羅 堯 何維廉 朱 財(cái)

（1.上海交通大學(xué)，上海200030；2.阿特拉斯·科普柯（上海）貿(mào)易有限公司，上海200000）

引言

氣體質(zhì)量流量計(jì)可以對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密測(cè)量和控制。它在多個(gè)領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)中有著重要而廣泛的運(yùn)用；本次要介紹一種熱式質(zhì)量流量計(jì)，它具有精度高，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，軟啟動(dòng)，穩(wěn)定可靠，工作壓力范圍寬等特點(diǎn)。操作使用起來(lái)方便，可以任意位置安裝，配合流量顯示儀或其他流量控制顯示儀使用，相對(duì)其他流量計(jì)來(lái)說(shuō)，熱式質(zhì)量流量計(jì)能勝任大流量和高溫介質(zhì)的測(cè)量工作要求。

1 熱式質(zhì)量流量計(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。熱式質(zhì)量流量計(jì)一般根據(jù)測(cè)量方式不一樣分為兩種：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)；另外一種是利用冷卻效應(yīng)的金氏定律，又由于結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi)，也稱為插入型或侵入型。后一種的流量計(jì)算如下：

如圖1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)）

可以從式（1）中看出P與Q具有一定的關(guān)系，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1 熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理Fig.1 Measuring Principle of Thermal Mass Flowmeter

2 空壓站房設(shè)備情況和問(wèn)題介紹

本次改造工程是某一電解鋁廠內(nèi)空壓站房，站房壓縮空氣運(yùn)用在氧化鋁各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，例如：氧化鋁粉末吹送，真空出鋁抬包，部分儀表供氣等；由于站房?jī)?nèi)的設(shè)備使用年限已經(jīng)超過(guò)了15年，機(jī)組存在漏油、漏氣等現(xiàn)象，相對(duì)于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)初期，由于機(jī)組效率持續(xù)下降，導(dǎo)致產(chǎn)氣量不足，已經(jīng)給生產(chǎn)過(guò)程造成嚴(yán)重影響；本次改造共涉及兩個(gè)空壓站房，站房一中有一臺(tái)某國(guó)產(chǎn)單軸離心空氣壓縮機(jī)，站房二中有三臺(tái)某國(guó)產(chǎn)活塞空氣壓縮機(jī)。

表1 各空壓機(jī)的銘牌主要參數(shù)Table1 Main Parameters of the Compressor Nameplate

在改造前期，由于生產(chǎn)廠無(wú)法較準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)際用氣量大小，同時(shí)由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，效率下降，直接按照老機(jī)組銘牌額定氣量來(lái)進(jìn)行升級(jí)改造，可能會(huì)造成新機(jī)組選用過(guò)大，增加不必要的初期投資和運(yùn)行成本，所以，建議生產(chǎn)廠對(duì)每臺(tái)壓縮機(jī)的流量進(jìn)行測(cè)量。但是，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于活塞壓縮機(jī)的排氣溫度超過(guò)150攝氏度，第一次采用板孔式流量計(jì)測(cè)量時(shí)，由于流量計(jì)橡膠圈無(wú)法耐高溫，導(dǎo)致流量測(cè)量失敗。

3 質(zhì)量流量計(jì)選型

由于第一次采用板孔流量計(jì)測(cè)量方案失敗，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，第二次采用熱式質(zhì)量流量計(jì)方案，本次采用的是TY－I熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，它采用熱擴(kuò)散原理，即流過(guò)熱源的流體分子多少與熱量散失的多少成正比。產(chǎn)品使用進(jìn)口原裝傳感器，在流體測(cè)量方面擁有獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠在惡劣的條件下對(duì)氣體進(jìn)行測(cè)量，在可靠性、重復(fù)性和精確性方面設(shè)立了新的標(biāo)準(zhǔn)，并能夠在危險(xiǎn)的地區(qū)安裝使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，特選用以下兩種儀表，選型數(shù)據(jù)如下：

表2 空壓機(jī)流量測(cè)試選用儀表Table2 Instruments for the Compressor flow test

4 流量計(jì)的安裝與測(cè)量

經(jīng)過(guò)與流量計(jì)廠家溝通，流量計(jì)的安裝主要要注意兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是對(duì)儀表前后的直管段的要求，按照流量計(jì)廠家建議，如圖2所示，L至少為8D，其中D為管路直徑，流量計(jì)安裝位置前直管段長(zhǎng)度不少于5D，后直管段長(zhǎng)度不少于3D；經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)尺寸測(cè)量，4臺(tái)空氣壓縮機(jī)的排氣管路上都有合適的位置和開(kāi)孔供熱式質(zhì)量流量計(jì)安裝；另外一個(gè)問(wèn)題是安裝時(shí)要注意流量計(jì)探頭的插入深度不少于25mm，如圖3所示，改尺寸為儀表廠家建議深度；儀表按照安裝要求被正確安裝以后，接通儀表電源；做前期調(diào)試校核以后進(jìn)行滿負(fù)荷開(kāi)機(jī)測(cè)量。

圖2 質(zhì)量流量計(jì)安裝位置Fig.2 Installation location for Mass flowmeter

圖3 質(zhì)量流量計(jì)安裝深度Fig.3 Installation depth for Mass flowmeter

由于流量計(jì)出廠時(shí)是采用氮?dú)鈽?biāo)定，質(zhì)量流量的單位規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)立方每分鐘，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)規(guī)定為：溫度0攝氏度；氣壓為101325Pa，在對(duì)空氣流量進(jìn)行測(cè)量以后需要通過(guò)氣體質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行換算，將質(zhì)量控制器顯示出的流量讀數(shù)，乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)1.006，即可得到被測(cè)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的質(zhì)量流量。空壓機(jī)單臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

5 新型空壓機(jī)的選型

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可知空壓站在滿負(fù)荷時(shí)的總最大流量為：Q＝207.5＋55.3＊3＝373.5Nm3/min；考慮在測(cè)試過(guò)程中的偏差，在此氣量的基礎(chǔ)上乘以5%的系數(shù)得到最終的總氣量為393Nm3/min，壓力采用5.5barA.所以可以選用兩臺(tái)額定氣量220 Nm3/min，額定排氣壓力為5.5barA的多軸離心空壓機(jī)作為替代機(jī)型。

表3 流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)Table3 Flowmeter tests data

多軸離心式空氣壓縮機(jī)整機(jī)效率高，適合大氣量，低、中壓工況。用戶現(xiàn)場(chǎng)為6KV電壓，按照電費(fèi)每度0.6元計(jì)算一年電費(fèi)運(yùn)行成本：

表4 運(yùn)行成本分析Table4 Operation costs analysis

由此可見(jiàn)一年運(yùn)行下來(lái)，新的多軸離心空壓機(jī)將節(jié)省電費(fèi)412萬(wàn)元，那么也就意味著一年之后即可收回此次投資成本。

6 結(jié)語(yǔ)

本文討論了熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理，安裝，選型，測(cè)量過(guò)程中的問(wèn)題，結(jié)合流量測(cè)量對(duì)空壓站房的設(shè)備升級(jí)工程做了分析，通過(guò)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比，我們可知多軸離心式空壓機(jī)在此類空壓站房升級(jí)改造工程中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 林曉毅.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.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2012（2）.