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气体流量计选型应用
发布时间:2020-7-7 08:13:20

摘要:检测仪表的合理选型正确使用不仅是工艺生产的需要,也是节能降耗的需要。本文仅对玻璃生产线常见的气体流量计的选型与应用进行一些探讨。
  玻璃生产线(含全氧燃烧、富氧燃烧、特种玻璃、深加工玻璃线等)常有些气体介质的流量需要测量,如助燃风、调温风等冷却风、压缩空气、惰性气、氮气、氢气、氧气、天然气、液化气、蒸汽等。以最常见的风流量计的选型应用为例,按时期先后大致如下:节流差压式流量计(标准节流孔板、文丘里,管等),涡街流量计,差压式流量计(均速管流量计),热式质量流量计,节流差压式流量计(弯管流量计),节流差压式流量计(多孔孔板平衡流量计)等。几种流量计各有优缺点,下面对它们进行一-些分析探讨,以期合理选型正确使用。
1标准节流差压式流量计
  标准节流孔板及文丘里管等典型的节流差压式流量计,是传统最常见的流量计。基于流体连续性原理和流体力学能量守衡原理,遵从伯努利定律。标准节流式流量计的基本公式为:
质量流量:M=α?Ad(2ρΔP)1/2
体积流量:Q=M/p=α?Ad(2ρΔP)1/2
式中:α为流量系数;?为流束膨胀系数;Ad为工作状态下节流件开孔面积;ρ为节流件.上游侧取压处流体密度,标准节流件上、下游侧规定的取压孔位置上所测得的静压力之差。
以孔板流量计为例,推导得其应用公式为:
Q=0.01252α?k,d2(ΔP/ρ)1/2(3)
  当孔板流量系数α、流束膨胀系数ε、管道与孔板材料热膨胀校正系数k1、流体密度ρ及孔板节流孔径d近似视为常数C时,流体流量Q与孔板前、后的压力差ΔP的平方根成正比,公式简化为:
Q=CAP2(4)
  孔板流量计优点是经典成熟,一次测量元件构造较简单,便于制造加工。缺点是压力损失大,差压信号较小,量程比小,一般为3:1,要求直管段长,需要占用较长的工艺管路,无法在线拆装检修,检测件和管路安装较麻烦,需另外配套差压变送器,大口径管路流量测量时,无论是性/价比还是安装方面考虑均不可取。
  当流体实际工况(密度、成分、压力、温度等)较多地偏离设计计算参数时,将引入很大的测量误差;当孔板前、后的直管段长度不满足规定要求时也会导致较大的测量误差(为了保证标称的测量精度,近年的新标准对直管段长度有加长的趋势),孔板加工精度、变形、节流孔入口边缘磨损变钝等也影响测量精度。此外,安装使用不当,也会附加测量误差。比如孔板中心与管道中心不同心,管道内表面不光洁,管道变形或内径偏离设计计算取值,上、下游取压管不-致(高度、阻力、受热等),取压管路、接头、阀门泄漏或堵塞,配套差压变送器误差等。
  标准孔板或文丘里管流量计在浮法玻璃生产线上有一些应用,但由于压力损大,不利于节能降耗,工艺管路又往往较难获得测量所需的足够长的直管段,不能在线拆装检修,加上要配套取压管路和差压变送器,安装相对较麻烦,压力、温度变动较大时若不采取自动补偿则误差很大,故后来采用得较少。对于大口径低压力风管流量测量更不宜采用。
从节能降耗的角度考虑,建议尽量少选用标准节流孔板等流量计,改选压力损失小的其它新型流量计。
2涡街流量计
  涡街流量计(旋涡流量计)属流体振动流量计,基于Karman卡i门]涡街效应原理。流体在非流线型阻挡物(旋涡发生体)后的两侧会产生两列交错排列的旋涡。旋涡分离的频率f与阻挡物侧面的流速V成正比,与阻挡物的迎流面宽度d成反比,遵从下列公式:
其中st为Strouhal斯特劳哈尔数,雷诺数在一定区段范围内s,是常数。
由压电元件测得频率f,便可测得工况流速V,管道有效截面积4已知,进而可获得流体流量。
  其测量是基于漩涡频率,因而不存在零点和量程的漂移问题;输出与工况流量成正比,不受流体密度、成分、压力、温度等影响,但若转换为标况流量,则也要进行压力、温度修正。已有一体化涡街质量流量计。插入式涡街流量计无须占用工艺管段。安装简单,维护使用方便,无堵塞之虑。国内外在不少场合用涡街流量计取代传统孔板、涡轮流量计等。
  涡街流量计量程比一般为10:1,优于孔板等差压式流量计,但不及热式流量计。其测量下限值取决于是否产生漩涡(流体黏度是主内因)和漩涡强度是否足够(流体密度是主内因)。一般不适用于低流速流体,有时不得不将工艺管道缩管,以提高流速。双发生体的涡街流量计可以测量雷诺数较低的流体。涡街流量计要求的直管段长,不适合低流速测量,怕振动。在直管段足够长、流速足够大、无较大振动的场合可选用。直管段足够长时,最好采用平均流速点法,插入深L=0.121D,测量精度几乎不受雷诺数变化的影响;直管段较短时,一般采用中心最大流速点法,插入深L=0.5D.
  在浮法玻璃生产线上,影响其被选用的主要是现场没有测量所需的足够长的直管段,环境振动和测量下限值限制等因素。
3均速管流量计
  属差压式流量计,由单点测速的皮托管演变发展而来,基于流体力学能量守衡原理,遵从伯努利定律。流体的全压(总压力)等于其动压加静压,测得流体的平均全压与平均静压之差DP,就获得流体的平均动压值。流体的平均动压即平均差压DP与平均流速V间的关系为:
V=K(20P/p)(6)
Q=AV(7)
式中:K为均速管流量系数;4为管道有效截面积。
  均速管流量计导致的流体压力损失很小,永久压力损失仅是标准孔板的5%以下,均速管结构简单,安装维护比较方便(但比涡街流量计和热式质量流量计要增加取压导压管和差压变送器),大口径管路流量测量时优点突出。各公司标称的所需直管段差异很大,有的小到2D,大的却要20D;价格差异也很大,不含差压变送器,便宜的一两千元,贵的上万元。
  均速管流量计第一代圆型截面产品缺点是互换性较差,K值欠稳定,差压信号小,取压孔有堵塞之虑。针对缺点,近十几年出现了第二代(椭圆型、扇型、菱型即宝石钻石型、子弹型、机翼型等)和第三代产品(T型)。EMERSON旗下的罗斯蒙特推出的T型专利产品,具有本质抗堵性,信噪比大,K值稳定,测量精度较高,对安装要求降低。
一些玻璃厂用户反映,均速管风流量计安装初期尚好,后期检测不正常。可能原因无外乎以下几点:
①均速管正负检测孔堵塞;或均速管未固定安装好,正压检测孔未正对流体方向。
②取压导压管泄漏或堵塞(若泄漏不仅会直接影响测量,还由于有含尘流体缓慢流动,易导致均速管内积杂尘,易堵塞)。
③阀门(含三阀组)堵塞或泄漏。
④差压变送器异常。
排除以上故障后应可恢复正常工作,无须更换流量计。
  需要提示的是,若直管段不够长,会引入测量误差。另外,若没有采用温、压自动补偿,而实际.运行工艺参数(尤其是压力)偏离均速管选用设计值较大时,将引入较大的测量误差,在助燃风等普遍采用变频调速控制的情况下此问题较突出,建议应采用温、压自动补偿。
4热式质量流量计
  热式质量流量计基于热传递原理。传感元件是封装于不锈钢套管内的2个精密热电阻RTD(一般为铂电阻),其一是流体介质温度传感元件,另一为加热兼传感元件,由它们组成惠斯登电桥的两个桥臂,控制加热传感器的加热功率,以使加热传感器和参比温度传感器间保持恒定温差Δt=t,-t.=常数。流体流过加热传感器所带走的热量和流体的流速与密度之积ρV的m次方成正比,即与流体的质量流量的m次方成正比。流体的质量流量变化时,必须同时相应改变加热传感器的加热功率,才能保持Δt不变,故测得加热功率就间接地测得流体的质量流量。检测元件总热损失E与质量流速ρV、质量流量M间的函数关系式如下:

  式中:k为流体导热系数;A,为被加热元件面积;B为传感器支撑件的自然对流、热辐射和热传导总的热传递常数(相对于介质的强制对流,传感器的自然对流、热辐射和热传导影响极小);C为.常数;d为传感器直径;μ为流体黏度;m为系数(一般m≥0.3);T,为元件表面温度;T为介质温度;A为管道有效截面积。
  热式工作原理的质量流量计几十年前就有,但获得推广应用是近十几年的事。遗憾的是目前国内售价仍太高,其实测量原理和制造工艺并不太复杂。相信随着制造商的增加和竞争的引入,其价格可望逐渐降至与涡街流量计相当。
  热式质量流量计有许多优点:一体化结构,安装方便,直接测得质量流量,不受温、压等波动影响,量程比大,压力损小,直管段要求也比较低,“能适应较恶劣环境,响应速度快(可达1s)等。尤其突出的是高量程比,一般100:1以上,甚至可达300:1,特别是在量程低端也有极高的灵敏度和精确度,这在工况参数事先不能确知的场合是很可贵的。缺点是目前价仍较高(进口产品约2万),并且长期使用也会在传感元件处黏附粉尘杂质,影响测量,需及时清洁。对于天然气、液化气、氧、氢等非空气流体(氮气接近空气,误差较小),应要求供应商按实气标定,否则误差较大。
热式质量流量计在浮法玻璃线上获得了广泛应用。
5多函数孔孔板平衡式流量计
  标准节流孔板、文丘里管等传统节流差压式流量计永久压力损大(由于死区和大量涡流),量程比小,要求直管段长,尤其不适合允许压力损小、直管段短和大口径管路的测量。
  新型的A+K多函数孔圆盘式平衡流量计BFM(BalancedFlowMeter),是美国航空航天局、马歇尔航空飞行中心深人研究、大量试验的成果,巧妙地将传统整流器和节流件一体化、创新化,虽然原理类同标准孔板等节流式差压流量计,同样遵从伯努利定律,但由于圆盘具有多个独特的函数孔,在节流同时还对流体进行整流和平衡调整,因此在减小直管段要求(最短0.5D),减小永久压力损(是传统的1/3),提高量程比(>10:1)、测量精度(优于0.5%)、稳定性(噪声是传统的1/15)、耐污堵等方面均有极大改善。还可测双向流、气液两相流、浆料甚至固体颗粒流,几乎适用于所有流体。
  缺点是由于专有技术、前期开发等因素,目前售价比较高,相信总趋势将逐渐向标准节流件价格靠拢;此外,虽然永久压力损比传统标准节流件小很多,但仍比热式、均速管等流量计压力损大,特别是用于低压流体时,其永久压力损往往高于总压力的10%以上;另外,与标准节流件一样,要配套取压管路和差压变送器,压力、温度变动较大时要采取自动补偿;大口径管路流量测量时,无论是性1价比还是安装方面考虑均无优势。
  多孔平衡式流量计将逐渐取代原来传统的标准差压式节流装置,随着价格的逐渐下降和节能降耗事业的深入发展,其在流量测量领域将有较广阔的应用前景。

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