在流量測量時(shí)氣穴和汽蝕形成原因及如何防止流體汽化對策

流量計(jì)內(nèi)部最低壓力點(diǎn)的部位因儀表測量原理和結(jié)構(gòu)而異，且有些流量計(jì)的最低壓力低于背壓很多，例如孑L板鄰近其下游側(cè)，RZ-LWGQ蒸汽渦輪流量計(jì)的渦輪處，渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體處。防止流量計(jì)產(chǎn)生氣穴所需背壓是多少？對于節(jié)流差壓式流量計(jì)的檢測件應(yīng)不低于它們的初始?xì)庋〝?shù)；其他流量計(jì)按式(2.39)計(jì)算最小背壓，例如對渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)式中A、B兩常數(shù)分別是3和1.5。這是較保守的估計(jì)值，欲知所選用流量計(jì)的允許實(shí)際值應(yīng)向制造廠查詢。

流量計(jì)上游管線配件產(chǎn)生的氣穴是常被忽視的—個(gè)禍源，特別是燃料、石油制品和有機(jī)溶劑產(chǎn)生的氣穴形成云霧狀氣泡，在其下游會保持相當(dāng)長的距離，極易造成儀表測量誤差。流量控制閥在接近關(guān)閉狀態(tài)時(shí)最易發(fā)生氣穴；某些三通閥和四通閥在改變流通方向時(shí)也容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣穴。

在液體流動(dòng)的管路中，如果某一區(qū)域的壓力降低到液體飽和蒸氣壓力之下，那么在這個(gè)區(qū)域內(nèi)液體將會產(chǎn)生氣泡，這種氣泡聚集在低壓區(qū)域附近，就會形成氣穴，發(fā)生氣穴現(xiàn)象。在裝有透明管道的試驗(yàn)裝置上，能觀察到氣穴的存在，它表現(xiàn)為在管道內(nèi)一個(gè)基本不變的區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)氣團(tuán)。

在水流管路中，這種氣泡所包含的主要是水蒸氣，但是由于水中溶解有一定量的氣體，所以氣泡中還夾帶有少量從水中析出的氣體。這種氣泡隨著水流達(dá)到壓強(qiáng)高的區(qū)域時(shí)，氣泡中的蒸氣會重新凝結(jié)為液體，此時(shí)氣泡會變形破裂，四周液體流向氣泡中心，發(fā)生劇烈的撞擊，壓力急劇增高，其值可達(dá)幾百個(gè)大氣壓，不斷破裂的氣泡會使流道壁面的材料受到不斷的沖擊，從而使材料受到侵蝕。如果管路上裝有流量計(jì)，則汽蝕現(xiàn)象將引起測量誤差增大，并能損壞一次裝置。氣泡從形成、增長、破裂以及造成材料侵蝕的整個(gè)過程就稱為汽蝕現(xiàn)象。

汽蝕現(xiàn)象與熱力學(xué)中的沸騰現(xiàn)象有所不同，兩者雖然都有氣泡產(chǎn)生，但是汽蝕起因是由于壓強(qiáng)降低，而沸騰則是由于溫度升高。

液氨同其他飽和蒸氣壓較高的流體一樣，在流量測量中，流量一次裝置內(nèi)或出口端極易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。

處于汽液平衡狀態(tài)的流體，在溫度升高或壓力降低時(shí)，必然有部分液體發(fā)生相變。例如液氨在10℃條件下，平衡壓力為O.595lMPa，如果將壓力降低一些(例如將液氨中間槽中的氣態(tài)氨排掉一些)，必然引起一定數(shù)量的液氨汽化，升騰到氣相中。由于這一蒸發(fā)過程是從液相中吸取汽化熱，所以汽化現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)，液相溫度下降，一直降低到與槽中新的壓力相對應(yīng)的平衡溫度。

同樣，如果為槽中的氣相提供一定的冷量，則有一部分氣態(tài)氨變成液態(tài)氨，槽中氣相壓力相應(yīng)下降。

處于汽液平衡狀態(tài)的氨，在輸送過程中，如果溫度不變而將其壓力升高(例如用泵加壓)，或者壓力不變而將其溫度降低(例如用冷卻器將液氨冷卻)，則液氨進(jìn)入過冷狀態(tài)。

處于過冷狀態(tài)的液氨，如果壓力降低一些，只要不低矛當(dāng)時(shí)液氮溫度相對應(yīng)的平衡壓力，液氨不會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

液氨儲槽或中間槽總有一定高度，在穩(wěn)態(tài)情況下，處于汽液平衡狀態(tài)的液氮，僅僅是氣液兩相分界面處的那一部分，如果槽中無冷卻管之類的附件，槽中液體的溫度可看作是均勻一致的。因此，分界面以下液位深處的液氨，由于液柱的作用使靜壓升高，所以進(jìn)入過冷狀態(tài)。離分界面越遠(yuǎn)，液氮過冷深度越深。

為了避免液氮流量測量時(shí)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，選用下面的設(shè)計(jì)和安裝方法將是有效的。

①選用壓力損失較小的儀表。例如有一液氨流量測量對象的最大流量為40m3/h，選用DN50渦街流量計(jì)時(shí)的最大壓力損失為0.02MPa，比選用DN50渦輪流量計(jì)的壓力損失(為0.025MPa)小。

②合理選擇安裝位置。流量傳感器RZ-LWGQ蒸汽渦輪流量計(jì)安裝位置應(yīng)選擇在槽的底部出口管道上。在保證直管段的前提下，與槽的出口處應(yīng)盡量近些。這樣，液氨在輸送過程中，可減少經(jīng)輸送管道從大氣中吸收熱量。同時(shí)，安裝位置應(yīng)盡量低些，這樣可提高過冷深度。

③將調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)后面。圖3.52所示的流程中，氨中間槽與氨分離器之間有較大壓差，此壓差絕大部分降落在調(diào)節(jié)閥上。液氨流過此閥時(shí)，壓力突然降低，一定數(shù)量的液體汽化，從而出現(xiàn)氣液兩相流。為了避免流過流量計(jì)的流體中存在兩相流，節(jié)流閥必須裝在流量計(jì)下游。如果氨分離器的液相出口配有切斷閥，則正常測量時(shí)必須將切斷閥開足。在現(xiàn)場曾經(jīng)發(fā)生過切斷閥逐漸關(guān)小的同時(shí)，流量計(jì)示值不僅不下降反而大幅度升高的情況，就是因?yàn)榍袛嚅y關(guān)小時(shí)，液氨迅速汽化，體積膨脹數(shù)十倍到數(shù)百倍，從而使輸出與體積流量成正比的速度式流量計(jì)輸出突然升高，出現(xiàn)短時(shí)間的虛假指示。

④提高過冷深度。潤中儀表科技有限公司提出了該公司生產(chǎn)的RZ-LUH型渦街流量計(jì)壓力損失和不發(fā)生氣穴現(xiàn)象的管道壓力計(jì)算公式，即

式中 Δρ——壓力損失， MPa；

ρ——液體的密度， kg/m3；

V——流速， m/s；

p——最低管道壓力(絕對壓力)， MPa；

ρ——流體的飽和蒸氣壓(絕對壓力)， MPa。

如果能滿足式(3.102)的要求，肯定能不產(chǎn)生氣穴，但是在使用現(xiàn)場往往滿足不了這一要求，幸運(yùn)的是該公式的第二項(xiàng)提供了解決問題的另一個(gè)方法，即降低液體的飽和蒸氣壓。從前面分析可知，對于一種確定的液體，其飽和蒸氣壓ρ0是其溫度的函數(shù)，溫度越低P0越低。液氮在進(jìn)流量計(jì)前，經(jīng)適度冷卻，使溫度降低，從而如降低，這樣，盡管流量計(jì)進(jìn)口壓力不變，也能收到不產(chǎn)生氣穴的效果。

冷卻進(jìn)流量計(jì)的液氮在氨廠不是一件難事，只要將流量計(jì)前一定長度的管道改為夾套管，并引入少量的液氨經(jīng)節(jié)流膨脹，汽化后的氨溫度降低，為管中的液氨提供冷量，汽化后的氨放出冷量后進(jìn)回收系統(tǒng)。流程示意如圖3.53所示。