1.問題的提出
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,城市管道煤氣日益普及,煤氣廠煤氣流量的計(jì)量直接關(guān)系到煤氣廠的生產(chǎn)成本管理和煤氣銷售公司的經(jīng)濟(jì)利益,因此,煤氣流量的準(zhǔn)確可靠的計(jì)量是煤氣計(jì)量的基本要求。
在煤氣廠煤氣計(jì)量中,計(jì)量?jī)x表必須能克服下述3個(gè)比較突出的難點(diǎn)問題:
1.1煤氣測(cè)量中易產(chǎn)生的堵塞問題
由于煤氣制造的原料和工藝的不同,目前我國煤氣廠出廠煤氣雖然經(jīng)過凈化處理,但仍然含有細(xì)小灰塵和焦油等,很容易黏附、堆積于計(jì)量?jī)x表的檢測(cè)通道中,使儀表不能正常工作,甚至堵塞檢測(cè)儀表,使儀表失效。儀表檢測(cè)通道堵塞不便于疏通修復(fù)。
1.2煤氣流量變化范圍大的問題
用戶集中用氣的高峰期與晚上少數(shù)用戶用氣的低峰期相比,煤氣流量相差可能達(dá)20多倍。
1.3供氣主管口徑大,煤氣流速低
基于安全的考慮,管道內(nèi)煤氣的流速上限為8~12m/s,由于煤氣用氣量大,工作壓力不高,供氣主管口徑比較大(因此不能采用科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)),在用氣低峰期煤氣流速很低。
2.傳統(tǒng)儀表計(jì)量方法
過去我國的管道煤氣流量計(jì)量?jī)x表幾乎都采用差壓法孔板流量計(jì)?？装鍦y(cè)量法遇到的**個(gè)問題就是取源管線堵塞的問題,運(yùn)行一段時(shí)間后精度就下降,甚至無法工作。為了適應(yīng)臟污流體的流量計(jì)量,一些流量計(jì)生產(chǎn)廠家開發(fā)了可不停氣拆卸清洗的孔板,一些煤氣廠已用這種新型孔板來計(jì)量煤氣流量,通過定期清洗,來保持儀表正常工作?？装辶髁坑?jì)還有一個(gè)突出的局限性:量程比太小,一般為3:1。用一臺(tái)流量計(jì)不能克服煤氣流量變化范圍大的問題,為了適應(yīng)煤氣流量變化大的要求,需在總管上并接若干條分管道,于分管道上安裝孔板流量計(jì),配備相應(yīng)的二位式開關(guān)閥,根據(jù)煤氣流量的實(shí)際大小來操作開關(guān)閥,控制每根管道內(nèi)煤氣的流速以保證測(cè)量精度。很顯然,這樣的孔板計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,工程投資費(fèi)用很高,運(yùn)行維護(hù)工作量大(導(dǎo)壓管還必須定期更換),再加上孔板流量計(jì)的一些固有缺點(diǎn)(如壓力損失大等),一些煤氣廠非常希望能選用一種新的測(cè)量?jī)x表來取代孔板流量計(jì)。
與孔板流量計(jì)相比較,渦街流量計(jì)具有量程比較大、測(cè)量精度高、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于大口徑管道采用帶球閥的插入式渦街流量計(jì),可實(shí)現(xiàn)不停氣檢修,所以有些煤氣廠用他來替代孔板流量計(jì)。采用渦街流量計(jì)也有下述幾個(gè)值得注意的問題:
3.1檢測(cè)孔道堵塞
從目前國內(nèi)外渦街流量計(jì)的發(fā)展情況看,zui早的渦街流量計(jì)均要通過較小的孔道將旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生的壓力變化信號(hào)引到檢測(cè)元件,很容易導(dǎo)致堵塞,且很難清洗,這種渦街流量計(jì)只適用于測(cè)量比較干凈的介質(zhì),不適于用來測(cè)量煤氣流量。近兩年渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)獲得改進(jìn),檢測(cè)元件內(nèi)置于旋渦發(fā)生體中,不接觸被測(cè)介質(zhì),應(yīng)用范圍比較**。
3.2要求較高的流速
為保持流量系數(shù)的穩(wěn)定,一般要求較高的雷諾數(shù)(如Re>5000),為了保證測(cè)量精度,流體流速不能太低,對(duì)于大口徑的渦街流量計(jì),要求測(cè)量煤氣的zui低流速一般為7.2m/s。但基于安全的考慮,管道內(nèi)煤氣的流速上限為8~12m/s,當(dāng)煤氣用量偏小時(shí),流速下降,zui低可達(dá)0.5m/s,很顯然嚴(yán)重偏離渦街流量計(jì)對(duì)流速的要求。若要解決這一問題,必須設(shè)置一套龐大的多管測(cè)量系統(tǒng)。
3.3要求管道無振動(dòng)
由于煤氣輸出管道往往直接與煤氣加壓機(jī)出口相連,管道振動(dòng)較大,盡管采用具有一定防振的渦街流量計(jì),管道振動(dòng)仍會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)的產(chǎn)生。
孔板和渦街流量計(jì)測(cè)量值均對(duì)應(yīng)于氣體工況下的體積流量,由于煤氣的工作壓力變化較大,煤氣的密度也有較大的變化,因此還必須采取溫壓補(bǔ)償措施來保證測(cè)量精度。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值對(duì)應(yīng)于氣體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,不需進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償修正,現(xiàn)以某公司生產(chǎn)的工業(yè)插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)為例,來說明這種流量計(jì)的工作原理和應(yīng)用前景。
4.1工作原理及特性
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的前身是熱線風(fēng)速儀,經(jīng)過一系列的改進(jìn),結(jié)合現(xiàn)代的微電子技術(shù),使這種流量計(jì)能用于其它流量計(jì)難以勝任的測(cè)量條件和環(huán)境。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是利用插入流體中的加
熱元件與流動(dòng)的氣體之間的對(duì)流換熱的原理而制成的。由插入流體的兩檢測(cè)元件(探頭)組成,較短的探頭用于測(cè)量氣體的溫度,較長(zhǎng)的探頭為加熱換熱元件,兩元件都是用鉑絲繞制的鉑電阻,外面帶不銹鋼護(hù)套。
流量計(jì)由其控制電路使加熱換熱元件加熱到高于氣體溫度,通過改變加熱電流,保持加熱換熱元件溫度與氣體溫度之差恒定,這時(shí)加熱功率和被氣體帶走的熱量處于平衡狀態(tài)。加熱換熱元件與氣體的熱傳遞關(guān)系式為:
H=K(T-T0)L[1+(2πPCp Lvd :K)1/2]
式中H—單位時(shí)間內(nèi)加熱換熱元件被帶走的熱量;
K—氣體的導(dǎo)熱率;
T—加熱換熱元件的表面溫度;
T—氣體的操作溫度;
L——加熱鉑絲的長(zhǎng)度;
p—氣體的操作密度;
Cp—氣體的定壓比熱;
υ—氣體的流速;
d—加熱鉑絲的外徑。
當(dāng)煤氣成分一定時(shí),K和Cn是常數(shù),具體的流量測(cè)量系統(tǒng)確定后,L,p,d也是常數(shù),只要保持溫差(T-T0)恒定,則質(zhì)量流量因子ρυ是H的單值函數(shù)因?yàn)橘|(zhì)量流量G=ρυA(A為被測(cè)管道的橫截面積),此時(shí)υ為氣體在單位時(shí)間內(nèi)的平均流速,因此,質(zhì)量流量G與H成單值函數(shù)關(guān)系。根據(jù)物理學(xué)可知:H=I²R(T)保持加熱換熱元件的表面溫度一定時(shí),電阻R(T)為定值,因此質(zhì)量流量G與加熱電流l成單值函數(shù)關(guān)系。加熱電流Ⅰ的測(cè)控可通過帶反饋的惠斯通電橋電路實(shí)現(xiàn)。該儀表對(duì)低流速有很高的靈敏度。可測(cè)的zui低流速達(dá)0.05m/s。
5.熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)具有防爆結(jié)構(gòu),應(yīng)用于管道煤氣的流量計(jì)量有一系列顯著的優(yōu)點(diǎn):
1)檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,外形類似于溫度計(jì)套管,不存在堵塞檢測(cè)通道的問題。檢測(cè)元件表面的臟污容易清除,采用帶球閥插入的安裝方式,可實(shí)現(xiàn)不停氣檢修,維護(hù)工作量小。
2)量程比特別大,可達(dá)1000:1?？蓽y(cè)的氣體流速范圍為0.05m/s~50m/s,因此,只需一臺(tái)儀表就可完全滿足一般煤氣廠的輸出總管的流量變化范圍和流速的變化特征,不必象孔板或蝸街流量計(jì)那樣設(shè)置多管測(cè)量系統(tǒng),具有投資省,可靠性高的特點(diǎn)。
3)儀表精度高。儀表的精度等級(jí)為1級(jí),穩(wěn)定性好,重復(fù)性誤差不超過滿量程的0.2%。
6.結(jié)論
通過以上分析可知,熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)能夠同時(shí)克服在煤氣廠煤氣計(jì)量中,困擾用戶多年的3個(gè)比較突出的問題,具有其它流量計(jì)所沒有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)不僅可用于煤氣廠煤氣計(jì)量,還可用于以煤為原料的合成氨工藝中變換工段凈化氣流量、鍋爐房預(yù)熱器的空氣流量等重要而又難以精確測(cè)量的場(chǎng)合。具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
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