0 引言
含硫天然氣進(jìn)入天然氣凈化廠凈化處理后向用戶輸送干凈天然氣，從含硫天然氣中脫出的被稱為酸氣的混合氣體主要含硫化氫和二氧化碳（占酸氣總體積量的95%左右），該氣體中的硫化氫是一種具有較強(qiáng)腐蝕性和毒性的物質(zhì)。因此，必須對(duì)混合氣體進(jìn)行硫回收處理，即將混合氣體與空氣嚴(yán)格按一定的比例（由流量控制）進(jìn)行密閉燃燒，生成硫磺；剩下的氣體再經(jīng)多級(jí)催化反應(yīng)后生成硫磺。剩余的廢氣（主要是二氧化碳和少量的二氧化硫）排入大氣。為了減少對(duì)大氣的污染，要求硫磺回收率盡量高，二氧化硫排放量盡量少。要提高硫磺回收率，除了采取其他措施外，酸氣流量的準(zhǔn)確測(cè)量也是一個(gè)關(guān)鍵。以前測(cè)量酸氣流量用孔板流量計(jì)，由于酸氣具有較強(qiáng)的腐蝕性，孔板流量計(jì)使用一段時(shí)間后孔板入口邊緣受到嚴(yán)重的腐蝕而造成流量測(cè)量誤差增大；另外，酸氣對(duì)管道腐蝕后產(chǎn)生的固體物常常堵塞引壓管使流量計(jì)無法正常工作。我們?cè)诩几闹杏脙?nèi)文丘里管流量計(jì)替換孔板流量計(jì)，較好地解決了這個(gè)問題。
1 內(nèi)文丘里管簡(jiǎn)介
內(nèi)文丘里管由一圓形測(cè)量管和置入測(cè)量管內(nèi)并與測(cè)量管同軸的特型芯體所構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1（a），特型芯體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1（b）。特型芯體是一個(gè)幾何旋轉(zhuǎn)體，它由前圓錐6、中圓柱7和后圓錐8組成，上述三段軸向長(zhǎng)度比例及圓錐和圓錐臺(tái)的夾角，依測(cè)量條件的不同而不同。特型芯體與測(cè)量管內(nèi)圓之間形成一環(huán)形過流通道，其軸向過流橫截面面積的變化規(guī)律和經(jīng)典文丘里管軸向過流橫截面面積的變化規(guī)律相同，并與測(cè)量管內(nèi)表面之間構(gòu)成一個(gè)異徑環(huán)形過流縫隙。它是新型差壓式節(jié)流裝置，其基本測(cè)量原理與標(biāo)準(zhǔn)孔板相同，即以能量守恒定律-伯努力方程和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的流量測(cè)量方法。根據(jù)差壓式流量計(jì)這一基本測(cè)量原理，當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)內(nèi)文丘里管時(shí)，流體在節(jié)流部位造成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力下降，在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓力差（簡(jiǎn)稱差壓），流體的流速越大，形成的差壓也越大，流體流經(jīng)內(nèi)文丘里管的流動(dòng)與節(jié)流過程同流經(jīng)經(jīng)典文丘里管時(shí)相似，通過測(cè)量差壓，便可得知流體流過內(nèi)文丘里管的流量大小。內(nèi)文丘里管的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使之在使用過程中不存在類似孔板節(jié)流件的銳緣磨蝕、積污問題，長(zhǎng)期使用引壓管也不易堵塞，同時(shí)能對(duì)節(jié)流前管內(nèi)流體速度分布梯度及可能存在的各種非軸對(duì)稱速度分布進(jìn)行有效的流動(dòng)調(diào)整（整流），對(duì)上游直管段長(zhǎng)度的要求大大降低，從而實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度與高可靠性的流量測(cè)量。
內(nèi)文丘里管正因?yàn)橛幸陨咸厥饨Y(jié)構(gòu)，所以具有以下一些特性：
?測(cè)量準(zhǔn)確度高，流出系數(shù)不確定度優(yōu)于±0.5%；
?測(cè)量穩(wěn)定性好，流出系數(shù)長(zhǎng)期保持恒定，檢定周期長(zhǎng)；
?測(cè)量范圍度（量程比）寬，不用二次修正，在規(guī)定的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，即可達(dá)到10:1以上的量程比；
?對(duì)介質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)，不僅適用于各類普通液體、氣體和蒸汽，還能測(cè)量高壓、低壓流體，高腐蝕性流體及各種臟污的流體，不積污、不易堵塞引壓管；
?對(duì)上下游直管段要求低，一般上游≥3D，下游≥1D（D為測(cè)量管內(nèi)徑）即滿足要求，能有效避免或減少測(cè)量系統(tǒng)的附加測(cè)量不確定度；
?壓力損失小，壓力損失為測(cè)量差壓的1/5左右（約為孔板壓損的1/3），節(jié)約能源；
?耐介質(zhì)壓力可達(dá)10MPa以上；
?耐介質(zhì)溫度600℃以下；
?選用特殊材料或材料表面經(jīng)特殊處理，具有很好的耐腐蝕能力；
?適用測(cè)量管直徑為25～1500mm；
?適用雷諾數(shù)范圍寬，當(dāng)ReD≥4X103 時(shí)即可滿足上述流出系數(shù)不確定度要求。
2 數(shù)學(xué)模型的建立
用內(nèi)文丘里管測(cè)量酸氣流量的關(guān)鍵是建立流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，根據(jù)內(nèi)文丘里管的特性，ISO5167：2003（E）《用安裝在充滿流體的圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量流量》中的流量計(jì)算基本公式適用于內(nèi)文丘里管流量計(jì)，即質(zhì)量流量計(jì)算公式為
（1）
操作條件下體積流量計(jì)算公式為
（2）
式中：C為流出系數(shù)；ε為可膨脹性系數(shù)；β為等效直徑比；d為節(jié)流孔等效直徑，mm；△p為氣流流經(jīng)芯體時(shí)產(chǎn)生的壓差，kPa；ρ1為酸氣在操作條件下節(jié)流裝置上游取壓孔處的密度，kg/m3。
根據(jù)GB/T 1314-1991《流量測(cè)量?jī)x表基本參數(shù)》規(guī)定，計(jì)量體積流量采用壓力pn=101.325kPa和熱力學(xué)溫度Tn=293.15K作為標(biāo)準(zhǔn)參比條件。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量時(shí)應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的氣體密度，所以計(jì)算公式為
（3）
因酸氣是混合氣體，酸氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度計(jì)算公式為
（4）
式中：ρn為酸氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度，kg/m3；ρni為酸氣中i組分在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度，kg/m3；xi為酸氣中i組分在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的摩爾分?jǐn)?shù)，由分析獲得。
那么，酸氣在操作條件下的密度計(jì)算公式為
（5）
式中：p為酸氣在操作條件下節(jié)流裝置上游側(cè)取壓孔的壓力，MPa；T為酸氣在操作條件下的氣流熱力學(xué)溫度，K；Z為酸氣在操作條件下的壓縮因子；Zn為酸氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子。
將公式（3）和（5）進(jìn)行簡(jiǎn)化，得
（6）
因?yàn)樗釟獾膲毫^低（酸氣的操作壓力一般在0.08MPa以下），Zn近似等于Z，所以Zn/Z近似等于1，同時(shí)，令
Avn=5.9744*10-5，
；那么，（6）式可寫作
（7）
式中：Avn為體積流量計(jì)量系數(shù)；E為漸近速度系數(shù)。
其它符號(hào)的意義與前述公式相同。公式（7）即為計(jì)算酸氣流量的實(shí)用公式。
根據(jù)內(nèi)文丘里管的結(jié)構(gòu)，節(jié)流孔等效直徑
（8）
式中：D為測(cè)量管內(nèi)徑，mm；dv為芯體圓柱段直徑，mm。
可膨脹性系數(shù)ε由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出以下計(jì)算公式：
（9）
式中：k為等熵指數(shù)。
在常壓下，等熵指數(shù)變化較小，酸氣中主要含硫化氫和二氧化碳，經(jīng)查驗(yàn)硫化氫和二氧化碳的等熵指數(shù)均在1.3左右，這里取1.3。
等效直徑比β計(jì)算公式為
（10）
因?yàn)樗釟獾牟僮鳒囟炔桓撸詼y(cè)量管和芯體的材料線膨脹系數(shù)可以不考慮，即D和d不再進(jìn)行溫度修正。這樣，內(nèi)文丘里管測(cè)量酸氣流量的全部計(jì)算公式就建立起來了。
3 實(shí)施
實(shí)施過程中，先根據(jù)酸氣流量的范圍、壓力和溫度計(jì)算內(nèi)文丘里管的芯體直徑和變送器量程，這項(xiàng)工作一般由制造商完成，用戶只需要提供必要的參數(shù)即可；由于酸氣的腐蝕性較強(qiáng)，內(nèi)文丘里管應(yīng)選用全不銹鋼材料或表面經(jīng)特殊處理的材料制作，隨著電子數(shù)控加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于這種特殊形體的加工精度的保證已變得非常容易了；由于內(nèi)文丘里管目前還沒有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此使用前應(yīng)對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，將流出系數(shù)值提供給用戶。現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求與孔板流量計(jì)相同，這里不再敘述；因?yàn)椴挥?jì)算氣體的壓縮因子，所以流量計(jì)算程序的編制較為簡(jiǎn)單，這里也不再贅述。整套酸氣流量測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。
4 結(jié)束語
內(nèi)文丘里管酸氣流量測(cè)量系統(tǒng)已使用近一年的時(shí)間，計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定，從未出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常波動(dòng)的情況，也未出現(xiàn)引壓管堵塞現(xiàn)象；2005年設(shè)備大修時(shí)對(duì)內(nèi)文丘里管的內(nèi)表面進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)表面結(jié)垢和腐蝕，經(jīng)水流量標(biāo)定，流出系數(shù)不確定度仍滿足0.5%。由此可見，該流量計(jì)能滿足高腐蝕性氣體（酸氣）流量的測(cè)量，因?yàn)樗奶厥饨Y(jié)構(gòu)，有效地解決了芯體積污和引壓管路堵塞問題，使用效果良好。需要說明的是，由于使用時(shí)間較短，防腐蝕性能、防積污和引壓管路堵塞能力等只是一個(gè)初步的結(jié)論，還需通過進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。從目前使用效果看，該流量計(jì)具有較好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] ISO 5167：2003（E），用安裝在充滿流體的圓形截面管道中的差壓裝置調(diào)量流量[S]．
[2] SY/T 6143-2004，用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量[S]．
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