[导读] 介绍了新型差压装置——内文丘里管的结构、测量原理、技术性能；根据差压式流量计的测量原理，建立了计算酸气流量的数学模型，并将内文丘里管流量计成功地应用于酸气流量的测量。
0 引言
含硫天然气进入天然气净化厂净化处理后向用户输送干净天然气，从含硫天然气中脱出的被称为酸气的混合气体主要含硫化氢和二氧化碳（占酸气总体积量的95%左右），该气体中的硫化氢是一种具有较强腐蚀性和毒性的物质。因此，必须对混合气体进行硫回收处理，即将混合气体与空气严格按一定的比例（由流量控制）进行密闭燃烧，生成硫磺；剩下的气体再经多级催化反应后生成硫磺。剩余的废气（主要是二氧化碳和少量的二氧化硫）排入大气。为了减少对大气的污染，要求硫磺回收率尽量高，二氧化硫排放量尽量少。要提高硫磺回收率，除了采取其他措施外，酸气流量的准确测量也是一个关键。以前测量酸气流量用孔板流量计，由于酸气具有较强的腐蚀性，孔板流量计使用一段时间后孔板入口边缘受到严重的腐蚀而造成流量测量误差增大；另外，酸气对管道腐蚀后产生的固体物常常堵塞引压管使流量计无法正常工作。我们在技改中用内文丘里管流量计替换孔板流量计，较好地解决了这个问题。
1 内文丘里管简介
内文丘里管由一圆形测量管和置入测量管内并与测量管同轴的特型芯体所构成，其结构示意图见图1（a），特型芯体结构示意图见图1（b）。特型芯体是一个几何旋转体，它由前圆锥6、中圆柱7和后圆锥8组成，上述三段轴向长度比例及圆锥和圆锥台的夹角，依测量条件的不同而不同。特型芯体与测量管内圆之间形成一环形过流通道，其轴向过流横截面面积的变化规律和经典文丘里管轴向过流横截面面积的变化规律相同，并与测量管内表面之间构成一个异径环形过流缝隙。它是新型差压式节流装置，其基本测量原理与标准孔板相同，即以能量守恒定律-伯努力方程和流动连续性方程为基础的流量测量方法。根据差压式流量计这一基本测量原理，当充满管道的流体流经内文丘里管时，流体在节流部位造成局部收缩，从而使流速增加，静压力下降，在节流件前后产生静压力差（简称差压），流体的流速越大，形成的差压也越大，流体流经内文丘里管的流动与节流过程同流经经典文丘里管时相似，通过测量差压，便可得知流体流过内文丘里管的流量大小。内文丘里管的这种结构特点，使之在使用过程中不存在类似孔板节流件的锐缘磨蚀、积污问题，长期使用引压管也不易堵塞，同时能对节流前管内流体速度分布梯度及可能存在的各种非轴对称速度分布进行有效的流动调整（整流），对上游直管段长度的要求大大降低，从而实现了高准确度与高可靠性的流量测量。
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内文丘里管正因为有以上特殊结构，所以具有以下一些特性：
·测量准确度高，流出系数不确定度优于±0.5%；
·测量稳定性好，流出系数长期保持恒定，检定周期长；
·测量范围度（量程比）宽，不用二次修正，在规定的准确度范围内，即可达到10:1以上的量程比；
·对介质适应能力强，不仅适用于各类普通液体、气体和蒸汽，还能测量高压、低压流体，高腐蚀性流体及各种脏污的流体，不积污、不易堵塞引压管；
·对上下游直管段要求低，一般上游≥3D，下游≥1D（D为测量管内径）即满足要求，能有效避免或减少测量系统的附加测量不确定度；
·压力损失小，压力损失为测量差压的1/5左右（约为孔板压损的1/3），节约能源；
·耐介质压力可达10MPa以上；
·耐介质温度600℃以下；
·选用特殊材料或材料表面经特殊处理，具有很好的耐腐蚀能力；
·适用测量管直径为25～1500mm；
·适用雷诺数范围宽，当ReD≥4X103 时即可满足上述流出系数不确定度要求。
2 数学模型的建立
用内文丘里管测量酸气流量的关键是建立流量计算数学模型，根据内文丘里管的特性，ISO5167：2003（E）《用安装在充满流体的圆形截面管道中的差压装置测量流量》中的流量计算基本公式完全适用于内文丘里管流量计，即质量流量计算公式为
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操作条件下体积流量计算公式为
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式中：C为流出系数；ε为可膨胀性系数；β为等效直径比；d为节流孔等效直径，mm；△p为气流流经芯体时产生的压差，kPa；ρ1为酸气在操作条件下节流装置上游取压孔处的密度，kg/m3。
根据GB/T 1314-1991《流量测量仪表基本参数》规定，计量体积流量采用绝对压力pn=101.325kPa和热力学温度Tn=293.15K作为标准参比条件。计算标准参比条件下体积流量时应使用标准参比条件下的气体密度，所以计算公式为
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因酸气是混合气体，酸气在标准参比条件下的密度计算公式为
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式中：ρn为酸气在标准参比条件下的密度，kg/m3；ρNI为酸气中i组分在标准参比条件下的密度，kg/m3；xi为酸气中i组分在标准参比条件下的摩尔分数，由分析获得。
那么，酸气在操作条件下的密度计算公式为
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式中：p为酸气在操作条件下节流装置上游侧取压孔的绝对压力，MPa；T为酸气在操作条件下的气流热力学温度，K；Z为酸气在操作条件下的压缩因子；Zn为酸气在标准参比条件下的压缩因子。
将公式（3）和（5）进行简化，得
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因为酸气的压力较低（酸气的操作压力一般在0.08MPa以下），Zn近似等于Z，所以Zn/Z近似等于1，同时，令
Avn=5.9744*10-5，流量计信息网内容图片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/moijjzvirg1.gif" border=0>；那么，（6）式可写作
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式中：Avn为体积流量计量系数；E为渐近速度系数。
其它符号的意义与前述公式相同。公式（7）即为计算酸气流量的实用公式。
根据内文丘里管的结构，节流孔等效直径
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式中：D为测量管内径，mm；dv为芯体圆柱段直径，mm。
可膨胀性系数ε由实验数据确定。经实验数据推导得出以下计算公式：
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式中：k为等熵指数。
在常压下，等熵指数变化较小，酸气中主要含硫化氢和二氧化碳，经查验硫化氢和二氧化碳的等熵指数均在1.3左右，这里取1.3。
等效直径比β计算公式为
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因为酸气的操作温度不高，所以测量管和芯体的材料线膨胀系数可以不考虑，即D和d不再进行温度修正。这样，内文丘里管测量酸气流量的全部计算公式就建立起来了。
3 实施
实施过程中，先根据酸气流量的范围、压力和温度计算内文丘里管的芯体直径和变送器量程，这项工作一般由制造商完成，用户只需要提供必要的参数即可；由于酸气的腐蚀性较强，内文丘里管应选用全不锈钢材料或表面经特殊处理的材料制作，随着电子数控加工技术的广泛应用，对于这种特殊形体的加工精度的保证已变得非常容易了；由于内文丘里管目前还没有国际标准和国家标准，因此使用前应对流出系数进行标定，将流出系数值提供给用户。现场安装的要求与孔板流量计相同，这里不再叙述；因为不计算气体的压缩因子，所以流量计算程序的编制较为简单，这里也不再赘述。整套酸气流量测量系统组成示意图如图2所示。
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4 结束语
内文丘里管酸气流量测量系统已使用近一年的时间，计量系统稳定，从未出现数据异常波动的情况，也未出现引压管堵塞现象；2005年设备大修时对内文丘里管的内表面进行检查，未发现表面结垢和腐蚀，经水流量标定，流出系数不确定度仍满足0.5%。由此可见，该流量计能满足高腐蚀性气体（酸气）流量的测量，因为它的特殊结构，有效地解决了芯体积污和引压管路堵塞问题，使用效果良好。需要说明的是，由于使用时间较短，防腐蚀性能、防积污和引压管路堵塞能力等只是一个初步的结论，还需通过进一步试验验证。从目前使用效果看，该流量计具有较好的应用前景。