國內(nèi)冶煉企業(yè)配套空分項目大多是企業(yè)內(nèi)部運營管理。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展和人力物力成本的上升, 冶煉企業(yè)越來越傾向于將制氧系統(tǒng)通過BOO (Building-Owning-Operation) 的方式交給專業(yè)團(tuán)隊來建設(shè)運營, 再通過購買氣體的方式獲得氧氣, 這就涉及到供氣方與用氣方之間的貿(mào)易計量。企業(yè)正常生產(chǎn)時對純度為99.6%的高純氧需量為47 000Nm3/h, ***大需量為54 000Nm3/h, ***小需量為10 000Nm3/h, 氧氣輸送管道通徑達(dá)1 200mm。通過對杭氧等國內(nèi)空分廠家調(diào)查發(fā)現(xiàn), 其計量儀表多采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計, 少量采用巴類等均速管流量計。而法國液化空氣、德國林德等國外廠家中熱式氣體質(zhì)量流量計也廣泛使用, 并開始嘗試使用新型平衡流量計用于貿(mào)易結(jié)算。

  雖然巴類流量計采用***新的子彈頭截面?zhèn)鞲衅? 實驗室測量精度提高到0.72%, 但工業(yè)現(xiàn)場影響其測量精度的因素過多, 此處筆者只對標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、熱式氣體質(zhì)量流量計和平衡流量計進(jìn)行比較。

  標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計是一種廣泛使用的流量計, 孔板的特征尺寸和加工工藝按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624.2-2006執(zhí)行, 檢定按JJG 640-2016執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的優(yōu)點是制造簡單, 一般不需要實流標(biāo)定就可直接投入使用。缺點較多, 標(biāo)準(zhǔn)孔板有一個銳角, 長期使用存在“銳角磨損”問題, 測量精度隨時間推移越來越低。其次計量院對標(biāo)準(zhǔn)孔板一般采用物理檢定, 也就是測量幾何尺寸和銳角偏差, 有特殊要求時才用水進(jìn)行實流檢定, 測量誤差在± (1%~5%) 之間。同時標(biāo)準(zhǔn)孔板壓損大, 量程比小 (為3∶1) , 安裝要求直管段滿足前10D后5D[1]。

  盡管標(biāo)準(zhǔn)孔板有如此多的缺點, 但其制造、檢定過程均按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行, 故在貿(mào)易計量中仍被大量使用。針對本項目, 要求量程比至少達(dá)到6∶1, 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計無法滿足使用要求。

  熱式氣體質(zhì)量流量計是基于金氏定律的一種插入式流量計, 適合大管道流體測量, FCI、Sierra、Kurz這3個品牌的熱式氣體質(zhì)量流量計已有幾十年的歷史。熱式氣體質(zhì)量流量計理論模型為:

式中Cp———定壓比熱容, 與氣體種類有關(guān);

H———加熱電功率;

M———質(zhì)量流量;

ΔT———兩個探頭的溫差。

  式 (1) 可以引出兩種類型的產(chǎn)品:恒溫差型和恒功率型。兩類傳感器都由兩個并排的熱電阻組成, 其中一個普通熱電阻測量管道內(nèi)氣體的溫度, 另一個熱電阻帶加熱絲由電流進(jìn)行加熱, 當(dāng)氣體流經(jīng)熱電阻, 就會有冷卻效應(yīng)帶走熱量。由式 (1) 可知, 對于恒溫差型流量計溫差ΔT恒定, 當(dāng)質(zhì)量流量M增加時, 冷卻效應(yīng)就增加, 為保持兩個熱電阻的溫差恒定所需的加熱功率H增加, 而加在加熱電阻上的功率H與質(zhì)量流量M成正比, 測量功率H的大小可以計算出流過管道的氣體質(zhì)量。對于恒功率型, 加在加熱電阻上的功率H始終保持恒定, 在介質(zhì)靜止時溫差***大, 隨著介質(zhì)流動溫差減小, 溫差ΔT與質(zhì)量流量M成反比, 通過測量溫差的變化來獲取流量的變化[2]。恒溫差型響應(yīng)速度快, 在流速低到0.1Nm/s時都能保持很好的線性, 隨著速度增大, 精度降低。而恒功率型適合高速介質(zhì), 流速高達(dá)400Nm/s以上還可測量, 但兩種類型的熱式流量計對于導(dǎo)熱性極好的氫氣等介質(zhì)都不適用。

  熱式氣體質(zhì)量流量計測量的是質(zhì)量流量, 無需溫壓補償, 響應(yīng)快[3], 高性能型號實驗室測量誤差為±0.1%RS±0.5%FS, 在要求高精度時多采用網(wǎng)格法來確認(rèn)安裝的***佳插入深度, 同時可在管道同一截面不同位置安裝多支傳感器取平均值作為***終流體流量, 現(xiàn)在FCI某系列的流量計上帶有2~3對傳感器。

  A+K平衡流量計***早是NASA針對航天飛機的主發(fā)動機液氧測量而發(fā)明的一種流量計。它相當(dāng)于一個帶整流器的多孔孔板, 每個孔的尺寸和分布基于獨特的公式和測試數(shù)據(jù)定制, 數(shù)量一般為4~26個, 開孔數(shù)量、分布及大小等參數(shù)都在美國計算, 國內(nèi)按照計算結(jié)果加工制作。當(dāng)流體從多個孔中流過時, 渦流明顯減少, 形成的是平衡穩(wěn)定的流場, 通過取壓裝置可獲得穩(wěn)定的壓差信號, 根據(jù)伯努利方程計算出體積流量, 溫壓補償后得到***終流量。常規(guī)量程比為10∶1~7∶1, ***大可以做到30∶1, 無銳角, 可雙向測量, 壓力損失為標(biāo)準(zhǔn)孔板的1/3~1/2, 由于降低了渦流、振動和信號噪聲, 流場穩(wěn)定, 測量精度比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計高5~10倍, 穩(wěn)定性更好[4]。缺點是為非標(biāo)產(chǎn)品。為保證現(xiàn)場測量精度和便于計量院檢定, 一般采用管道式平衡流量計, 質(zhì)量大, 安裝運輸不方便。

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的檢定在第1.1節(jié)已提及, 此處不再贅述。

  熱式氣體質(zhì)量流量計出廠時要進(jìn)行實溫實壓實流標(biāo)定, 可溯源到NIST。目前只有美國本土有實流標(biāo)定實驗室。在國內(nèi)省級計量院一般進(jìn)行N2、O2、CO及NO等接近理想氣體雙原子氣體檢定時, 不進(jìn)行實流檢定, 而是直接用空氣作為介質(zhì), 根據(jù)下式進(jìn)行計算:

式中t———時間;

V———流速;

ρ———密度。

  根據(jù)式 (2) 可知測量出某一時間段t內(nèi)管道的空氣平均流速V, 得到空氣的質(zhì)量流量, 再通過空氣和氧氣定壓比熱容關(guān)系換算為氧氣的質(zhì)量流量。轉(zhuǎn)換過程中一般有±1%RS±1%FS的誤差。

  平衡流量計不是標(biāo)準(zhǔn)件, 使用前需要送至計量院對測量精度和重復(fù)性進(jìn)行檢定, 流通介質(zhì)為水, 送檢前設(shè)備廠家會以氧氣和水的雷諾數(shù)為橋梁出一份介質(zhì)為水的計算書, 給計量院作為參考。為避免安裝過程對測量精度造成過大干擾, 選用管道式平衡流量計, 通徑1 200mm, 在東南地區(qū)能實流檢定1 000mm以上孔板的計量院開封市的水大流量計量站和常州市計量測試技術(shù)研究所, 而且檢定周期長。

  檢定過程遵照J(rèn)JG 640-2016[5]采用標(biāo)定流出系數(shù)的方法, 流出系數(shù)公式為:

式中Cij———第i檢定點第j次檢測的流出系數(shù)值;

D———管道內(nèi)徑, mm;

m———節(jié)流面積比;

(qs) ij———第i檢定點第j次檢測標(biāo)準(zhǔn)流量值, m3/h;

Δpij———第i檢定點第j次檢測標(biāo)準(zhǔn)壓差值, kPa;

ρ1———水的密度, kg/m3。

  根據(jù)式 (3) 可知, 只要測出第i檢定點第j次標(biāo)準(zhǔn)流量值和第i檢定點第j次壓差值就可得到流出系數(shù), 標(biāo)準(zhǔn)流量值可通過標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計讀出, 壓差值可通過平衡流量計上安裝的標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器讀出。檢定過程中選取Qmax、3/4Qmax、1/2Qmax、1/4Qmax、Qmin共計5個點, 每個點測量4次。標(biāo)準(zhǔn)流量值和壓差值由計算機系統(tǒng)自動采集, 得到平衡流量計的Cij。

  各檢測點流出系數(shù)Ci為:

  平衡孔板的***大示值誤差E為:

  重復(fù)性公式為:

  其中 (Eτ) i為第i檢測流量點的重復(fù)性。

  流量計的重復(fù)性Eτ為:

  從功能特點對比3種類型的流量計可以發(fā)現(xiàn), 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計為標(biāo)準(zhǔn)件, 精度不高、重復(fù)性差、價格低, 量程比3∶1, 不能滿足本項目的要求。熱式氣體質(zhì)量流量計量程比可達(dá)100∶1, 直接測量氣體質(zhì)量流量, 無需溫壓補償, 但是對測量氣體組分要求較高, 氣體內(nèi)不能含水, 且組分不能有變化, 否則會嚴(yán)重影響測量精度。同時直管段要求較高, 一般為前20D后5D, 對于前方有兩個不同向的彎頭時, 要求前50D后5D。A+K平衡流量計基于壓差測量流量原理, 可靠性高, 量程比在10∶1左右, 重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好, 所需前后直管段短 (前2D后2D) , 壓損較低, 節(jié)約能源。但需要溫壓補償, 計量精度為整個系統(tǒng)的精度, 價格也隨管徑的增大而增大, 大管徑流量計價格更是成倍增加。

  從檢定角度對比, 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計一般進(jìn)行幾何檢定, 可信度低。熱式氣體質(zhì)量流量計省級計量院可用標(biāo)流速的方法進(jìn)行檢定, 拆下檢修或標(biāo)定期間可不停氣, 不影響生產(chǎn), 但是計量院檢定誤差較大。A+K平衡流量計需通水進(jìn)行檢定, 檢定結(jié)論可信度高, 但大管徑流量計檢定比較困難, 東南地區(qū)僅兩家計量院可檢定。

  綜上所述, 除檢定困難以外, A+K平衡流量計更能滿足企業(yè)對計量準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性的需求, 加上檢定周期為兩年甚至更長, 不需要頻繁檢定, 因此企業(yè)***終選擇平衡流量計作為貿(mào)易交接的計量器具。

  兩套同批次同類型的平衡流量計分別安裝在供氣方和用氣方廠區(qū)交界處, 計量院檢定結(jié)果顯示, 其中一套平衡流量計度為±0.603 1%, 另一套度為±0.553 8%, 重復(fù)性均優(yōu)于0.01%。實際運行過程中, 兩套流量計***大示值偏差遠(yuǎn)低于1%, 優(yōu)于合同中商定的允許***大3%的偏差。