國內冶煉企業配套空分項目大多是企業內部運營管理。隨著制氧技術的發展和人力物力成本的上升, 冶煉企業越來越傾向于將制氧系統通過BOO (Building-Owning-Operation) 的方式交給專業團隊來建設運營, 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易計量。企業正常生產時對純度為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1 200mm。通過對杭氧等國內空分廠家調查發現, 其計量儀表多采用標準孔板流量計, 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易結算。

  雖然巴類流量計采用***新的子彈頭截面傳感器, 實驗室測量精度提高到0.72%, 但工業現場影響其測量精度的因素過多, 此處筆者只對標準孔板流量計、熱式氣體質量流量計和平衡流量計進行比較。

  標準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準GB/T2624.2-2006執行, 檢定按JJG 640-2016執行。標準孔板流量計的優點是制造簡單, 一般不需要實流標定就可直接投入使用。缺點較多, 標準孔板有一個銳角, 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。其次計量院對標準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行實流檢定, 測量誤差在± (1%~5%) 之間。同時標準孔板壓損大, 量程比小 (為3∶1) , 安裝要求直管段滿足前10D后5D[1]。

  盡管標準孔板有如此多的缺點, 但其制造、檢定過程均按標準執行, 故在貿易計量中仍被大量使用。針對本項目, 要求量程比至少達到6∶1, 標準孔板流量計無法滿足使用要求。

  熱式氣體質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量流量計已有幾十年的歷史。熱式氣體質量流量計理論模型為:

式中Cp———定壓比熱容, 與氣體種類有關;

H———加熱電功率;

M———質量流量;

ΔT———兩個探頭的溫差。

  式 (1) 可以引出兩種類型的產品: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氣體的溫度, 另一個熱電阻帶加熱絲由電流進行加熱, 當氣體流經熱電阻, 就會有冷卻效應帶走熱量。由式 (1) 可知, 對于恒溫差型流量計溫差ΔT恒定, 當質量流量M增加時, 冷卻效應就增加, 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, 在介質靜止時溫差***大, 隨著介質流動溫差減小, 溫差ΔT與質量流量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, 流速高達400Nm/s以上還可測量, 但兩種類型的熱式流量計對于導熱性極好的氫氣等介質都不適用。

  熱式氣體質量流量計測量的是質量流量, 無需溫壓補償, 響應快[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格法來確認安裝的***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動機液氧測量而發明的一種流量計。它相當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據定制, 數量一般為4~26個, 開孔數量、分布及大小等參數都在美國計算, 國內按照計算結果加工制作。當流體從多個孔中流過時, 渦流明顯減少, 形成的是平衡穩定的流場, 通過取壓裝置可獲得穩定的壓差信號, 根據伯努利方程計算出體積流量, 溫壓補償后得到***終流量。常規量程比為10∶1~7∶1, ***大可以做到30∶1, 無銳角, 可雙向測量, 壓力損失為標準孔板的1/3~1/2, 由于降低了渦流、振動和信號噪聲, 流場穩定, 測量精度比標準孔板流量計高5~10倍, 穩定性更好[4]。缺點是為非標產品。為保證現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, 質量大, 安裝運輸不方便。

標準孔板流量計的檢定在第1.1節已提及, 此處不再贅述。

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

式中t———時間;

V———流速;

ρ———密度。

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

  平衡流量計不是標準件, 使用前需要送至計量院對測量精度和重復性進行檢定, 流通介質為水, 送檢前設備廠家會以氧氣和水的雷諾數為橋梁出一份介質為水的計算書, 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研究所, 而且檢定周期長。

  檢定過程遵照JJG 640-2016[5]采用標定流出系數的方法, 流出系數公式為:

式中Cij———第i檢定點第j次檢測的流出系數值;

D———管道內徑, mm;

m———節流面積比;

(qs) ij———第i檢定點第j次檢測標準流量值, m3/h;

Δpij———第i檢定點第j次檢測標準壓差值, kPa;

ρ1———水的密度, kg/m3。

  根據式 (3) 可知, 只要測出第i檢定點第j次標準流量值和第i檢定點第j次壓差值就可得到流出系數, 標準流量值可通過標準電磁流量計讀出, 壓差值可通過平衡流量計上安裝的標準差壓變送器讀出。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。標準流量值和壓差值由計算機系統自動采集, 得到平衡流量計的Cij。

  各檢測點流出系數Ci為:

  平衡孔板的***大示值誤差E為:

  重復性公式為:

  其中 (Eτ) i為第i檢測流量點的重復性。

  流量計的重復性Eτ為:

  從功能特點對比3種類型的流量計可以發現, 標準孔板流量計為標準件, 精度不高、重復性差、價格低, 量程比3∶1, 不能滿足本項目的要求。熱式氣體質量流量計量程比可達100∶1, 直接測量氣體質量流量, 無需溫壓補償, 但是對測量氣體組分要求較高, 氣體內不能含水, 且組分不能有變化, 否則會嚴重影響測量精度。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, 重復性和長期穩定性好, 所需前后直管段短 (前2D后2D) , 壓損較低, 節約能源。但需要溫壓補償, 計量精度為整個系統的精度, 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, 標準孔板流量計一般進行幾何檢定, 可信度低。熱式氣體質量流量計省級計量院可用標流速的方法進行檢定, 拆下檢修或標定期間可不停氣, 不影響生產, 但是計量院檢定誤差較大。A+K平衡流量計需通水進行檢定, 檢定結論可信度高, 但大管徑流量計檢定比較困難, 東南地區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對計量準確性和長期穩定性的需求, 加上檢定周期為兩年甚至更長, 不需要頻繁檢定, 因此企業***終選擇平衡流量計作為貿易交接的計量器具。

  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交界處, 計量院檢定結果顯示, 其中一套平衡流量計度為±0.603 1%, 另一套度為±0.553 8%, 重復性均優于0.01%。實際運行過程中, 兩套流量計***大示值偏差遠低于1%, 優于合同中商定的允許***大3%的偏差。