0 引言
在工业生产中，对于单组分气体、组分和组分含量恒定的气体的测量，采用差压式或速度式流量计，并进行温压补偿，就可以得到精确的测量；而采用热式质量流量计无需温压补偿，测量精度也较高。对于变组分的混合气体的测量，以上方法都难以克服因组分含量变化引起的密度变化对测量的影响[1-2]。
在N2O减排装置中，待分解的富含N2O的工艺原料气是多组分的混合气体，其流量是减排工艺的主要参数。目前，原料气流量测量采用的是差压式阿牛巴流量计，并对其进行了温压补偿。由于该气体的密度除了受温度和压力的影响外，还随各组分体积含量的变化而变化，这样，气体的密度就不能得到完全补偿，从而产生很大的测量误差。
本文从气体流量测量中的密度补偿角度出发，探讨了通过采用组合仪表的方式[1]，对工艺原料气流量进行补偿的两种实用方法。
1 工艺及原料气测量简介
N2O减排装置是采用巴斯夫（BASF）公司的催化分解技术、引进德国史道勒（STEULER）公司工艺包新建的装置，旨在减少惰性温室气体N2O的排放。
己二酸装置的排放废气指的是N2O减排装置入口处待处理的工艺原料气，其主要成分包括N2、N2O和微量的O2、CO2、H2O等气体，而N2O气体的含量在25%v/v~60%v/v之间，正常工况下其含量为38.4%v/v。
以前直接把排放大气的废气作为原料气引入到CDM装置，与来自空气压缩机的空气进行稀释混合，并在一定浓度控制下，经充分混合升温后进入N2O减排反应器中进行催化分解反应。在己二酸生产过程中，每小时产生约5330kg的N2O气体，经N2O减排装置处理后，95%的N2O被分解为N2和O2。其反应方程式如下：
由上式可知，工艺原料气的流量是一个非常重要的参数，它的大小直接影响着实际N2O的减排量和转化率的计算。入口工艺气的仪表测量示意图如图1所示。
图1 入口工艺气的仪表测量示意图
图1中：AT2304为N2O浓度分析仪；PT2304为压力变送器；TT2311为温度变送器；FT2303为阿牛巴流量计。FT2303通过测量差压（一次元件为阿牛巴流量计）来测量气体标准体积流量，并通过TT2311和PT2304对气体的密度进行温压补偿，其公式如下[3]
（1）
式中：QN为标态下的体积流量，Nm3/h。
通过FT2303测得的流量和AT2304测得的N2O浓度，就可计算出工艺进料气体中N2O的流量，并且以同样的测量方法可以计算出CDM装置尾气中N2O的流量，从而计算出N2O气体的实际转化率和实际排放量的大小。
综上所述，原料气的流量和浓度是减排工艺中最重要的两个测量参数。
2 原料气流量测量误差
由于原料气是一种变组分的混合气体[4]，虽然进行了温压补偿，但气体中主要组分N2O的体积含量（浓度）变化范围很大（25%~60%）。在设计工况中，N2O含量为38.4%，但现在已达52%，并且随上游己二酸装置的工况变化而变化。因此，即使在相同的温度压力下，气体的密度也会发生很大的变化，而这种密度的变化是温压补偿无法补偿的。从工艺物料平衡表可查得原料气中不同的气体组分及其体积含量，这些组分主要有N2O、N2、O2、CO2及H2O，以及其他微量组分（主要包括各种烷类）。工艺设计的正常工况参数包括：操作温度为15°C、操作压力为0.21MPa（绝压），主要组分在三种负荷下的体积含量（或浓度）及对应的混合气的密度如表1所示。
表1 工艺物料平衡表
从物料平衡表可以看出，三种负荷下原料气的N2O浓度分别为25%v/v、38.4%v/v、60%v/v，虽然温度（15°C）和压力（0.21MPa）都是相同的，但密度却各不相同，分别为1.483kg/Nm3、1.572kg/Nm3、1.707kg/Nm3。表1中所给出的气体密度是标准状态（0°C、760mm汞柱）下的密度，转换成工况下的密度如下[5]。
式中：TN、PN分别为标准状态下的温度（0°C）和压力（760mm汞柱）；TO、PO分别为操作状态下的温度（15°C）和压力（0.21MPa）；ρ38.4为正常工况下的密度，也为阿牛巴流量计计算量程用的介质设计密度ρO。
计算最小密度和最大密度相对设计工况的密度偏差如下：
由于密度的偏差而造成的流量偏差可由下式计算得到，即：
当Δρ/ρO很小时，可得Q'=Q（1+1/2´Δρ/ρO）即：
（2）
所以，N2O浓度在25%v/v~60%v/v内变化将会造成很大的流量测量偏差，其偏差范围为：
因此，要想对变组分的原料气流量进行精确测量，需要更好的测量方法或对由浓度变化引起的密度偏差进行补偿。
3 流量精确测量方法探讨
3.1 应用流量计组合的方法
该种方法是采用差压式仪表和速度式仪表组合的方式，是推导式质量流量测量方法的一种应用。通过推导可知，这种应用可以使流量的测量与介质密度无关，适用于需要精确计量混合气流量的场合。
目前我厂N2O减排装置工艺原料混合气的测量采用的是插入式阿牛巴流量计（管道直径DN=250mm），属于差压式仪表。我们只要再安装一台插入式涡街流量计（速度式仪表，通过测量旋涡街频率来测量流量），无需进行温压补偿，就能通过组合运算测出质量流量，从而转换出标准体积流量。阿牛巴、涡街流量计组合测量方式如图2所示。
图2 组合测量示意图
图2中：ΔP为阿牛巴输出差压，kPa；f为涡街频率，pulses/h；Q为气体流量，m3/h；为气体密度，kg/m3。
阿牛巴流量计是通过测取差压来测量流量的，用公式表示为[6]：
（3）
阿牛巴设计差压量程（ΔPm）对应的满刻度流量可用下式表示：
（4）
式中：ρO为设计密度。
（5）
涡街流量计是通过测取介质的涡街频率来测量流量的，可表示为[7]：
（6）
涡街流量计设计频率量程（fm）对应的满刻度流量可表示为：
（7）
则：
（8）
由于
（9）
式中：Q为同一管道流量。若：
（10）
两台流量计满刻度流量相同的情况下，有：
（11）
将式（5）除以式（8），并整理得：
且由于
式中：QN、QNm为标态流量和满刻度流量；QNm、ρN为常数。因此，得出：
（12）
式中：QNP为相对标准体积流量；ΔPP、fP分别为相对差压和相对频率。
式（12）表明，只要设计的两个流量计的满刻度值相同，就可表述为标准体积流量信号等于阿牛巴流量计差压信号与涡街流量计频率信号之比。式中的ΔPP和fP分别为阿牛巴流量计和涡街流量计以4~20mA输出所对应的差压和频率信号，是一个0~100%的百分数信号。该公式与仪表常数无关，便于DCS组态，只需标定气体标态体积流量的满刻度值，读取两个流量计的信号并进行除法运算即可。
从上述推导公式可以看出，阿牛巴流量计和涡街流量计组合测量流量，与气体密度无关，不受气体密度因工况的变化而变化的影响，能够精确地测量变组分气体的流量。这是推导式质量流量测量方法的一种，属于ρQ2变送器和Q变送器的组合（差压式仪表和速度式仪表的组合）方式，《化工测量及仪表》（范玉久主编）一书曾作过介绍，但很少得到应用。实际上，采用孔板差压流量计和涡街流量计组合或阿牛巴流量计和涡街流量计组合来测量变组分气体流量，是既经济又易实施的解决方案。这种方法也可用来测量单组分气体，虽需多安装一套流量仪表，但可省掉温压测量仪表，从经济性和适用性来看也是可行的。另外，用两台不同类型的流量仪表组合测量流量，还有一个很大的优点，即两台仪表的测量值可以相互比照，并且即使有一台仪表故障，仍可以参照另一台仪表的测量值来维持生产，起到了相互备用的作用。
3.2 组合方法
采用阿牛巴流量计并进行温压补偿的方法测量流量时，N2O浓度的变化还会带来很大的测量误差。因此，鉴于用浓度分析仪对该气体进行了N2O浓度测量，且信号也引入了DCS系统，可以在阿牛巴流量计进行温压补偿的基础上，再进行浓度补偿。通过对表1的分析发现，N2O和N2占的组分比重很大。因此，密度的变化也主要由这两种气体的浓度变化而引起的。经过进一步验证，气体的密度与N2O浓度基本呈线性关系，这样我们就可把N2O浓度作为另一个变量引入，再进行N2O浓度对气体密度的补偿。流量计、分析仪组合测量示意图如图3所示。
图3 流量计、分析仪组合测量示意图
图3中：C为N2O浓度，v/v；ρO为N2O浓度等于38.4%时的密度，即ρ38.4，kg/m3；ρc为实际N2O浓度下的密度，kg/m3。
前面已计算过在T=15°C、P=0.21MPa工况下三种浓度的气体密度分别为：ρ25=2.923（kg/m3）、ρ38.4=3.098（kg/m3）、ρ60=3.364（kg/m3）。即N2O浓度变化范围为25%-60%，其对应的密度变化范围为2.923~3.364。
密度与浓度的近似函数曲线如图4所示。
图4 密度与浓度的近似函数曲线
原料气的N2O浓度变化主要是由N2浓度变化引起的。因此，原料气的密度变化与N2O浓度变化基本呈线性关系（经多点验算也已证实），从而决定进行线性化处理。
则近似线性公式为：
用线性公式验证浓度为38.4%（密度为3.098）的点如下：
此点绝对误差为ρO-ρc=3.098-3.092=0.006；相对误差为1-ρc/ρO=1-0.998=0.002
经浓度补偿的流量就可表示为：
式中：QN、Q（T，P）皆为用百分数表示的流量；Q（T，P）为只进行温压补偿的流量。
经过对多点数据的验证，密度的线性化误差大约为0.2%，对流量的影响大约为0.1%，完全能够满足测量的要求。
经以上计算分析得出，这种补偿方式比较适合我厂N2O减排装置，因为工艺原料气的N2O浓度与其密度基本呈线性关系（否则需要逐点标定，用折线法来实现），我厂也已经安装了浓度分析仪。所以，这既保证了工艺原料气流量测量的准确性，又降低了投资成本。当DCS组态时，只要读取原有的原料气流量信号和浓度信号，并按推导公式作进一步运算就能很容易实现。由于分析仪比较昂贵，所以第二种方案在其他场合未必适用。
4 结束语
由于目前还没有合适的测量变组分气体流量的专用测量仪表，所以只能把混合气体当作单组分气体来测量，准确性很低。上述两种解决方案无论是经济性还是实用性都是可行的，至于具体采用哪种测量方案，要根据化工生产过程的要求和特点来决定，既要考虑经济性，也要考虑实际生产需要。
参考文献
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