[導(dǎo)讀] 通過對離子膜燒堿生產(chǎn)線工況條件分析，提出了在浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)中增加阻尼裝置等措施。實(shí)踐表明，采用阻尼裝置的金屬管浮子流量計(jì)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)在氣液混合雙相介質(zhì)工況條件下的離子膜燒堿生產(chǎn)線的流量測量。
1 問題的提出
近年來，我國化工行業(yè)中采用離子膜法制堿工藝發(fā)展很快，前幾年該裝置大多為全套進(jìn)口，包括在線的各種儀表。現(xiàn)在從設(shè)備到儀表逐漸國產(chǎn)化，這樣既能保證質(zhì)量，同時(shí)可以節(jié)約大量外匯。
西北某大型化工廠在建成試生產(chǎn)階段就發(fā)現(xiàn)安裝在陰、陽兩極管道上的兩臺(tái)浮子流量計(jì)工作不正常，指針總在擺動(dòng)，無法讀數(shù)；輸出電流信號(hào)也不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工藝流程調(diào)節(jié)與控制目標(biāo)等，以至影響了正常投產(chǎn)。
經(jīng)現(xiàn)場觀察和分析認(rèn)為：陰極、陽極兩條管道中被測量的介質(zhì)均為既不均勻、比例又不固定的氣、液雙相介質(zhì)；而流量計(jì)則是常規(guī)型浮子流量計(jì)。
浮子流量計(jì)的工作原理之一是浮力定律，也就是與被測介質(zhì)的密度有關(guān)，密度不穩(wěn)定時(shí)浮子就會(huì)跳動(dòng)。由于本工況液體伴有不定氣體量的情況，產(chǎn)生脈動(dòng)流，導(dǎo)致了流量計(jì)的上述現(xiàn)象。
目前各種常規(guī)流量計(jì)都不適用于氣、液雙相介質(zhì)，而工藝過程的鹽液及堿液流量必須加以測量和控制，即必須安裝流量計(jì)。因此，選用一種可用的流量計(jì)或?qū)ΜF(xiàn)有的某種流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以滿足此特定工況測量要求就成為下步工作。
2 確定方案
實(shí)施方案的選擇與確定至少要滿足以下3點(diǎn)：
（1）流量計(jì)的接液零部件必須能承受陰、陽兩極管道中含氯氣鹽液及堿液的強(qiáng)烈氧化和腐蝕；
（2）安裝連接尺寸盡量與原流量計(jì)相同，以減少工作量；
（3）流量計(jì)自身能有效地緩沖和減少由隨機(jī)產(chǎn)生氣體帶來的劇烈波動(dòng)，達(dá)到可視為穩(wěn)定值的讀數(shù)，并且輸出電流信號(hào)波動(dòng)滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。
按上述要求對電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、浮子流量計(jì)與差壓式流量計(jì)等進(jìn)行分析、比較后認(rèn)為只有對金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行必要的改進(jìn)才是可行的和最佳的方案。因此開封儀表廠在其原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上特殊設(shè)計(jì)了一種金屬管浮子流量計(jì)。
3 特殊設(shè)計(jì)的實(shí)施
該浮子流量計(jì)應(yīng)實(shí)施3項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。
3.1 耐腐蝕材料選擇和防腐措施
查閱金屬材料手冊并結(jié)合現(xiàn)場其它設(shè)備材料的應(yīng)用實(shí)際，陽極管道中的介質(zhì)為含氯氣的鹽液，傳感器中所有與介質(zhì)接觸的零件均采用鈦（Ti）材制造，兩法蘭密封面及殼體與導(dǎo)管組件密封面均進(jìn)行涂鈀處理。
整個(gè)傳感器具有良好的抗氧化及耐腐蝕性能。而陰極管道中的介質(zhì)為堿液和氫氣及氯氣等，傳感器中所有與介質(zhì)接觸的零件均采用不銹鋼（SUS316L）材質(zhì)制造，整個(gè)傳感器具有良好的耐腐蝕性能。經(jīng)兩年多的使用證明是可行的。
3.2 連接尺寸與安裝方式
由于用戶的原有流量計(jì)為水平安裝，這與常規(guī)浮子流量計(jì)垂直安裝、流體自下而上的流向完全不同，因此必須將其設(shè)計(jì)成（水）平進(jìn)（水）平出結(jié)構(gòu)，由于已有管道的開檔尺寸足夠長，于是設(shè)計(jì)成如圖1所示的浮子流量計(jì)。
3.3 最大限度地保證工作條件下流量計(jì)的穩(wěn)定
就流量計(jì)自身而言，克服波動(dòng)（不論是外部還是內(nèi)部原因所致）的常用而有效的措施是加裝阻尼器。阻尼器一般分為機(jī)械式和電（磁）式，顯然對浮子流量計(jì)應(yīng)首先考慮選用前者。
3.4 阻尼器的選擇
按阻尼介質(zhì)不同又分為液體阻尼器和氣體阻尼器。
圖1 特殊設(shè)計(jì)平進(jìn)平出阻尼型金屬霄浮子流量計(jì)
由于本應(yīng)用對象中已產(chǎn)生和存在著氣體且浮子波動(dòng)幅度不十分劇烈，所以可采用活塞式氣體阻尼器。另外，就阻尼器的結(jié)構(gòu)位置而言可置于傳感器上也可置于轉(zhuǎn)換器上，但由于后者須對轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)做相當(dāng)大的改動(dòng)，工作量、試驗(yàn)量都很大。因此，確定選用前者，參見圖1。應(yīng)當(dāng)說明，帶有液體阻尼器的浮子流量計(jì)已有過設(shè)計(jì)和應(yīng)用的報(bào)道，但尚無采用氣體阻尼器的金屬管浮子流量計(jì)信息。
3.5 阻尼器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)阻尼器必須了解和確定下列數(shù)據(jù)：
波動(dòng)幅度與頻率：經(jīng)在現(xiàn)場幾小時(shí)觀測統(tǒng)計(jì)未裝阻尼器的流量計(jì)的波動(dòng)幅度約為15%~25%，（±7.5%~±12%）；頻率約為180~350次/min。
（1）要求阻尼效果：波動(dòng)幅度應(yīng)不大于±2%；頻率約不大于50~90次/min。當(dāng)然，由于沒有適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行定量檢測，所以阻尼的最終效果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，一定程度上還應(yīng)通過實(shí)際應(yīng)用由現(xiàn)場技術(shù)和操作人員判斷和認(rèn)定。
（2）依照上述實(shí)際工況和阻尼目標(biāo)，兼顧該浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、鈦材管料規(guī)格等，求出阻尼系數(shù)之后，初步確定阻尼器結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。而決定阻尼效果的阻尼室與阻尼體之間間隙的最佳尺寸必須經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后才能確定。
圖2 阻尼器結(jié)構(gòu)及尺寸
3.6 試驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證
為了初步驗(yàn)證這一阻尼器的效果，以阻尼管內(nèi)徑實(shí)測尺寸為準(zhǔn)，精制了4組不同外徑尺寸的阻尼頭，使兩者的配合間隙分別為0.8mm、0.6mm、0.4mm和0.2mm，分次裝入特殊設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。為造成浮子跳動(dòng)并盡量少對水流量裝置做較大變動(dòng)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 浮子流量計(jì)波動(dòng)試驗(yàn)裝置系統(tǒng)不意圖
浮子的跳動(dòng)由緊靠彎頭的球閥快開、快關(guān)與水流經(jīng)彎頭的急劇流場變化造成，實(shí)際跳動(dòng)情況借助于流量計(jì)的指針、度盤觀察，也可由轉(zhuǎn)換器的輸出電流信號(hào)借助指針式電流表觀測。
試驗(yàn)時(shí)流量計(jì)上端自然存有空氣做為阻尼介質(zhì)。試驗(yàn)方法是：初始流量置于約50%最大流量處，這時(shí)指針仍略有擺動(dòng)但有滿意讀數(shù)（系流場不穩(wěn)所致，可視為穩(wěn)定），然后迅速開啟（或關(guān)閉）球閥，使指針約達(dá)80%（或20%）最大流量處并記下時(shí)間，等待指針雖擺動(dòng)仍有可滿意讀數(shù)為止，再記下時(shí)間，即可得知阻尼時(shí)間。經(jīng)多次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果大致如表1所示：
表1
間隙（mm）
0.8
0.6
0.4
0.2
阻尼時(shí)間（s）
5-6
4-5
2-4
3-5
從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出后兩組間隙的阻尼器效果較好。但必竟現(xiàn)場實(shí)際工況與試驗(yàn)室條件有較大差別，因此還必須進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。
4 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用效果
2002年6月對特殊設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)及特制的間隙為0.3mm的阻尼體安裝于現(xiàn)場取代原流量計(jì)進(jìn)行多次試驗(yàn)，結(jié)果是間隙為0.3mm和0.4mm阻尼器效果最佳，原來流量計(jì)指針擺動(dòng)幅度為10%~20%的同樣條件換裝特殊設(shè)計(jì)的流量計(jì)后，其指針擺動(dòng)基本不超過6%（±3%），操作人員認(rèn)為滿意，可以接受，這一設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。經(jīng)使用一直很穩(wěn)定，這就初步解決了氣、液兩相流流量測量的難題。
因此可以認(rèn)為：這種帶有阻尼器并由特種材質(zhì)制造的浮子流量計(jì)是一種解決類似雙相流流量測量的可行方法之一，完全可以用于離子膜燒堿工藝過程中。