氯反應(yīng)物流量測控中出現(xiàn)的上述問題，在與生產(chǎn)超聲流量計(jì)的廠家進(jìn)行了廣泛的技術(shù)交流后，初步了解到針對氯反應(yīng)物流量測控難點(diǎn)，可以采用不受流體物性和性狀影響、傳感器內(nèi)無可動部件的超聲流量計(jì)進(jìn)行測量。

超聲波在流動的流體中傳播時，順流方向聲波速度會增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。順流傳播的時間與逆流傳播的時間之差與被測流體的流速有關(guān)，據(jù)此求出流體的流速。超聲流量計(jì)工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 時差法超聲流量計(jì)工作原理圖

設(shè)流體在管道中流動的速度為v，聲波在流體中傳播的速度為c，聲道傳播角度為θ，則聲波在兩個傳感器A、B間順流傳播時間與逆流傳播時間分別如下。

(2)

(3)

解方程(2)和(3)，得到流體流速v為：

(4)

式中:tAB—超聲波順流傳播的時間；tBA—超聲波逆流傳播的時間；L—上下游傳感器A、B間的聲道長度。

從式(4)可以求得流體的流速,進(jìn)而得到流體在管道中的流量。在求得的流體速度計(jì)算式中，聲波速度c在方程中消失了，流體流速僅由固定距離L的傳播時間得出，從而消除了流體溫度、壓力和流體組成等因素對流量計(jì)測量的影響。

2.2 使用效果

對于氯反應(yīng)物流量的測量，鑒于以前也曾多次得到過其他流量計(jì)廠家產(chǎn)品可靠的承諾，所以決定先采用手持式超聲流量計(jì)現(xiàn)場進(jìn)行測控試驗(yàn)，若測控效果和數(shù)據(jù)可靠，再陸續(xù)改造。經(jīng)過約半年時間的現(xiàn)場實(shí)際測量考驗(yàn)，流量測控參數(shù)穩(wěn)定可靠，完全符合生產(chǎn)工藝的需要。根據(jù)這種情況，生產(chǎn)中陸續(xù)采用了多臺固定式超聲流量計(jì)，至今測量穩(wěn)定，并且能夠?qū)崿F(xiàn)氯反應(yīng)器的參數(shù)自動比值調(diào)節(jié)。經(jīng)驗(yàn)證，超聲流量計(jì)還用于其他裝置氯化反應(yīng)物液體的流量測量，均取得較好的測量效果。

3 結(jié)語

超聲流量計(jì)在特殊化工生產(chǎn)過程中提供了可靠的計(jì)量和調(diào)節(jié)參數(shù)，為確保生產(chǎn)的長期穩(wěn)定作出了貢獻(xiàn)，并減少了企業(yè)眾多的人力資源浪費(fèi)與財(cái)力損失。