0 引言

      含硫天然氣進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腐蝕性和毒性的物質。因此，必須對混合氣體進行硫回收處理，即將混合氣體與空氣嚴格按一定的比例（由流量控制）進行密閉燃燒，生成硫磺；剩下的氣體再經多級催化反應后生成硫磺。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，酸氣流量的準確測量也是一個關鍵。以前測量酸氣流量用孔板流量計，由于酸氣具有較強的腐蝕性，孔板流量計使用一段時間后孔板入口邊緣受到嚴重的腐蝕而造成流量測量誤差增大；另外，酸氣對管道腐蝕后產生的固體物常常堵塞引壓管使流量計無法正常工作。我們在技改中用空氣流量計替換孔板流量計，較好地解決了這個問題。

      1 空氣流量計簡介

      空氣流量計由一圓形測量管和置入測量管內并與測量管同軸的特型芯體所構成，其結構示意圖見圖1（a），特型芯體結構示意圖見圖1（b）。特型芯體是一個幾何旋轉體，它由前圓錐6、中圓柱7和后圓錐8組成，上述三段軸向長度比例及圓錐和圓錐臺的夾角，依測量條件的不同而不同。特型芯體與測量管內圓之間形成一環形過流通道，其軸向過流橫截面面積的變化規律和經典文丘里管軸向過流橫截面面積的變化規律相同，并與測量管內表面之間構成一個異徑環形過流縫隙。它是新型差壓式節流裝置，其基本測量原理與標準孔板相同，即以能量守恒定律-伯努力方程和流動連續性方程為基礎的流量測量方法。根據差壓式流量計這一基本測量原理，當充滿管道的流體流經內文丘里管時，流體在節流部位造成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力下降，在節流件前后產生靜壓力差（簡稱差壓），流體的流速越大，形成的差壓也越大，流體流經內文丘里管的流動與節流過程同流經經典文丘里管時相似，通過測量差壓，便可得知流體流過空氣流量計的流量大小。空氣流量計的這種結構特點，使之在使用過程中不存在類似孔板節流件的銳緣磨蝕、積污問題，長期使用引壓管也不易堵塞，同時能對節流前管內流體速度分布梯度及可能存在的各種非軸對稱速度分布進行有效的流動調整（整流），對上游直管段長度的要求大大降低，從而實現了高準確度與高可靠性的流量測量。

      空氣流量計正因為有以上特殊結構，所以具有以下一些特性：

    ·測量準確度高，流出系數不確定度優于±0.5%；
    ·測量穩定性好，流出系數長期保持恒定，檢定周期長；
    ·測量范圍度（量程比）寬，不用二次修正，在規定的準確度范圍內，即可達到10:1以上的量程比；
    ·對介質適應能力強，不僅適用于各類普通液體、氣體和蒸汽，還能測量高壓、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；
    ·對上下游直管段要求低，一般上游≥3D，下游≥1D（D為測量管內徑）即滿足要求，能有效避免或減少測量系統的附加測量不確定度；
    ·壓力損失小，壓力損失為測量差壓的1/5左右（約為孔板壓損的1/3），節約能源；
    ·耐介質壓力可達10MPa以上；
    ·耐介質溫度600℃以下；
    ·選用特殊材料或材料表面經特殊處理，具有很好的耐腐蝕能力；
    ·適用測量管直徑為25～1500mm；
    ·適用雷諾數范圍寬，當ReD≥4X10³ 時即可滿足上述流出系數不確定度要求。

      2 數學模型的建立

      用空氣流量計測量酸氣流量的關鍵是建立流量計算數學模型，根據空氣流量計的特性，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量流量》中的流量計算基本公式*適用于空氣流量計，即質量流量計算公式為

                      （1）

      操作條件下體積流量計算公式為

                     （2）

      式中：C為流出系數；ε為可膨脹性系數；β為等效直徑比；d為節流孔等效直徑，mm；△p為氣流流經芯體時產生的壓差，kPa；ρ1為酸氣在操作條件下節流裝置上游取壓孔處的密度，kg/m³。

      根據GB/T 1314-1991《流量測量儀表基本參數》規定，計量體積流量采用壓力p_n=101.325kPa和熱力學溫度T_n=293.15K作為標準參比條件。計算標準參比條件下體積流量時應使用標準參比條件下的氣體密度，所以計算公式為

                （3）

      因酸氣是混合氣體，酸氣在標準參比條件下的密度計算公式為

                                                （4）

      式中：ρ_n為酸氣在標準參比條件下的密度，kg/m³；ρ_ni為酸氣中i組分在標準參比條件下的密度，kg/m³；x_i為酸氣中i組分在標準參比條件下的摩爾分數，由分析獲得。

      那么，酸氣在操作條件下的密度計算公式為

                                              （5）

      式中：p為酸氣在操作條件下節流裝置上游側取壓孔的壓力，MPa；T為酸氣在操作條件下的氣流熱力學溫度，K；Z為酸氣在操作條件下的壓縮因子；Z_n為酸氣在標準參比條件下的壓縮因子。

      將公式（3）和（5）進行簡化，得

      （6）

      因為酸氣的壓力較低（酸氣的操作壓力一般在0.08MPa以下），Z_n近似等于Z，所以Z_n/Z近似等于1，同時，令

      A_vn=5.9744*10^-5，；那么，（6）式可寫作

                                     （7）

      式中：A_vn為體積流量計量系數；E為漸近速度系數。

      其它符號的意義與前述公式相同。公式（7）即為計算酸氣流量的實用公式。

      根據空氣流量計的結構，節流孔等效直徑

                                                  （8）

      式中：D為測量管內徑，mm；d_v為芯體圓柱段直徑，mm。

      可膨脹性系數ε由實驗數據確定。經實驗數據推導得出以下計算公式：

                               （9）

      式中：k為等熵指數。

      在常壓下，等熵指數變化較小，酸氣中主要含硫化氫和二氧化碳，經查驗硫化氫和二氧化碳的等熵指數均在1.3左右，這里取1.3。

      等效直徑比β計算公式為

                                          （10）

      因為酸氣的操作溫度不高，所以測量管和芯體的材料線膨脹系數可以不考慮，即D和d不再進行溫度修正。這樣，空氣流量計測量酸氣流量的全部計算公式就建立起來了。

      3 實施

      實施過程中，先根據酸氣流量的范圍、壓力和溫度計算空氣流量計的芯體直徑和變送器量程，這項工作一般由制造商完成，用戶只需要提供必要的參數即可；由于酸氣的腐蝕性較強，空氣流量計應選用全不銹鋼材料或表面經特殊處理的材料制作，隨著電子數控加工技術的廣泛應用，對于這種特殊形體的加工精度的保證已變得非常容易了；由于空氣流量計目前還沒有標準和國家標準，因此使用前應對流出系數進行標定，將流出系數值提供給用戶。現場安裝的要求與孔板流量計相同，這里不再敘述；因為不計算氣體的壓縮因子，所以流量計算程序的編制較為簡單，這里也不再贅述。整套酸氣流量測量系統組成示意圖如圖2所示。

      4 結束語

      空氣流量計酸氣流量測量系統已使用近一年的時間，計量系統穩定，從未出現數據異常波動的情況，也未出現引壓管堵塞現象；2005年設備大修時對空氣流量計的內表面進行檢查，未發現表面結垢和腐蝕，經水流量標定，流出系數不確定度仍滿足0.5%。由此可見，該流量計能滿足高腐蝕性氣體（酸氣）流量的測量，因為它的特殊結構，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初步的結論，還需通過進一步試驗驗證。從目前使用效果看，該流量計具有較好的應用前景。