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        插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

        2012-02-27 02:27:34林曉毅
        化工與醫(yī)藥工程 2012年2期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量質(zhì)量

        林曉毅

        (中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司,上海 200120)

        1 前言

        隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng),對(duì)生活、工業(yè)上廢水、廢氣排放的檢測(cè)和控制也越來(lái)越重視。對(duì)于廢液的監(jiān)控,可以采用電磁流量計(jì);但是由于環(huán)保廢氣的多粉塵、混合組分及要求低壓損、防爆、防腐蝕的特點(diǎn),監(jiān)控儀表相對(duì)難選。一般的流量?jī)x表有壓損,要求氣體介質(zhì)相對(duì)純凈,如果采用高級(jí)儀表,價(jià)格偏高,所以,在精度要求不是很高的場(chǎng)合,可以采用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

        2 插入式熱式流量計(jì)測(cè)量原理及流量計(jì)算

        熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用傳熱原理,即流動(dòng)中的流體與熱源(流體中加熱的物質(zhì)或測(cè)量管外加熱體)之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表,目前主要用于測(cè)量氣體。熱式流量?jī)x表用得最多有兩類(lèi),一是利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì),曾稱(chēng)量熱式TMF;另外一類(lèi)是利用熱消散(冷卻)效應(yīng)的金氏定律TMF,又由于結(jié)構(gòu)上檢測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi),也稱(chēng)插入型或侵入型。插入型的工作原理及流量計(jì)算如下:

        如圖所示,插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)由兩個(gè)電阻溫度計(jì)組成傳感器,一個(gè)測(cè)溫探頭,感受流體溫度T2;另一個(gè)電阻溫度計(jì)由電路加熱到溫度T1,用來(lái)測(cè)量流體帶走的熱量變化,亦稱(chēng)測(cè)速探頭。T1高于T2,并保持ΔT恒定,即ΔT = T1-T2。當(dāng)流體流經(jīng)傳感器時(shí),由于測(cè)速探頭的自身溫度T1高于測(cè)溫探頭感受的溫度即流體溫度T2,流體便帶走了測(cè)速探頭上的一部分熱量(高溫向低溫傳遞),使T1下降。電路為保持ΔT恒定,便增加對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率,使ΔT = T1-T2恒定。流體帶走測(cè)速探頭上多少熱量,電路便增加相應(yīng)數(shù)量的電功率,兩者之間存在著一個(gè)函數(shù)關(guān)系[1]。設(shè)對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率為P,流體的質(zhì)量流量為Q,則根據(jù)流體流過(guò)測(cè)速探頭時(shí)所帶走的熱量與對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率相對(duì)應(yīng)的原理,得到下列關(guān)系式:

        (注:式中B、A為常數(shù))

        式(1)中,

        因此,可以通過(guò)測(cè)量加熱功率P,來(lái)測(cè)量帶走這部分熱量的流體的質(zhì)量流量。由于帶走著部分熱量的是流體的分子,所以,測(cè)速探頭直接測(cè)量的是流體的質(zhì)量流速ρν,此時(shí),只要乘上管道的橫截面積,就可以得到流體的質(zhì)量流量了。由于氣體流過(guò)探頭時(shí)帶走熱量和氣體的質(zhì)量流量成比例關(guān)系,也和探頭間溫差有關(guān),流量越大,兩探頭之間溫差越小,氣體質(zhì)量流量與溫差之間的聯(lián)系通過(guò)質(zhì)量流速ρν建立[1]。

        式中:Qm — 質(zhì)量流量,kg/s;

        Κv — 測(cè)量頭儀表系數(shù);

        α — 速度分布系數(shù);

        β — 阻塞系數(shù);

        γ — 干擾系數(shù);

        Α — 儀表表體(測(cè)量管道)的內(nèi)橫截面積,m2;

        ρν — 質(zhì)量流速,kg/(m2? S)。

        圖10是基坑與斜拱樁基承臺(tái)邊緣凈距從5 m變化到20 m時(shí),水平推力斜拱樁基對(duì)基坑圍護(hù)樁水平位移影響深度圖,對(duì)圖10的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,擬合曲線滿(mǎn)足式(2)的線性關(guān)系:

        基于上述原理,對(duì)于大管徑的流量測(cè)量來(lái)說(shuō),雖無(wú)相應(yīng)的大管徑標(biāo)定裝置來(lái)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,但只要在標(biāo)準(zhǔn)口徑的標(biāo)定裝置上測(cè)定相應(yīng)的質(zhì)量流速,也就可方便地測(cè)量出大管徑中流體的質(zhì)量流量了。

        圖 插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理圖

        由于兩個(gè)傳感器都是用性能穩(wěn)定的金屬鉑材料通過(guò)特殊工藝密封在316L不銹鋼管或抗酸、堿腐蝕的K2760哈氏合金或鉑套管中制成,因此極為堅(jiān)固,并不會(huì)污染被測(cè)流體或受被測(cè)流體污染,且其抗腐蝕性能相當(dāng)好。

        3 熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)

        當(dāng)前TMF大部分用于測(cè)量氣體,只有少量用于測(cè)量微小液體流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)具有性能可靠、無(wú)可動(dòng)部件、安裝方便,壓損小、量程比寬(可達(dá)1000∶1)、靈敏度高等特點(diǎn)[2],特別適用于大管徑、低流速,非圓截面管道、現(xiàn)場(chǎng)空間狹窄處測(cè)量等特殊工況,在環(huán)境保護(hù)和過(guò)程工業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速,例如:污水處理過(guò)程中發(fā)生的氣體,燃料電池工廠各種氣體的流量測(cè)量及煤粉燃燒過(guò)程粉/氣配比控制等。

        與常用的孔板、渦街和差壓式均速管、文丘里流量計(jì)相比較,熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)有如下特點(diǎn)[2][3]:

        (1)直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,不需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償;

        (2)一次元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,采用不銹鋼或特種合金外殼覆蓋,不怕臟污或腐蝕,不存在堵塞問(wèn)題,且表面臟污極易清除。帶不斷流裝拆裝置,可實(shí)現(xiàn)不停氣裝拆,清洗維修,簡(jiǎn)便易行;

        (3)量程比特大,可達(dá)1000∶1,可測(cè)流速范圍0.1 m/s~60 m/s,完全覆蓋一般工業(yè)廢氣及煤氣廠輸出總管中的流速范圍。因而只需在總管上裝一臺(tái)插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì),就可滿(mǎn)足計(jì)量要求。大大地節(jié)省了投資,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),方便了管理,提高了系統(tǒng)工作的可靠性;

        此外,熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)靈敏度高,尤其適合于大管徑、低流速的流量測(cè)量。且在大管徑中使用,其性能價(jià)格比更顯優(yōu)勢(shì);防爆、防護(hù)、抗腐蝕設(shè)計(jì),又使它能適應(yīng)惡劣工況,危險(xiǎn)場(chǎng)合。

        熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為一種插入式流量計(jì),由上述插入式流量計(jì)的測(cè)量公式可見(jiàn)該流量計(jì)同樣方便適用于方形管道的氣體流量測(cè)量。環(huán)保管道一般用圓形,而空調(diào)的管道很多地方為方形。孔板等很多儀表沒(méi)有測(cè)量方形管道的數(shù)據(jù),若使用插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì),不論圓形或是方形管道均可通過(guò)計(jì)算獲得,這也解決了低壓方形通風(fēng)管道的流量測(cè)量問(wèn)題。

        4 測(cè)點(diǎn)位置的選擇

        正確選擇測(cè)點(diǎn)位置是減少測(cè)量誤差的重要條件,測(cè)點(diǎn)位置選擇不當(dāng),會(huì)增加流量計(jì)的測(cè)量誤差,對(duì)于熱式氣體質(zhì)量流量計(jì),按相關(guān)資料小結(jié),其測(cè)點(diǎn)位置的選擇應(yīng)滿(mǎn)足如下要求:

        (1)盡可能保證測(cè)點(diǎn)前后直觀段的長(zhǎng)度,一般要求前≥20 D(D為被測(cè)管道內(nèi)徑),后≥10 D。管道內(nèi)的流場(chǎng)分布,只與管道系統(tǒng)有關(guān),因此,測(cè)點(diǎn)前后均應(yīng)避開(kāi)“擾動(dòng)源”。

        (2)測(cè)點(diǎn)附近無(wú)“二次流”,以避免擾亂流場(chǎng),測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)絕對(duì)避免有“回流”情況,如有,可移位安裝或安裝“止回閥”。如安裝止回閥,應(yīng)確保測(cè)點(diǎn)后直管段長(zhǎng)度≥10 D。

        (3)測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)避免被測(cè)氣體組分 (尤其是含水、含油、含塵量)的起伏變化,盡可能選擇具有“穩(wěn)定流”的測(cè)量點(diǎn)。

        (4)測(cè)點(diǎn)附近被測(cè)氣體的流速應(yīng)控制在<60 m/s的范圍內(nèi)。10 m/s~30 m/s為經(jīng)濟(jì)流速,推薦使用。易燃易爆氣體應(yīng)控制在安全流速范圍內(nèi)。

        5 測(cè)點(diǎn)前后直管段與測(cè)量精度

        環(huán)保廢氣管道管徑大,很多都無(wú)法保證直管段的要求,那么,測(cè)量精度會(huì)因?yàn)橹惫芏蔚臏p小而降低。如儀表廠的樣本注明熱式質(zhì)量流量計(jì)可達(dá)到±1%的精度,直管段是前/后為20D/10D,如果現(xiàn)場(chǎng)條件不允許,無(wú)法選到滿(mǎn)足要求的測(cè)點(diǎn)時(shí),精度會(huì)降低。我們建議其工程處理可以采用在允許誤差范圍內(nèi)適當(dāng)減少直管段的方案,參考標(biāo)準(zhǔn)孔板直管段減少與誤差增加的原則來(lái)估算。

        熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的直管段對(duì)誤差的影響沒(méi)有權(quán)威的數(shù)據(jù),而標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘里等有數(shù)據(jù)。根據(jù)中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自控安裝圖冊(cè)HG/T 21581-2010的資料整理成表,供大家參考。

        環(huán)保工程目前因?yàn)殡y測(cè)量,儀表價(jià)格貴,很多地方?jīng)]有測(cè)量,故我們認(rèn)為適當(dāng)增加誤差(保證系統(tǒng)誤差在±1.5%~±2%之內(nèi)),選用性?xún)r(jià)比高的熱式質(zhì)量流量計(jì)還是可取的。

        表 β(d/p) = 0.5,90℃彎頭時(shí)的直管段要求

        當(dāng)然我們希望有關(guān)方面能做一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù),以使用戶(hù)更放心,亦可在很多行業(yè)推廣應(yīng)用。

        6 用戶(hù)訂貨時(shí)要注意的問(wèn)題

        如果熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的有關(guān)樣本比較簡(jiǎn)單,用戶(hù)在選用時(shí)還要向制造廠了解清楚下列問(wèn)題:

        (1)傳感器中探頭的插入深度與氣體管道的管徑有關(guān),制造廠有什么建議長(zhǎng)度(注:一般大管道要插入到1/4管徑處,即平均流速點(diǎn);小管道要插入到管中心)。

        (2)傳感器的探頭插入深度是否可調(diào)整,用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)如何調(diào)整。

        (3)由于插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)探頭的保護(hù)套用材較少,對(duì)強(qiáng)腐蝕介質(zhì)可選用高級(jí)耐腐蝕金屬材料,比起其它流量計(jì)價(jià)格升高較少,以更好地發(fā)揮插入式氣體質(zhì)量流量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

        [1] 陸德民. 石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000, 105-112.

        [2] 鞏愛(ài)華,馬金權(quán),朱成偉. 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理分析及應(yīng)用[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2002,18(3):75-80.

        [3] 陳洪祥. 新一代熱式質(zhì)量流量計(jì)[J].自動(dòng)化儀表, 2001, 22(12):31-32.

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