氮氣、沼氣流量計的正確選型與應用

摘要：檢測儀表的合理選型正確使用不僅是工藝生產的需要，也是節(jié)能降耗的需要。本文僅對玻璃生產線常見的氣體流量計 的選型與應用進行一些探討。
玻璃生產線(含全氧燃燒、富氧燃燒、特種玻璃、深加工玻璃線等)常有些氣體介質的流量需要測量，如助燃風、調溫風等冷卻風、壓縮空氣、惰性氣、氮氣、氫氣、氧氣、天然氣、液化氣、蒸汽等。
以最常見的風流量計的選型應用為例，按時期先后大致如下：節(jié)流差壓式流量計(標準節(jié)流孔板、文丘里管等)，渦街流量計，差壓式流量計(均速管流量計)，熱式質量流量計，節(jié)流差壓式流量計(彎管流量計)，節(jié)流差壓式流量計(多孔孔板平衡流量計)等。幾種流量計各有優(yōu)缺點，下面對它們進行一些分析探討，以期合理選型正確使用。
1、標準節(jié)流差壓式流量計
標準節(jié)流孔板及文丘里管等典型的節(jié)流差壓式流量計，是傳統(tǒng)最常見的流量計。基于流體連續(xù)性原理和流體力學能量守衡原理，遵從伯努利定律。
標準節(jié)流式流量計的基本公式為：

式中：α為流量系數(shù)；ε為流束膨脹系數(shù)；Ad為工作狀態(tài)下節(jié)流件開孔面積；ρ為節(jié)流件上游側取壓處流體密度，標準節(jié)流件上、下游側規(guī)定的取壓孔位置上所測得的靜壓力之差。
以孔板流量計為例，推導得其應用公式為：

當孔板流量系數(shù)α、流束膨脹系數(shù)ε、管道與孔板材料熱膨脹校正系數(shù)k、流體密度ρ及孔板節(jié)流孔徑逝似視為常數(shù)C時，流體流量Q與孔板前、后的壓力差△P的平方根成正比，公式簡化為：Q=C△P孔板流量計優(yōu)點是經(jīng)典成熟，一次測量元件構造較簡單，便于制造加工。缺點是壓力損失大，差壓信號較小，量程比小，一般為3:1，要求直管段長，需要占用較長的工藝管路，無法在線拆裝檢修，檢測件和管路安裝較麻煩，需另外配套差壓變送器，大口徑管路流量測量時，無論是性/價比還是安裝方面考慮均不可取。
當流體實際工況(密度、成分、壓力、溫度等)較多地偏離設計計算參數(shù)時，將引入很大的測量誤差；當孔板前、后的直管段長度不滿足規(guī)定要求時也會導致較大的測量誤差(為了保證標稱的測量精度，近年的新標準對直管段長度有加長的趨勢)，孔板加工精度、變形、節(jié)流孔入口邊緣磨損變鈍等也影響測量精度。此外，安裝使用不當，也會附加測量誤差。比如孔板中心與管道中心不同心，管道內表面不光潔，管道變形或內徑偏離設計計算取值，上、下游取壓管不一致(高度、阻力、受熱等)，取壓管路、接頭、閥門泄漏或堵塞，配套差壓變送器誤差等。
標準孔板或文丘里管流量計在浮法玻璃生產線上有一些應用，但由于壓力損大，不利于節(jié)能降耗，工藝管路又往往較難獲得測量所需的足夠長的直管段，不能在線拆裝檢修，加上要配套取壓管路和差壓變送器，安裝相對較麻煩，壓力、溫度變動較大時若不采取自動補償則誤差很大，故后來采用得較少。對于大口徑低壓力風管流量測量更不宜采用。
從節(jié)能降耗的角度考慮，建議盡量少選用標準節(jié)流孔板等流量計，改選壓力損失小的其它新型流量計。
2、渦街流量計
渦街流量計(旋渦流量計)屬流體振動流量計，基于Karman卡門渦街效直原理。流體在非流線型阻擋物(旋渦發(fā)生體)后的兩側會產生兩列交錯排列的旋渦。旋渦分離的頻率f與阻擋物側面的流速V成正比，與阻擋物的迎流面寬度d成反比，遵從下列公式：

其中S為Strouhal斯特勞哈爾數(shù)，雷諾數(shù)在一定區(qū)段范圍內是常數(shù)南壓電元件測得頻率廠，便可測得工況流速V，管道有效截面已知，進而可獲得流體流量。
其測量是基于漩渦頻率，因而不存在零點和量程的漂移問題：輸出與工況流量成正比，不受流體密度、成分、壓力、溫度等影響，但若轉換為標況流量，則也要進行壓力、溫度修正。已有一體化渦街質量流量計．
插人式渦街流量‘無須占用丁藝管段：安裝簡單，維護使用方便，無堵塞之慮。國內外在不少場合用渦街流量計取代傳統(tǒng)孔板、渦輪等流量計。
渦街流量計量程比一般為10：1，優(yōu)于孔板等差壓式流量計，但不及熱式流量計。其測量下限值取決于是否產生漩渦(流體黏度是主內因)和漩渦強度是否足夠(流體密度是主內因)。

一般不適用于低流速流體，有時不得不將工藝管道縮管，以提高流速。雙發(fā)生體的渦街流量計可以測量雷諾數(shù)較低的流體。渦街流量計要求的直管段長，不適合低流速測量，怕振動。在直管段足夠長、流速足夠大、無較大振動的場合可選用。直管段足夠長時，最好采用平均流速點法，插入深L=0．121D，測量精度幾乎不受雷諾數(shù)變化的影響；直管段較短時，一般采用中心最大流速點法，插入深L=0．5D。
在浮法玻璃生產線，影響其被選用的主要是現(xiàn)場沒有測量所需的足夠長的直管段，環(huán)境振動和測量下限值限制等因素：
3、均速管流量計
屬差壓式流量計，南單點測速的皮托管演變發(fā)展而來，基于流體力學能量守衡原理，遵從伯努利定律。流體的全壓(總壓力)等于其動壓加靜壓，測得流體的平均全壓與平均靜壓之差△P，就獲得流體的平均動壓值。流體的平均動壓即平均差壓△P與平均流速間的關系為：

式中：K為均速管流量系數(shù)；A為管道有效截面積。
均速管流量計導致的流體壓力損失很小，其永久壓力損失僅是標準孔板的5％以下，均速管結構簡單，安裝維護比較方便(但比渦街流量計和熱式質量流量計要增加取壓導壓管和差壓變送器)，大口徑管路流量測量時優(yōu)點突出。各公司標稱的所需直管段差異很大，有的小到2D，大的卻要20D；價格差異也很大，不含差壓變送器，便宜的一兩千元，貴的上萬元。
均速管流量計第一代圓型截面產品缺點是互換性較差，值欠穩(wěn)定，差壓信號小，取壓孔有堵塞之慮。針對缺點，近十幾年出現(xiàn)了第二代(橢圓型、扇型、菱型即寶石鉆石型、子彈型、機翼型等)和第三代產品(T型)。EMERSON旗下的羅斯蒙特推出的T型專利產品，具有本質抗堵性，信噪比大，值穩(wěn)定，測量精度較高，對安裝要求降低。
一些玻璃廠用戶反映，均速管風流量計安裝初期尚好，后期檢測不正常?？赡茉驘o外乎以下幾點：
①均速管正/負檢測孔堵塞；或均速管未固定安裝好，正壓檢測孔未正對流體方向。
②取壓導壓管泄漏或堵塞(若泄漏不僅會直接影響測量，還由于有含塵流體緩慢流動，易導致均速管內積雜塵，易堵塞)。
③閥門(含三閥組)堵塞或泄漏。
④差壓變送器異常。
排除以上故障后應可恢復正常工作，無須更換流量計。
需要提示的是，若直管段不夠長，會引入測量誤差。另外，若沒有采用溫、壓自動補償，而實際運行工藝參數(shù)(尤其是壓力)偏離均速管選用設計值較大時，將引入較大的測量誤差，在助燃風等普遍采用變頻調速控制的情況下此問題較突出，建議應采用溫、壓自動補償。
4、熱式質量流量計
熱式質量流量計基于熱傳遞原理。傳感元件是封裝于不銹鋼套管內的2個精密熱電阻RTD(一般為鉑電阻)，其一是流體介質溫度傳感元件，另一為加熱兼?zhèn)鞲性?，由它們組成惠斯登電橋的兩個橋臂，控制加熱傳感器的加熱功率，以使加熱傳感器和參比溫度傳感器間保持恒定溫差△t=t-=常數(shù)。流體流過加熱傳感器所帶走的熱量和流體的流速與密度之積ρV的rn次方成正比，即與流體的質量流量的m次方成正比。流體的質量流量變化時，必須同時相應改變加熱傳感器的加熱功率，才能保持△t不變，故測得加熱功率就間接地測得流體的質量流量。檢測元件總熱損失E與質量流速ρV、質量流量闞的函數(shù)關系式如下：
 

式中：k為流體導熱系數(shù)；A為被加熱元件面積；B為傳感器支撐件的自然對流、熱輻射和熱傳導總的熱傳遞常數(shù)(相對于介質的強制對流，傳感器的自然對流、熱輻射和熱傳導影響極小)；C為常數(shù)；d為傳感器直徑；μ為流體黏度；m為系數(shù)(一般m≥0．3)；T為元件表面溫度；T為介質溫度；為管道有效截面積。
熱式工作原理的質量流量計幾十年前就有，但獲得推廣應用是近十幾年的事。遺憾的是目前國內售價仍太高，其實測量原理和制造工藝并不太復雜。相信隨著制造商的增加和競爭的引入，其價格可望逐漸降至與渦街流量計相當。
熱式質量流量計有許多優(yōu)點：一體化結構，安裝方便，直接測得質量流量，不受溫、壓等波動影響，量程比大，壓力損小，直管段要求也比較低，能適應較惡劣環(huán)境，響應速度快(可達1s)等。尤其突出的是高量程比，一般100:1以上，甚至可達300:1，特別是在量程低端也有極高的靈敏度和精確度，這在工況參數(shù)事先不能確知的場合是很可貴的。缺點是目前價仍較高(進口產品約2萬)，并且長期使用也會在傳感元件處黏附粉塵雜質，影響測量，需及時清潔。對于天然氣、液化氣、氧、氫等非空氣流體(氮氣接近空氣，誤差較小)，應要求供應商按實氣標定，否則誤差較大。
熱式質量流量計在浮法玻璃線上獲得了廣泛應用
5、多函數(shù)孔孔板平衡式流量計
標準節(jié)流孔板、文丘里管等傳統(tǒng)節(jié)流差壓式流量計永久壓力損大(由于死區(qū)和大量渦流)，量程比小，要求直管段長，尤其不適合允許壓力損小、直管段短和大口徑管路的測量。
新型的A+K多函數(shù)孔圓盤式平衡流量計BFM(BalancedFlowMeter)，是美國航空航天局、馬歇爾航空飛行中心深入研究、大量試驗的成果，巧妙地將傳統(tǒng)整流器和節(jié)流件一體化、創(chuàng)新化，雖然原理類同標準孔板等節(jié)流式差壓流量計，同樣遵從伯努利定律，但由于圓盤具有多個獨特的函數(shù)孔，在節(jié)流同時還對流體進行整流和平衡調整，因此在減小直管段要求(最短0．5D)，減小永久壓力損(是傳統(tǒng)的1／3)，提高量程比(>10：1)、測量精度(優(yōu)于0．5％)、穩(wěn)定性(噪聲是傳統(tǒng)的1／15)、耐污堵等方面均有極大改善。還可測雙向流、氣液兩相流、漿料甚至固體顆粒流，幾乎適用于所有流體。缺點是由于專有技術、前期開發(fā)等因素，目前售價比較高，相信總趨勢將逐漸向標準節(jié)流件價格靠攏；此外，雖然永久壓力損比傳統(tǒng)標準節(jié)流件小很多，但仍比熱式、均速管等流量計壓力損大，特別是用于低壓流體時，其永久壓力損往往高于總壓力的10％以上；另外，與標準節(jié)流件一樣，要配套取壓管路和差壓變送器，壓力、溫度變動較大時要采取自動補償；大口徑管路流量測量時，無論是性/價比還是安裝方面考慮均無優(yōu)勢。
多孔平衡式流量計將逐漸取代原來傳統(tǒng)的標準差壓式節(jié)流裝置，隨著價格的逐漸下降和節(jié)能降耗事業(yè)的深入發(fā)展，其在流量測量領域將有較廣闊的應用前景。
表1是美國A+流量技術公司(A+FlowTek)(合作商上?？蒲罂萍及l(fā)展有限公司)提供的A+K多孔平衡流量計與其它差壓式流量計的對比(由于各制造廠及現(xiàn)場狀況的差異，以下有些描述不盡準確，個別作了修改，僅供參考)。

6、玻璃行業(yè)常用氣體流量計應用對比
在滿足工藝生產需要的條件下，應盡量選用利于節(jié)能降耗的流量計。表2是對玻璃生產線常用的氣體流量計所做的對比，以便正確合理選型應用。