極低溫流體的流量測量

所謂工業上的極低溫流體，一般指在大氣壓下沸點為－50℃以下的流體。

代表性的極低溫流體有LNG（液化天然氣）、LN₂（液氮）、LO₂（液氧）、液化乙烯、液氫、液氯以及這些低溫氣體，L PG（液化石油氣）不包括在極低溫流體中。

在論述極低溫流體的流量測量方法時，特別要了解的是在工業過程中使用這些流體時，它與常溫或高溫相比有哪些不同?容易發生什么樣的問題?因此，首先列舉極低溫流體和過程的特征加以說明。

（1）   容易引起狀態變化

構成極低溫流體的物質具有表1、表2所示的物理常數。這些流體通常以飽和狀態儲存在絕熱的儲存容器里。用泵升壓、送出，開始過程處理，并反復進行加壓、減壓。在此過程中，飽和狀態的極低溫流體一會兒變為過冷狀態，一會兒變為沸騰狀態，狀態容易變化。因此，配管設計和流量計設計需要采取措施。

表1 低沸點物質的物理常數

表2 液化天然氣成分物質的物理常數

（2）有因濃縮而出現的物態變化

液化天然氣是由表2所示的物質而組成的混合物。由于從外部向儲存容器或配管內加熱，所以，先從甲烷開始蒸發，發生稱為濃縮的如圖1所示那樣的成分變化。液化天然氣的成分物質甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液態密度如圖2所示。由于濃縮，液化天然氣的液態密度變大，所以，測量流量時，必須修正密度。

（3）對材料有限制

金屬材料在極低溫下的屈服點、拉伸強度、延伸率、節流、沖擊試驗值等機械性質與常溫下有很大不同，在極低溫下，金屬材料的拉伸強度上升，但延展性降低，沖擊值也隨材料而顯著下降。因此，在極低溫下所使用的儀器的材料，應是有充分抗破壞韌性的材料，使之不引起脆性破壞，這些材料就叫做低溫材料。但是，現在使用的zui一般的材料有：不銹鋼、鋁合金、90％的鎳鋼、35％的鎳鋼（鎳鐵合金）。表3示出了低溫材料的機械性質。圖3還示出了不銹鋼的恰貝遷移溫度曲線。

圖1液化天然氣的濃縮     圖2 液化天然氣成分的液態密度

圖3不銹鋼的恰貝遷移溫度遷移曲線

表3低溫材料的機械性質

（4）要求考慮因冷縮而產生的應力、間隙的變化后進行設計。

低溫材料的物理性質如表4所示。用這些材料設計測量儀器時，必須充分考慮冷縮的影響。

（5）需要預冷

如果使極低溫流體急劇地流入處于溫暖狀態的配管和儀器的局部，則不能控制從法蘭漏出極低溫流體，這樣，配管和儀器會產生異常應力，有被破壞的危險。因此，必須進行預冷作業，冷卻到所定的溫度狀態然后開始使用。

（6）必須注意因高凝固點物質的凝固而產生故障

開始使用前．如果不消除空氣、油分，那么，在極低溫下，固化的水分，油分，二氧化碳等會增大可動部分的摩擦，使過濾器堵塞，發生效障。

表4低溫材料的物理性質

（7）在氣液分界面引起對流

在氣液分界面內產生的對流，會出現微弱的脈動現象，發生因煙霧而產生的故障。

流量測量儀器的種類

目前使用zui多的極低溫流體的流量測量儀器有孔板、渦街流量計、渦輪流量計三種。但是，各種流量計，根據其用途、測量范圍，也研制了很多不同的結構。因此，希望選擇儀器時，一定要在充分掌握各種儀器的特征的基礎上考慮價格。維護性能、要求精度、過程中測量場所的特征。

極低溫流體以液體和氣體兩種狀態存在，但幾乎所有的問題都發生在流體的流量測量過程中。因此．這里主要說明極低溫液體的流量測量。

孔板

用孔板測量流體的方法是根據德國工業標準、美國機械工程師學會、日本工業標準等的標準確定的。由于其使用效果好，所以，極低溫流體在以上述標準定義的物性值的范圍內，如果測量時沒有異常的物性值變化，就能進行圓滿的測量。

實際上在極低溫流體的流量測量中，孔板應用得zui多，可靠性也高。但是，在進行儀表設計時有幾個重要的事項需要注意，下面就加以敘述。

材料和結構

1.      材料采用SUS316L。焊接噴嘴使用低炭焊接棒是安全的。

2.      極低溫流體在飽和狀態下流動時，為把容易引起差壓的擺動平滑化后進行測量，希望取壓型式用角接取壓。

3.      為了減少由于冷縮而引起的孔板漏濁，可將孔板和環室作成一體。

4.      對于測量高壓配管或泵流用的孔板，難以用夾緊的辦法來控制安裝處的漏濁，有時甚至需要停止設備運行。因此，要按照配管等級來提高孔板安裝位置的法蘭和螺絲的等級，這種方法比通常用的過盈量要大，以防漏泄。同時，要將熱傳導率好的金屬插入螺絲的空間，使配管的冷縮不產生時間差。根據情況，也有選擇螺絲的冷縮率比孔板大的。

5.      在口徑較大的配管上安裝孔板時，用上述的薄片式的，有時不能控制漏泄。要使用帶有法蘭的孔板或焊接式孔扳。

2）孔板設計

渦街流量計

特征

渦街流量計用于極低溫流體的流量測量時，一般特征如下：

1.      壓力損失比較小。即使是極低溫的流體，其蒸發量也少，可以高精度測量。

2.      量程范圍大。

3.      由于是檢測流速，所以，流量和輸出的關系為線性。

4.      由于可以脈沖輸出，容易累積計算。

5.      很容易安裝導壓管。

結構和材料

為了減少熱收縮等原因產生的漏液的可能性，主體一般裝有法蘭盤，而不用螺紋接頭。

為了避免冷熱的影響，前置放大器部分采用加長管來安裝。但是，有時也可根據情況安裝散熱片。本體、三角柱、法蘭盤需使用低溫材料SUS316。

流量測量范圍

通常希望流量計的口徑與普通配管直徑一致。但是，往往是根據將來的計劃來設計配管。當配管直徑很大或使用量增加之后，會出現測量精度變差、甚至不能測量的情況。在這種情況下，必須按測量范圍選用渦街流量計以及前后安裝的整流器以使口徑一致。一般地說，可按照下面幾點來選定。

1.      zui小流量的極限是這樣選取的：當流量低于這個極*，流量信號變弱。按雷諾數劃分的話，雷諾數大約是2000。

2.      zui大流量。換算為流速的話，取6米／秒。取該值的原因是一方面在流量計的檢測部分壓力損失增加，流體在該處急劇蒸發，另一方面它是渦街流量測量的極限值。

渦輪流量計

結構和材料

渦輪流量計中裝有轉子和軸承等以高速轉動的可動部分、摩擦部分。因此，應充分了解其結構和處理方法，否則，使用時就不會發揮其特性。

一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低溫材料。如能進行奧氏體化處理，SUS304也可使用。

軸承是渦輪流量計的zui重要部分，達部分決定其特性、耐久性。如果被測流體是沒有潤滑性的液體，在選澤軸承時，要十分注意。通過實驗證明，測量液化天然氣用的渦輪流量計可以使用AISI 440C不銹鋼的滾珠軸承。

流量范圍

用渦輪流量計測量極低溫流體時，zui容易發生的故障是因儀表的壓力損失而引起的急劇蒸發。儀表中形成急劇蒸發后，轉子將以比通常轉速快數十倍的速度旋轉。這樣軸承會在很短的時間內就被*磨壞。防止蒸發的方法是適當加大儀表的尺寸。渦輪流量計的壓力損失與流量的平方成正比，如能將被測zui大流量限制在儀表容量的1／2時，壓力損失可下降到額定的1／4。

一股地說，在間斷使用時，如將被測zui大流量控制在儀表容量的70％以下，基本上不會產生因儀表本身的壓力損失而出現的故障。連續使用時，要將常用流量限制在儀表容量的50％以下。這就需要將軸承的檢查周期取為一年以上。

粘度的影響

當流體是紊流時，轉子的轉速不受粘度和密度的影響。但是，當是層流時，就要受影響。因此，在流量小的地方，可測量的流體的密度和流量之間存在一定的極限。液化天然氣等極低溫流體和汽油相比，粘度小一個數量級。因此，就可以用汽油檢定，保證得到量程以上的值。