流量計:蒸汽流量計|污水流量計|明渠式流量計|電磁流量計|靶式流量計|渦街|渦輪|流量積算儀

精信測器

 

3.2  氣體流量的測量

需要測量流量的氣體種類繁多,本節討論其中最常見的空氣、城市煤氣、天然氣和組分變化的氣體?捎脕頊y量氣體流量的儀表種類繁多,本節結合四種典型氣體重點討論差壓式(含均速管)、渦街式、旋進渦街式、超聲式、氣體渦輪、氣體腰輪式流量計的應用。

3.2.1   壓縮空氣流量測量

壓縮空氣是企事業單位重要的二次能源,大多由電能或熱能經壓縮機轉化而來。當空氣壓力值要求較低時,則由鼓風機產生。對由大量能源轉化而來的工質進行管理,以收到節約能源和提高設備管理水平的效果,是壓縮空氣流量計量的主要目的。

在化工等生產過程中,有一種重要的工藝過程氧化反應,它是以空氣作原料,和另外某種原料在規定的條件下進行化學反應?諝赓|量流量過大和過小,都會對安全生產、產品質量和貴重原料的消耗產生關鍵影響。在這種情況下,空氣流量測量精確度要求特別高,多半還配有自動調節。

鍋爐和各種工業爐窖中的燃燒過程,其本質也是氧化反應,對助燃空氣流量的測量,雖然準確度要求不像化工生產中的氧化反應那樣高,但對環境保護和經濟燃燒、節約燃料也有重要意義。

(1)       空氣流量測量的特點

①振動大。并非每一臺空氣流量計都安裝在振動大的場所。但是安裝在壓縮廠房和鼓風機房的空氣流量計都得考慮振動問題。這種振動主要來自壓縮機和鼓風機,機器的振動通過空氣管道或風管可以傳到很遠的地方。其中振動最大的要數往復式壓縮機,大型往復式壓縮機運行時產生的振動往往帶動廠房和周圍地面一起振動,對相關空氣流量計的準確而可靠的運行帶來威脅。它引發杠桿式差壓變送器支點移動而使儀表產生示值漂移。振動導致渦街流量傳感器產生同振動頻率相對應的干擾信號,引起流量示值大幅度偏高。

②氣體帶水。壓縮空氣取自大氣,而大氣中總是含有一定數量的水蒸氣。水蒸氣的含量用水蒸汽分壓ps表示。大氣中的水蒸氣飽和分壓是大氣溫度的函數(見表3.4)。在雨天和霧天,室外大氣中的水蒸氣分壓達到飽和程度,即相對濕度達到100%,這時將大氣壓縮就如同壓迫吸足水的海綿,隨著體積的縮小,就有相應數量的水析出。這是壓縮空氣所以帶水的簡單原理。在晴好的天氣,大氣相對濕度較低,但隨著其被壓縮,體積縮小到原來的幾分之一后,水蒸氣分壓會相應升高,也有可能進入飽和狀態而析出水滴。

表3.4   空氣中水分飽和含量

空氣溫度t/℃

0

10

20

30

40

50

飽和水蒸氣壓力ps/kPa

0.6080

1.2258

2.3340

4.2463

7.3746

12.337

飽和水蒸氣密度р/(kg/m3)

0.0048

0.0094

0.0173

0.0304

0.0512

0.083

用來測量壓縮空氣流量的較大口徑孔板流量計,孔板前常有積水,要影響測量準確度。引壓管線中常有一段水,導致差壓變送器測到的差壓同節流裝置所產生的差壓不一致。這些都是空氣帶水引起誤差的常見原因。除此之外,由于城區大氣中氮氧化物含量較高,使得壓縮空氣所含水滴呈酸性,引起環室表面腐蝕、管道內壁腐蝕,使其表面變得粗糙。腐蝕產生的氧化鐵在一定條件下變干燥時,很容易從管內壁脫落而被氣流帶到孔板前,這也會對流量示值產生影響。所以在停車檢修時,應將這些粉狀和塊狀的垃圾予以清除。

③脈動流。壓縮機和鼓風機出口流體多數包含一定的脈動。例如往復式壓縮機,表現為半波脈動,如圖3.13所示。在現場可觀察到壓縮機和鼓風機的出口壓力有明顯擺動。其中正(定)排量鼓風機出口脈動頻率較高,一般有幾十赫茲,而往復式壓縮機出口脈動頻率較低,一般為幾赫茲。流動脈動引起差壓式流量計、渦街流量計 等多種流量計示值偏高,引起浮子式流量計中的浮子上下跳動。消除和減弱流動脈動對流量計示值影響的常用方法有兩個,一是在壓縮機出口設置一只緩沖罐濾除脈動,而將流量計安裝在緩沖后面。實際上往復式壓縮機的的系統都是這樣設計的;二是將流量計安裝在遠離脈動源的地方,這樣可利用工藝管道的氣容同其管阻構成低通濾波器衰減脈動。

圖3.13流動脈動典型波形

(2)儀表選型   能夠用來測量空氣流量的儀表有多種,但是在現場實際使用的空氣流量計,按其原理分,種類并不多。最主要的有玻璃浮子流量計、節流式差壓流量計、渦街流量計和均速管流量計等。

①浮子流量計。 浮子流量計在中型和小型實驗裝置上使用很廣泛,這是因為浮子式流量計簡單、直觀、價格低廉,適合作一般指示。浮子流量計有玻璃錐管型和金屬錐管型兩大類,玻璃錐管型的不足之處是耐壓不高和玻璃錐管易碎,另外,流體溫度壓力對示值影響大。一般可根據流體實際溫度和壓力按式(3.28)進行人工換算。式中由于引入рn,在被測氣體不為空氣時,也可利用該公式進行換算。

qv= qvf                      (3.28)

          式中  qv――實際體積流量,Nm3/h;

                qvf――儀表示值,m3/h;

                ρn――被測氣體在標準狀態下的密度,kg/Nm3;

                ρan――空氣在標準狀態下的密度,kg/Nm3;

                Tn、Pn――氣體在標準狀態下的絕對溫度、絕對壓力;

Tf、Pf――氣體在工作狀態下的絕對溫度、絕對壓力。

②節流式差壓流量計。節流式差壓流量計在空氣流量測量中有著悠久的歷史。在新穎流量計大量涌現的形勢下,節流式差壓流量計盡管有范圍度窄,安裝維護麻煩以及壓力損失大等重大缺點,但在振動較明顯的壓縮機房、鼓風機房,它仍然是可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強的首選儀表。

用節流式差壓流量計測量空氣流量最重要的是要處理好節流件前積水、變送器高低亞室內積水以及引壓管線中積水問題。

a.節流件前積水問題。解決節流件前積水最簡單的方法是節流件的下部開疏液孔。但是空氣管道不像蒸汽管道那樣清潔。在蒸汽管道中因為與管道內壁接觸的是水蒸氣,而水蒸氣在發生過程中一般都經過除氧工序,因此蒸汽中基本不含氧,經長期使用的蒸汽管,其內壁可能僅沉積微量的灰色粉末,除此之外不會有鐵銹。而空氣管道內則全然不同,灰塵和氧化鐵難以避免,有時疏液孔被堵死。在停車檢修時拆下節流裝置,發現節流件正端平面上有積水的痕跡,就是證據。

徹底消除節流件前積水的方法是將節流裝置安裝在垂直工藝管上,或改用圓缺孔板或偏心孔板。其中,偏心孔板不確定度較小,優于圓缺孔板。

b.差壓變送器高低壓室內積水問題。圖3.14(a)所示是典型的節流式差壓流量計信號管路安裝圖,在被測流體為濕氣體時,冷凝液理應不會進入差壓變送器高低壓室,但從現場反饋信息來看,實際情況是有時還會有微量水滴進入高低壓室,。變送器差壓范圍較低時,此微量水滴會引起儀表零點的明顯漂移。有些差壓變送器設計有兩個排放口,打開下排放口就可將凝液順利排出。但是早期變送器只有中部的一只排放口,打開此口無法將高低壓室內的凝液排凈,最后只得將變送器拆下,將凝液沖信號輸入口中傾倒出來。

 高低壓室內積液的現象,經進一步分析,應該是變送器上方的一段管路由于環境溫度變化將信號管中的水蒸氣冷凝而沿著信號管往下流入高低壓室。

防止冷凝液流入高低壓室最簡單易行的方法是消除變送器上方的一段信號管路,將信號管路從下方引入變送器,如圖3.14(b)所示,這樣,即使高低壓室內有微量冷凝液,也能依靠其自身重力沿著管路自動流回母管或沉降器。實踐證明,這一方法是有效的。

c.引壓管路內積水問題。在測量濕氣體時,雖然安裝信號管路已按照規程的要求保持坡度,可以避免冷凝液在信號管路內聚集。但在某些情況下,積水現象仍難以避免,其原因如下所述                  

圖3.14被測流體為濕氣體時信號管路安裝示意

  圖3.15是環室取壓節流裝置安裝在垂直工藝管道上時信號管路的規定安裝方法。假設工藝管道中氣體自下而上流動,那么,負壓信號管路中可以保證沒有凝液,因為信號管路內的凝液能暢通無阻地流回工藝管道,而正壓信號管情況就不同了。因為正壓信號是從均壓環引出地,被測濕氣體中的凝液充滿節流裝置的正端均壓環空腔是毫無問題的(如圖3.16所示)在正壓管內氣體壓力同節流件正壓端完全相等時,U形管兩邊液位高度相等。在此基礎上,如果節流件正端壓力上升,則將均壓環空腔中的水壓向信號管路,按照流體力學關系式可知,正壓管內的壓力比節流件正端壓力低一些,其數值同U形管兩邊液位高度差相等。從而引起差壓信號的傳遞失真。

圖3.15垂直管道信號管路連接                  圖3.16正壓管內積水對壓力信號傳遞的影響

消除信號管內積水的臨時方法是掃線,依靠工藝管中的壓力足夠高的氣體將積水沖走排到管外。但不久又依然如此。

   徹底消除上面所述管內積水的方法是將節流裝置取壓方法改為法蘭lin(lin=0.0254m)取壓或D-D/2徑距取壓。

   圖3.17所示的信號管路連接方法也是有關資料中推薦的用于濕氣體流量測量的典型連接方法。但是在大管徑孔板流量計中,也存在一些問題。尤其是在雨天。霧天和大氣濕度高的季節,空氣中夾帶的水較多,水滴自下而上撞擊在節流件上,其中一部分進入均壓環的空腔,進而流入沉降器,于是沉降器很容易被裝滿,F場巡回檢查時,每天都排出很多水,如果上假日無人排污,就極有可能水滿為患。

圖3.17垂直管道信號管路連接

③渦街流量計。在無振動或無明顯振動的場所,用渦街流量計測量空氣流量,顯著的優勢是壓損小、精確度較高、范圍度較寬、維修工作量小。壓電式渦街流量計能耐受0.2g的振動。在常壓條件下,可測流速下限為6m/s。電容式渦街流量計,能耐受(0.5~1)g振動,在常壓條件下,可測流速下限4m/s。因此在振動大的場所兩種渦街流量計都不適用。與蒸汽流量測量一樣,受渦街流量計最大口徑、最大工作壓力和最高工作溫度的制約,當口徑大于400mm或流體壓力高于4Mpa(有的公司產品為6.4Mpa)或流體溫度高于420℃時,只能改用其他類型流量計。

④差壓式均速管流量計。均速管流量計對大口徑空氣流量測量具有其獨有的優勢,價格便宜、簡單可靠、安裝維修方便是其顯著的優點,是渦街流量計和節流式差壓流量計的補充。其檢測桿選擇、堵塞系數計算等將在第3.5節中討論。

(2)       濕空氣干部分流量測量問題

①濕空氣干部分流量測量的必要性。在化工生產的氧化反應過程中,一般是將空氣送入反應器,而真正參與反應的僅僅是空氣中的氧,由于空氣中的氮和氧保持恒定比例,所以測量得到進入反應器的氮氧混合物流量,也就可以計算出氧的流量。但是壓縮機和鼓風機從大氣中吸入的空氣除了氮氧成分之外(微量成分忽略不計),總是包含一定數量的水蒸汽,而且水蒸氣的飽和含量是隨著其溫度的變化而變化的。為了將氧化反應控制在理想狀態,須對進入反應器的氮氧混合氣流進行精確測量,也即將進入反應器的空氣中的水蒸氣予以扣除,得到濕空氣的干部分流量,這是濕氣體中需要測量干部分流量的一個典型例子。

②濕空氣密度的求取。濕空氣由其干部分和所含的水蒸氣兩部分組成。標準狀態下濕氣體的密度可用式(3.29)計算。

рngnsn                     (3.29)

式中  рn――濕空氣在標準狀態下(101.325kPa,20℃)的密度,kg/m3;

рgn――濕空氣在標準狀態下干部分的密度,kg/m3;

 рsn――濕空氣在標準狀態下濕部分的密度,kg/m3;

工作狀態下濕空氣的密度可按式(3.30)計算。

               ρf=ρgf+ρsf              (3.30)

 рf――濕空氣在工作狀態下的密度,kg/m3;

ρgf――濕空氣在工作狀態下干部分的密度,kg/m3;

ρsf――濕空氣在工作狀態下濕部分的密度,kg/m3;

        ρgf和ρsf分別按式(3.31)和式(3.32)計算。

                         ρgf=ρgn          (3.31)

                         ρsf=                           (3.32)

式中 f――工作狀態下濕氣體相對濕度,0~100%;

  psfmax————工作狀態下飽和水蒸氣壓力;

  ρsf————工作狀態下水蒸汽密度,kg/m3;

ρsfmax————工作狀態下飽和水蒸汽密度,kg/m3;

 其余符號意義同式(3.28)。

③不同原理流量計測量濕空氣干部分流量時的計算公式

 a.頻率輸出的渦街流量計。頻率輸出的渦街流量計用來測量濕空氣流量時,其輸出的每一個脈沖信號都代表濕空氣在工作狀態下的一個確定的體積值。這時,要計算濕空氣中的干部分,只需在從工作狀態下的體積流量換算到標準狀態(101.325kPa,20℃)下體積流量時,從總壓中扣除水蒸氣壓力,如式(3.33)所示。

qvg=qvf

   =3.6          (3.33)

式中   qvg——濕空氣干部分體積流量,Nm3/h;

   qvf——濕空氣工作狀態下體積流量,m3/h;

    f——渦街流量計輸出頻率,P/s(1P=0.1Pa·s);

    Kt——工作狀態下流量系數,P/L。

b.模擬輸出的渦街流量計。模擬輸出的渦街流量計用來測量濕空氣的干部分流量時,只有工作狀態(pf、 f、Tf、Zf)與設計狀態(pd、 d、Td、Zd)一致時,無需補償就能得到準確結果。如果有一個或一個以上  不一致,可用式(3.34)進行補償。

        qv=Aiqmax=    (3.34)

 式中  Ai———渦街流量計模擬輸出,%;

qmax————流量測量上限,Nm3/h;

pd————設計狀態濕空氣絕壓,kPa(Mpa);

* d——設計狀態濕空氣相對濕度;

psdmax————設計狀態濕空氣中飽和水蒸氣壓力,與pd單位一致;

Td————設計狀態濕空氣溫度,K;

Zd————設計狀態濕空氣壓縮系數。

c.差壓式流量計。用差壓式流量計測量濕空氣的干部分流量要進行兩方面的計算個是工況變化引起的工作狀態下濕氣體密度的變化對測量結果的影響,另一個是扣除濕空氣中的水蒸氣并換算到標準狀態下的體積流量。將式(3.31)和式(3.32)代入式(3.30)得

ρf=        (3.35) 

式中,符號意義同式(3.29)~式(3.32)。

  濕空氣的干部分流量可用式(3.36)計算

                q′v=qv            (3.36)

式中 q′v——濕空氣的干部分流量實際值,Nm3/h;

  qv————濕空氣的干部分流量計算值Nm3/h;

 其余符號意義同式(3.35)

    其中рf由式(3.35)計算得到。

 

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