如何選擇氣體流量的測(cè)量

時(shí)間：2009/9/3閱讀：3556

需要測(cè)量流量的氣體種類繁多，本節(jié)討論其中Z常見(jiàn)的空氣、城市煤氣、天然氣和組分變化的氣體?？捎脕?lái)測(cè)量氣體流量的儀表種類繁多，本節(jié)結(jié)合四種典型氣體重點(diǎn)討論差壓式（含均速管）、渦街式、旋進(jìn)渦街式、超聲式、氣體渦輪、氣體腰輪式流量計(jì)的應(yīng)用。

3.2.1 壓縮空氣流量測(cè)量

壓縮空氣是企事業(yè)單位重要的二次能源，大多由電能或熱能經(jīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化而來(lái)。當(dāng)空氣壓力值要求較低時(shí)，則由鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。對(duì)由大量能源轉(zhuǎn)化而來(lái)的工質(zhì)進(jìn)行管理，以收到節(jié)約能源和提高設(shè)備管理水平的效果，是壓縮空氣流量計(jì)量的主要目的。

在化工等生產(chǎn)過(guò)程中，有一種重要的工藝過(guò)程氧化反應(yīng)，它是以空氣作原料，和另外某種原料在規(guī)定的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)?？諝赓|(zhì)量流量過(guò)大和過(guò)小，都會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和貴重原料的消耗產(chǎn)生關(guān)鍵影響。在這種情況下，空氣流量測(cè)量度要求特別高，多半還配有自動(dòng)調(diào)節(jié)。

鍋爐和各種工業(yè)爐窖中的燃燒過(guò)程，其本質(zhì)也是氧化反應(yīng)，對(duì)助燃空氣流量的測(cè)量，雖然準(zhǔn)確度要求不像化工生產(chǎn)中的氧化反應(yīng)那樣高，但對(duì)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)燃燒、節(jié)約燃料也有重要意義。

（1）空氣流量測(cè)量的特點(diǎn)

①振動(dòng)大。并非每一臺(tái)空氣流量計(jì)都安裝在振動(dòng)大的場(chǎng)所。但是安裝在壓縮廠房和鼓風(fēng)機(jī)房的空氣流量計(jì)都得考慮振動(dòng)問(wèn)題。這種振動(dòng)主要來(lái)自壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)，機(jī)器的振動(dòng)通過(guò)空氣管道或風(fēng)管可以傳到很遠(yuǎn)的地方。其中振動(dòng)Z大的要數(shù)往復(fù)式壓縮機(jī)，大型往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)往往帶動(dòng)廠房和周圍地面一起振動(dòng)，對(duì)相關(guān)空氣流量計(jì)的準(zhǔn)確而可靠的運(yùn)行帶來(lái)威脅。它引發(fā)杠桿式差壓變送器支點(diǎn)移動(dòng)而使儀表產(chǎn)生示值漂移。振動(dòng)導(dǎo)致渦街流量傳感器產(chǎn)生同振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)，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(shù)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(shù)（見(jiàn)表3.4）。在雨天和霧天，室外大氣中的水蒸氣分壓達(dá)到飽和程度，即相對(duì)濕度達(dá)到100％，這時(shí)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(yīng)數(shù)量的水析出。這是壓縮空氣所以帶水的簡(jiǎn)單原理。在晴好的天氣，大氣相對(duì)濕度較低，但隨著其被壓縮，體積縮小到原來(lái)的幾分之一后，水蒸氣分壓會(huì)相應(yīng)升高，也有可能進(jìn)入飽和狀態(tài)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(lái)測(cè)量壓縮空氣流量的較大口徑孔板流量計(jì)，孔板前常有積水，要影響測(cè)量準(zhǔn)確度。引壓管線中常有一段水，導(dǎo)致差壓變送器測(cè)到的差壓同節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓不一致。這些都是空氣帶水引起誤差的常見(jiàn)原因。除此之外，由于城區(qū)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(huán)室表面腐蝕、管道內(nèi)壁腐蝕，使其表面變得粗糙。腐蝕產(chǎn)生的氧化鐵在一定條件下變干燥時(shí)，很容易從管內(nèi)壁脫落而被氣流帶到孔板前，這也會(huì)對(duì)流量示值產(chǎn)生影響。所以在停車檢修時(shí)，應(yīng)將這些粉狀和塊狀的垃圾予以清除。

③脈動(dòng)流。壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)出口流體多數(shù)包含一定的脈動(dòng)。例如往復(fù)式壓縮機(jī)，表現(xiàn)為半波脈動(dòng)，如圖3.13所示。在現(xiàn)場(chǎng)可觀察到壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的出口壓力有明顯擺動(dòng)。其中正（定）排量鼓風(fēng)機(jī)出口脈動(dòng)頻率較高，一般有幾十赫茲，而往復(fù)式壓縮機(jī)出口脈動(dòng)頻率較低，一般為幾赫茲。流動(dòng)脈動(dòng)引起差壓式流量計(jì)、渦街流量計(jì)等多種流量計(jì)示值偏高，引起浮子式流量計(jì)中的浮子上下跳動(dòng)。消除和減弱流動(dòng)脈動(dòng)對(duì)流量計(jì)示值影響的常用方法有兩個(gè)，一是在壓縮機(jī)出口設(shè)置一只緩沖罐濾除脈動(dòng)，而將流量計(jì)安裝在緩沖后面。實(shí)際上往復(fù)式壓縮機(jī)的的系統(tǒng)都是這樣設(shè)計(jì)的；二是將流量計(jì)安裝在遠(yuǎn)離脈動(dòng)源的地方，這樣可利用工藝管道的氣容同其管阻構(gòu)成低通濾波器衰減脈動(dòng)。

圖3.13流動(dòng)脈動(dòng)典型波形

（2）儀表選型能夠用來(lái)測(cè)量空氣流量的儀表有多種，但是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的空氣流量計(jì)，按其原理分，種類并不多。Z主要的有玻璃浮子流量計(jì)、節(jié)流式差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)和均速管流量計(jì)等。

①浮子流量計(jì)。浮子流量計(jì)在中型和小型實(shí)驗(yàn)裝置上使用很廣泛，這是因?yàn)楦∽邮搅髁坑?jì)簡(jiǎn)單、直觀、價(jià)格低廉，適合作一般指示。浮子流量計(jì)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(duì)示值影響大。一般可根據(jù)流體實(shí)際溫度和壓力按式（3.28）進(jìn)行人工換算。式中由于引入рn,在被測(cè)氣體不為空氣時(shí)，也可利用該公式進(jìn)行換算。

qv= qvf （3.28）

式中 qv――實(shí)際體積流量，Nm3/h；

qvf――儀表示值，m3/h；

ρn――被測(cè)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/Nm3；

ρan――空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/Nm3；

Tn、Pn――氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度、壓力；

Tf、Pf――氣體在工作狀態(tài)下的溫度、壓力。

②節(jié)流式差壓流量計(jì)。節(jié)流式差壓流量計(jì)在空氣流量測(cè)量中有著悠久的歷史。在新穎流量計(jì)大量涌現(xiàn)的形勢(shì)下，節(jié)流式差壓流量計(jì)盡管有范圍度窄，安裝維護(hù)麻煩以及壓力損失大等重大缺點(diǎn)，但在振動(dòng)較明顯的壓縮機(jī)房、鼓風(fēng)機(jī)房，它仍然是可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的儀表。

用節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量空氣流量Z重要的是要處理好節(jié)流件前積水、變送器高低亞室內(nèi)積水以及引壓管線中積水問(wèn)題。

a.節(jié)流件前積水問(wèn)題。解決節(jié)流件前積水Z簡(jiǎn)單的方法是節(jié)流件的下部開(kāi)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?yàn)榕c管道內(nèi)壁接觸的是水蒸氣，而水蒸氣在發(fā)生過(guò)程中一般都經(jīng)過(guò)除氧工序，因此蒸汽中基本不含氧，經(jīng)長(zhǎng)期使用的蒸汽管，其內(nèi)壁可能僅沉積微量的灰色粉末，除此之外不會(huì)有鐵銹。而空氣管道內(nèi)則全然不同，灰塵和氧化鐵難以避免，有時(shí)疏液孔被堵死。在停車檢修時(shí)拆下節(jié)流裝置，發(fā)現(xiàn)節(jié)流件正端平面上有積水的痕跡，就是證據(jù)。

*消除節(jié)流件前積水的方法是將節(jié)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(yōu)于圓缺孔板。

b.差壓變送器高低壓室內(nèi)積水問(wèn)題。圖3.14（a）所示是典型的節(jié)流式差壓流量計(jì)信號(hào)管路安裝圖，在被測(cè)流體為濕氣體時(shí)，冷凝液理應(yīng)不會(huì)進(jìn)入差壓變送器高低壓室，但從現(xiàn)場(chǎng)反饋信息來(lái)看，實(shí)際情況是有時(shí)還會(huì)有微量水滴進(jìn)入高低壓室，。變送器差壓范圍較低時(shí)，此微量水滴會(huì)引起儀表零點(diǎn)的明顯漂移。有些差壓變送器設(shè)計(jì)有兩個(gè)排放口，打開(kāi)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(kāi)此口無(wú)法將高低壓室內(nèi)的凝液排凈，Z后只得將變送器拆下，將凝液沖信號(hào)輸入口中傾倒出來(lái)。

高低壓室內(nèi)積液的現(xiàn)象，經(jīng)進(jìn)一步分析，應(yīng)該是變送器上方的一段管路由于環(huán)境溫度變化將信號(hào)管中的水蒸氣冷凝而沿著信號(hào)管往下流入高低壓室。

防止冷凝液流入高低壓室Z簡(jiǎn)單易行的方法是消除變送器上方的一段信號(hào)管路，將信號(hào)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(nèi)有微量冷凝液，也能依靠其自身重力沿著管路自動(dòng)流回母管或沉降器。實(shí)踐證明，這一方法是有效的。

c.引壓管路內(nèi)積水問(wèn)題。在測(cè)量濕氣體時(shí)，雖然安裝信號(hào)管路已按照規(guī)程的要求保持坡度，可以避免冷凝液在信號(hào)管路內(nèi)聚集。但在某些情況下，積水現(xiàn)象仍難以避免，其原因如下所述

圖3.14被測(cè)流體為濕氣體時(shí)信號(hào)管路安裝示意

圖3.15是環(huán)室取壓節(jié)流裝置安裝在垂直工藝管道上時(shí)信號(hào)管路的規(guī)定安裝方法。假設(shè)工藝管道中氣體自下而上流動(dòng)，那么，負(fù)壓信號(hào)管路中可以保證沒(méi)有凝液，因?yàn)樾盘?hào)管路內(nèi)的凝液能暢通無(wú)阻地流回工藝管道，而正壓信號(hào)管情況就不同了。因?yàn)檎龎盒盘?hào)是從均壓環(huán)引出地，被測(cè)濕氣體中的凝液充滿節(jié)流裝置的正端均壓環(huán)空腔是毫無(wú)問(wèn)題的（如圖3.16所示）在正壓管內(nèi)氣體壓力同節(jié)流件正壓端*相等時(shí)，U形管兩邊液位高度相等。在此基礎(chǔ)上，如果節(jié)流件正端壓力上升，則將均壓環(huán)空腔中的水壓向信號(hào)管路，按照流體力學(xué)關(guān)系式可知，正壓管內(nèi)的壓力比節(jié)流件正端壓力低一些，其數(shù)值同U形管兩邊液位高度差相等。從而引起差壓信號(hào)的傳遞失真。

圖3.15垂直管道信號(hào)管路連接圖3.16正壓管內(nèi)積水對(duì)壓力信號(hào)傳遞的影響

消除信號(hào)管內(nèi)積水的臨時(shí)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。

*消除上面所述管內(nèi)積水的方法是將節(jié)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(hào)管路連接方法也是有關(guān)資料中推薦的用于濕氣體流量測(cè)量的典型連接方法。但是在大管徑孔板流量計(jì)中，也存在一些問(wèn)題。尤其是在雨天。霧天和大氣濕度高的季節(jié)，空氣中夾帶的水較多，水滴自下而上撞擊在節(jié)流件上，其中一部分進(jìn)入均壓環(huán)的空腔，進(jìn)而流入沉降器，于是沉降器很容易被裝滿?，F(xiàn)場(chǎng)巡回檢查時(shí)，每天都排出很多水，如果上假日無(wú)人排污，就極有可能水滿為患。

圖3.17垂直管道信號(hào)管路連接

③渦街流量計(jì)。在無(wú)振動(dòng)或無(wú)明顯振動(dòng)的場(chǎng)所，用渦街流量計(jì)測(cè)量空氣流量，顯著的優(yōu)勢(shì)是壓損小、度較高、范圍度較寬、維修工作量小。壓電式渦街流量計(jì)能耐受0.2g的振動(dòng)。在常壓條件下，可測(cè)流速下限為6m/s。電容式渦街流量計(jì)，能耐受（0.5～1）g振動(dòng)，在常壓條件下，可測(cè)流速下限4m/s。因此在振動(dòng)大的場(chǎng)所兩種渦街流量計(jì)都不適用。與蒸汽流量測(cè)量一樣，受渦街流量計(jì)Z大口徑、Z大工作壓力和Z高工作溫度的制約，當(dāng)口徑大于400mm或流體壓力高于4Mpa（有的公司產(chǎn)品為6.4Mpa）或流體溫度高于420℃時(shí)，只能改用其他類型流量計(jì)。

④差壓式均速管流量計(jì)。均速管流量計(jì)對(duì)大口徑空氣流量測(cè)量具有其*的優(yōu)勢(shì)，價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單可靠、安裝維修方便是其顯著的優(yōu)點(diǎn)，是渦街流量計(jì)和節(jié)流式差壓流量計(jì)的補(bǔ)充。其檢測(cè)桿選擇、堵塞系數(shù)計(jì)算等將在第3.5節(jié)中討論。

（2）濕空氣干部分流量測(cè)量問(wèn)題

①濕空氣干部分流量測(cè)量的必要性。在化工生產(chǎn)的氧化反應(yīng)過(guò)程中，一般是將空氣送入反應(yīng)器，而真正參與反應(yīng)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(cè)量得到進(jìn)入反應(yīng)器的氮氧混合物流量，也就可以計(jì)算出氧的流量。但是壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)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(jì)），總是包含一定數(shù)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(yīng)控制在理想狀態(tài)，須對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器的氮氧混合氣流進(jìn)行測(cè)量，也即將進(jìn)入反應(yīng)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(cè)量干部分流量的一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕氣體的密度可用式（3.29）計(jì)算。

рn=рgn+рsn （3.29）

式中 рn――濕空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（101.325kPa,20℃）的密度，kg/m3；

рgn――濕空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干部分的密度，kg/m3；

рsn――濕空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕部分的密度，kg/m3；

工作狀態(tài)下濕空氣的密度可按式（3.30）計(jì)算。

ρf=ρgf+ρsf （3.30）

рf――濕空氣在工作狀態(tài)下的密度，kg/m3；

ρgf――濕空氣在工作狀態(tài)下干部分的密度，kg/m3;

ρsf――濕空氣在工作狀態(tài)下濕部分的密度，kg/m3；

ρgf和ρsf分別按式（3.31）和式（3.32）計(jì)算。

ρgf＝ρgn （3.31）

ρsf= （3.32）

式中 f――工作狀態(tài)下濕氣體相對(duì)濕度，0～100％；

psfmax————工作狀態(tài)下飽和水蒸氣壓力；

ρsf————工作狀態(tài)下水蒸汽密度，kg/m3；

ρsfmax————工作狀態(tài)下飽和水蒸汽密度，kg/m3；

其余符號(hào)意義同式（3.28）。

③不同原理流量計(jì)測(cè)量濕空氣干部分流量時(shí)的計(jì)算公式

a.頻率輸出的渦街流量計(jì)。頻率輸出的渦街流量計(jì)用來(lái)測(cè)量濕空氣流量時(shí)，其輸出的每一個(gè)脈沖信號(hào)都代表濕空氣在工作狀態(tài)下的一個(gè)確定的體積值。這時(shí)，要計(jì)算濕空氣中的干部分，只需在從工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（101.325kPa,20℃）下體積流量時(shí)，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(tài)下體積流量，m3/h；

f——渦街流量計(jì)輸出頻率，P/s（1P=0.1Pa·s）；

Kt——工作狀態(tài)下流量系數(shù)，P/L。

b.模擬輸出的渦街流量計(jì)。模擬輸出的渦街流量計(jì)用來(lái)測(cè)量濕空氣的干部分流量時(shí)，只有工作狀態(tài)（pf、 f、Tf、Zf）與設(shè)計(jì)狀態(tài)（pd、 d、Td、Zd）一致時(shí)，無(wú)需補(bǔ)償就能得到準(zhǔn)確結(jié)果。如果有一個(gè)或一個(gè)以上不一致，可用式（3.34）進(jìn)行補(bǔ)償。

qv=Aiqmax= （3.34）

式中 Ai———渦街流量計(jì)模擬輸出，％；

qmax————流量測(cè)量上限，Nm3/h；

pd————設(shè)計(jì)狀態(tài)濕空氣絕壓,kPa（Mpa）;

d——設(shè)計(jì)狀態(tài)濕空氣相對(duì)濕度；

psdmax————設(shè)計(jì)狀態(tài)濕空氣中飽和水蒸氣壓力，與pd單位一致；

Td————設(shè)計(jì)狀態(tài)濕空氣溫度，K；

Zd————設(shè)計(jì)狀態(tài)濕空氣壓縮系數(shù)。

c.差壓式流量計(jì)。用差壓式流量計(jì)測(cè)量濕空氣的干部分流量要進(jìn)行兩方面的計(jì)算個(gè)是工況變化引起的工作狀態(tài)下濕氣體密度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，另一個(gè)是扣除濕空氣中的水蒸氣并換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(hào)意義同式（3.29）～式（3.32）。

濕空氣的干部分流量可用式（3.36）計(jì)算

q′v=qv （3.36）

式中 q′v——濕空氣的干部分流量實(shí)際值，Nm3/h；

qv————濕空氣的干部分流量計(jì)算值Nm3/h；

其余符號(hào)意義同式（3.35）

其中рf由式（3.35）計(jì)算得到。

本文來(lái)自：電磁流量計(jì) http://

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