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煤氣流量計計量儀表選型的探討
1.問題的提出
隨著經濟的發展,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量直接關系到煤氣廠的生產成本管理和煤氣銷售公司的經濟利益,因此,煤氣流量的準確可靠的計量是煤氣計量的基本要求。
在煤氣廠煤氣計量中,計量儀表必須能克服下述3個比較突出的難點問題:
1.1煤氣測量中易產生的堵塞問題
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過凈化處理,但仍然含有細小灰塵和焦油等,很容易黏附、堆積于計量儀表的檢測通道中,使儀表不能正常工作,甚至堵塞檢測儀表,使儀表失效。儀表檢測通道堵塞不便于疏通修復。
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用戶用氣的低峰期相比,煤氣流量相差可能達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量流量計),在用氣低峰期煤氣流速很低。
 
2.傳統儀表計量方法
過去我國的管道煤氣流量計量儀表幾乎都采用差壓法孔板流量計。孔板測量法遇到的第一個問題就是取源管線堵塞的問題,運行一段時間后精度就下降,甚至無法工作。為了適應臟污流體的流量計量,一些流量計生產廠家開發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量煤氣流量,通過定期清洗,來保持儀表正常工作。孔板流量計還有一個突出的局限性:量程比太小,一般為3:1。用一臺流量計不能克服煤氣流量變化范圍大的問題,為了適應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,配備相應的二位式開關閥,根據煤
氣流量的實際大小來操作開關閥,控制每根管道內煤氣的流速以保證測量精度。很顯然,這樣的孔板計量系統結構復雜,體積龐大,工程投資費用很高,運行維護工作量大(導壓管還必須定期更換),再加上孔板流量計的一些固有缺點(如壓力損失大等),一些煤氣廠非常希望能選用一種新的測量儀表來取代孔板流量計。
 
3.渦街流量計計量方法
與孔板流量計相比較,渦街流量計具有量程比較大、測量精度高、壓力損失小等優點,對于大口徑管道采用帶球閥的插入式蝸街流量計,可實現不停氣檢修,所以有些煤氣廠用他來替代孔板流量計。采用渦街流量計也有下述幾個值得注意的問題:
3.1檢測孔道堵塞
從目前國內外蝸街流量計的發展情況看,zui早的渦街流量計均要通過較小的孔道將旋渦發生體兩側交替產生的壓力變化信號引到檢測元件,很容易導致堵塞,且很難清洗,這種蝸街流量計只適用于測量比較干凈的介質,不適于用來測量煤氣流量。近兩年蝸街流量計的結構獲得改進,檢測元件內置于旋渦發生體中,不接觸被測介質,應用范圍比較廣泛。
3.2要求較高的流速
為保持流量系數的穩定,一般要求較高的雷諾數(如Re>5000),為了保證測量精度,流體流速不能太低,對于大口徑的蝸街流量計,要求測量煤氣的zui低流速一般為7.2m/s。但基于安全的考慮,管道內煤氣的流速上限為8~12m/s,當煤氣用量偏小時,流速下降,zui低可達0.5m/s,很顯然嚴重偏離渦街流量計對流速的要求。若要解決這一問題,必須設置一套龐大的多管測量系統。
3.3要求管道無振動
由于煤氣輸出管道往往直接與煤氣加壓機出口相連,管道振動較大,盡管采用具有一定防振的渦街流量計,管道振動仍會導致干擾信號的產生。
 
4.熱式氣體質量流量計計量方法
孔板和渦街流量計測量值均對應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償措施來保證測量精度。
熱式氣體質量流量計測量值對應于氣體的質量流量或標準狀態下的體積流量,不需進行溫度壓力補償修正,現以某公司生產的工業插入式氣體質量流量計為例,來說明這種流量計的工作原理和應用前景。
4.1工作原理及特性
熱式氣體質量流量計的前身是熱線風速儀,經過一系列的改進,結合現代的微電子技術,使這種流量計能用于其它流量計難以勝任的測量條件和環境。
熱式氣體質量流量計是利用插入流體中的加熱元件與流動的氣體之間的對流換熱的原理而制成的。由插入流體的兩檢測元件(探頭)組成,較短的探頭用于測量氣體的溫度,較長的探頭為加熱換熱元件,兩元件都是用鉑絲繞制的鉑電阻,外面帶不銹鋼護套。
流量計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,這時加熱功率和被氣體帶走的熱量處于平衡狀態。加熱換熱元件與氣體的熱傳遞關系式為:
式中
H—單位時間內加熱換熱元件被帶走的熱量;
K—氣體的導熱率;
T—加熱換熱元件的表面溫度;
To—氣體的操作溫度;
L—加熱鉑絲的長度;
ρ—氣體的操作密度;
Cp—氣體的定壓比熱;
v—氣體的流速;
d—加熱鉑絲的外徑。
當煤氣成分一定時,K和Cp是常數,具體的流量測量系統確定后,L,ρ,d也是常數,只要保持溫差(T-To)恒定,則質量流量因子ρv是H的單值函數,因為質量流量G=ρvA(A為被測管道的橫截面積),此時v為氣體在單位時間內的平均流速,因此,質量流量G與H成單值函數關系。
根據物理學可知:H=I²R(T)保持加熱換熱元件的表面溫度一定時,電阻R(T)為定值,因此,質量流量G與加熱電流成單值函數關系。加熱電流I的測控可通過帶反饋的惠斯通電橋電路實現。該儀表對低流速有很高的靈敏度。可測的zui低流速達0.05m/s。
 
5.熱式氣體質量流量計的應用特點
熱式氣體質量流量計具有防爆結構,應用于管道煤氣的流量計量有一系列顯著的優點:
1)檢測元件的結構簡單,外形類似于溫度計套管,不存在堵塞檢測通道的問題。檢測元件表面的臟污容易清除,采用帶球閥插入的安裝方式,可實現不停氣檢修,維護工作量小。
2)量程比特別大,可達1000:1。可測的氣體流速范圍為0.05m/s~50m/s,因此,只需一臺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,不必像孔板或渦街流量計那樣設置多管測量系統,具有投資省,可靠性高的特點。
3)儀表精度高。儀表的精度等級為1級,穩定性好,重復性誤差不超過滿量程的0.2%。
 
6.結論
通過以上分析可知,熱式氣體質量流量計能夠同時克服在煤氣廠煤氣計量中,困擾用戶多年的3個比較突出的問題,具有其它流量計所沒有的獨特的優點。
熱式氣體質量流量計不僅可用于煤氣廠煤氣計量,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、鍋爐房預熱器的空氣流量等重要而又難以精確測量的場合。具有很高的應用價值。
 


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