[导读] 通过对离子膜烧碱生产线工况条件分析，提出了在浮子流量计结构中增加阻尼装置等措施。实践表明，采用阻尼装置的金属管浮子流量计，完全能够实现在气液混合双相介质工况条件下的离子膜烧碱生产线的流量测量。
1 问题的提出
近年来，我国化工行业中采用离子膜法制碱工艺发展很快，前几年该装置大多为全套进口，包括在线的各种仪表。现在从设备到仪表逐渐国产化，这样既能保证质量，同时可以节约大量外汇。
西北某大型化工厂在建成试生产阶段就发现安装在阴、阳两极管道上的两台浮子流量计工作不正常，指针总在摆动，无法读数；输出电流信号也不稳定，难以实现预期的工艺流程调节与控制目标等，以至影响了正常投产。
经现场观察和分析认为：阴极、阳极两条管道中被测量的介质均为既不均匀、比例又不固定的气、液双相介质；而流量计则是常规型浮子流量计。
浮子流量计的工作原理之一是浮力定律，也就是与被测介质的密度有关，密度不稳定时浮子就会跳动。由于本工况液体伴有不定气体量的情况，产生脉动流，导致了流量计的上述现象。
目前各种常规流量计都不适用于气、液双相介质，而工艺过程的盐液及碱液流量必须加以测量和控制，即必须安装流量计。因此，选用一种可用的流量计或对现有的某种流量计进行改进设计以满足此特定工况测量要求就成为下步工作。
2 确定方案
实施方案的选择与确定至少要满足以下3点：
（1）流量计的接液零部件必须能承受阴、阳两极管道中含氯气盐液及碱液的强烈氧化和腐蚀；
（2）安装连接尺寸尽量与原流量计相同，以减少工作量；
（3）流量计自身能有效地缓冲和减少由随机产生气体带来的剧烈波动，达到可视为稳定值的读数，并且输出电流信号波动满足调节系统的要求。
按上述要求对电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、浮子流量计与差压式流量计等进行分析、比较后认为只有对金属管浮子流量计进行必要的改进才是可行的和最佳的方案。因此开封仪表厂在其原有产品基础上特殊设计了一种金属管浮子流量计。
3 特殊设计的实施
该浮子流量计应实施3项改进设计。
3.1 耐腐蚀材料选择和防腐措施
查阅金属材料手册并结合现场其它设备材料的应用实际，阳极管道中的介质为含氯气的盐液，传感器中所有与介质接触的零件均采用钛（Ti）材制造，两法兰密封面及壳体与导管组件密封面均进行涂钯处理。
整个传感器具有良好的抗氧化及耐腐蚀性能。而阴极管道中的介质为碱液和氢气及氯气等，传感器中所有与介质接触的零件均采用不锈钢（SUS316L）材质制造，整个传感器具有良好的耐腐蚀性能。经两年多的使用证明是可行的。
3.2 连接尺寸与安装方式
由于用户的原有流量计为水平安装，这与常规浮子流量计垂直安装、流体自下而上的流向完全不同，因此必须将其设计成（水）平进（水）平出结构，由于已有管道的开档尺寸足够长，于是设计成如图1所示的浮子流量计。
3.3 最大限度地保证工作条件下流量计的稳定
就流量计自身而言，克服波动（不论是外部还是内部原因所致）的常用而有效的措施是加装阻尼器。阻尼器一般分为机械式和电（磁）式，显然对浮子流量计应首先考虑选用前者。
3.4 阻尼器的选择
按阻尼介质不同又分为液体阻尼器和气体阻尼器。
图1 特殊设计平进平出阻尼型金属霄浮子流量计
由于本应用对象中已产生和存在着气体且浮子波动幅度不十分剧烈，所以可采用活塞式气体阻尼器。另外，就阻尼器的结构位置而言可置于传感器上也可置于转换器上，但由于后者须对转换器内部结构做相当大的改动，工作量、试验量都很大。因此，确定选用前者，参见图1。应当说明，带有液体阻尼器的浮子流量计已有过设计和应用的报道，但尚无采用气体阻尼器的金属管浮子流量计信息。
3.5 阻尼器的设计
设计阻尼器必须了解和确定下列数据：
波动幅度与频率：经在现场几小时观测统计未装阻尼器的流量计的波动幅度约为15%~25%，（±7.5%~±12%）；频率约为180~350次/min。
（1）要求阻尼效果：波动幅度应不大于±2%；频率约不大于50~90次/min。当然，由于没有适当的仪器进行定量检测，所以阻尼的最终效果是否达到预期目标，一定程度上还应通过实际应用由现场技术和操作人员判断和认定。
（2）依照上述实际工况和阻尼目标，兼顾该浮子流量计结构尺寸、钛材管料规格等，求出阻尼系数之后，初步确定阻尼器结构及尺寸如图2所示。而决定阻尼效果的阻尼室与阻尼体之间间隙的最佳尺寸必须经现场试验后才能确定。
图2 阻尼器结构及尺寸
3.6 试验室试验验证
为了初步验证这一阻尼器的效果，以阻尼管内径实测尺寸为准，精制了4组不同外径尺寸的阻尼头，使两者的配合间隙分别为0.8mm、0.6mm、0.4mm和0.2mm，分次装入特殊设计的浮子流量计进行试验。为造成浮子跳动并尽量少对水流量装置做较大变动，试验系统如图3所示。
图3 浮子流量计波动试验装置系统不意图
浮子的跳动由紧靠弯头的球阀快开、快关与水流经弯头的急剧流场变化造成，实际跳动情况借助于流量计的指针、度盘观察，也可由转换器的输出电流信号借助指针式电流表观测。
试验时流量计上端自然存有空气做为阻尼介质。试验方法是：初始流量置于约50%最大流量处，这时指针仍略有摆动但有满意读数（系流场不稳所致，可视为稳定），然后迅速开启（或关闭）球阀，使指针约达80%（或20%）最大流量处并记下时间，等待指针虽摆动仍有可满意读数为止，再记下时间，即可得知阻尼时间。经多次试验统计结果大致如表1所示：
表1
间隙（mm）
0.8
0.6
0.4
0.2
阻尼时间（s）
5-6
4-5
2-4
3-5
从上述试验结果可以看出后两组间隙的阻尼器效果较好。但必竟现场实际工况与试验室条件有较大差别，因此还必须进行现场试验。
4 现场试验与应用效果
2002年6月对特殊设计的浮子流量计及特制的间隙为0.3mm的阻尼体安装于现场取代原流量计进行多次试验，结果是间隙为0.3mm和0.4mm阻尼器效果最佳，原来流量计指针摆动幅度为10%~20%的同样条件换装特殊设计的流量计后，其指针摆动基本不超过6%（±3%），操作人员认为满意，可以接受，这一设计达到了预期效果。经使用一直很稳定，这就初步解决了气、液两相流流量测量的难题。
因此可以认为：这种带有阻尼器并由特种材质制造的浮子流量计是一种解决类似双相流流量测量的可行方法之一，完全可以用于离子膜烧碱工艺过程中。