一、提問
液氮、液氧、液化天然氣等極低溫流體流量如何測量?
二、解答
(1)極低溫流體的定義
工業(yè)上的極低溫流體一般是指在大氣壓力下沸點為-50℃以下的流體。
代表性的極低溫流體有LNG(液化天然氣)、LN2(液氮)、LO2(液氧)、液化乙烯、液氫、液氦以及這些低溫氣體。LPG(液化石油氣)不包括在極低溫流體內(nèi)。
(2)極低溫流體流量測量的特點
①容易引起狀態(tài)變化
構(gòu)成極低溫流體(以液化天然氣為例)的物質(zhì)具有表2.64所示的物理常數(shù)。這些流體通常以飽和狀態(tài)儲存在絕熱的儲存容器里。用泵升壓、送出，開始過程處理，并反復進行加壓、減壓。在此過程中，飽和狀態(tài)的極低溫流體一會兒變?yōu)檫^冷狀態(tài)，一會兒變?yōu)榉序v狀態(tài)，狀態(tài)容易變化。因此，配管設(shè)計和流量計設(shè)計需要采取措施。
②有因濃縮而出現(xiàn)的物態(tài)變化
液化天然氣是由表2.64所示的物質(zhì)組成的混合物。由于從外部向儲存容器或配管內(nèi)加熱，所以，先從甲烷開始蒸發(fā)，發(fā)生稱為濃縮的如圖2.65所示那樣的成分變化。液化天然氣的成分物質(zhì)甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液態(tài)密度如圖2.66所示。由于濃縮，液化天然氣的液態(tài)密度變大，所以測量流量時必須修正密度。
③對材料有限制
金屬材料在極低溫度下的屈服點、拉伸強度、延伸率、沖擊試驗值等機械性質(zhì)與常溫下有很大不同。在極低溫下，金屬材料的拉伸強度上升，但延展性降低，沖擊值也隨材料而顯著下降。因此，在極低溫下所使用的儀器的材料，應(yīng)是有充分抗破壞韌性的材料，使之不引起脆性破壞，這些材料就叫做低溫材料。但是，現(xiàn)在使用的最一般的材料有不銹鋼、鋁合金、90%的鎳鋼、35%的鎳鋼(鎳鐵合金)。表2.67示出了低溫材料的機械性質(zhì)。
④要求考慮因冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力、間隙的變化后進行設(shè)計。
由于流體溫度極低，用金屬材料設(shè)計測量儀表時，必須充分考慮冷縮的影響。
⑤需要預冷
如果使極低溫流體急劇地流入處于溫暖狀態(tài)的配管和儀器的局部，則不能控制從法蘭漏出極低溫流體，這樣，配管和儀器會產(chǎn)生異常應(yīng)力，有被破壞的危險。因此，必須進行預冷作業(yè)，冷卻到所定的溫度狀態(tài)，然后開始使用。
⑥ 必須注意因高凝固點物質(zhì)的凝固而產(chǎn)生故障。
開始使用前，如果不消除水分、油分，那么，在極低溫下，固化的水分、油分、二氧化碳等會增大可動部分的摩擦，使過濾器堵塞，發(fā)生故障。
⑦在氣液分界面引起對流
在氣液分界面內(nèi)產(chǎn)生的對流，會出現(xiàn)微弱的脈動現(xiàn)象，發(fā)生因煙霧而產(chǎn)生的故障。
(3)流量測量儀器的種類
目前使用最多的極低溫流體的流量測量儀器是孔板流量計，可靠性也最高，設(shè)計和制造時應(yīng)注意下列事項:
①材料采用316L；
②為了防止冷縮引起的流體泄漏，建議采用焊接方法連接，孔板和管道采用相同材質(zhì)；
③多孔孔板在液化天然氣等極低溫度流體的流量測量中具有優(yōu)勢，因為可能生成的氣體可以從孔板上部的小孔中順暢地流向下游，而不致在孔板前積氣。
