摘要：某冶煉企業(yè)每年用氧氣量約4億立方米，流量計(jì)量稍有偏差，每年可能造成上百萬(wàn)的損失。故對(duì)幾種可應(yīng)用于大口徑管道氣體流量計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)平衡流量計(jì)有良好的正確率和穩(wěn)定性，項(xiàng)目最終采用了平衡流量計(jì)作為貿(mào)易計(jì)量器具。
國(guó)內(nèi)冶煉企業(yè)配套空分項(xiàng)目大多是企業(yè)內(nèi)部運(yùn)營(yíng)管理。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展和人力物力成本的上升，冶煉企業(yè)越來(lái)越傾向于將制氧系統(tǒng)通過(guò)BOO(Building-Owning-Operation)的方式交給專業(yè)團(tuán)隊(duì)來(lái)建設(shè)運(yùn)營(yíng)，再通過(guò)購(gòu)買氣體的方式獲得氧氣，這就涉及到供氣方與用氣方之間的貿(mào)易計(jì)量。企業(yè)正常生產(chǎn)時(shí)對(duì)純度為99．6%的高純氧需量為47000Nm3/h，最大需量為54000Nm3/h，最小需量為10000Nm3/h，氧氣輸送管道通徑達(dá)1200mm。通過(guò)對(duì)杭氧等國(guó)內(nèi)空分廠家調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其計(jì)量?jī)x表多采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，少量采用巴類等均速管流量計(jì)。而法國(guó)液化空氣、德國(guó)林德等國(guó)外廠家中熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)也廣泛使用，并開(kāi)始嘗試使用新型平衡流量計(jì)用于貿(mào)易結(jié)算。
雖然巴類流量計(jì)采用的子彈頭截面?zhèn)鞲衅�，�?shí)驗(yàn)室測(cè)量精度提高到0．72%，但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)影響其測(cè)量精度的因素過(guò)多，此處只對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)和平衡流量計(jì)進(jìn)行比較。
1流量計(jì)的特點(diǎn)
1．1標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是一種廣泛使用的流量計(jì)，孔板的特征尺寸和加工工藝按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624．2-2006執(zhí)行，檢定按JJG640-2016執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，一般不需要實(shí)流標(biāo)定就可直接投入使用。缺點(diǎn)較多，標(biāo)準(zhǔn)孔板有一個(gè)銳角，長(zhǎng)期使用存在“銳角磨損”問(wèn)題，測(cè)量精度隨時(shí)間推移越來(lái)越低。其次計(jì)量院對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板一般采用物理檢定，也就是測(cè)量幾何尺寸和銳角偏差，有特殊要求時(shí)才用水進(jìn)行實(shí)流檢定，測(cè)量誤差在±(1%～5%)之間。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)孔板壓損大，量程比小(為3∶1)，安裝要求直管段滿足前10D后5D［1］。
盡管標(biāo)準(zhǔn)孔板有如此多的缺點(diǎn)，但其制造、檢定過(guò)程均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，故在貿(mào)易計(jì)量中仍被大量使用。要求量程比至少達(dá)到6∶1，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)無(wú)法滿足使用要求。
1．2熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是基于金氏定律的一種插入式流量計(jì)，適合大管道流體測(cè)量，F(xiàn)CI、Sierra、Kurz這3個(gè)品牌的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)已有幾十年的歷史。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)理論模型為:
H=ΔTCpM(1)
式中
Cp———定壓比熱容，與氣體種類有關(guān);
H———加熱電功率;
M———質(zhì)量流量;
ΔT———兩個(gè)探頭的溫差。
式(1)可以引出兩種類型的產(chǎn)品:恒溫差型和恒功率型。兩類傳感器都由兩個(gè)并排的熱電阻組成，其中一個(gè)普通熱電阻測(cè)量管道內(nèi)氣體的溫度，另一個(gè)熱電阻帶加熱絲由電流進(jìn)行加熱，當(dāng)氣體流經(jīng)熱電阻，就會(huì)有冷卻效應(yīng)帶走熱量。由式(1)可知，對(duì)于恒溫差型流量計(jì)溫差ΔT恒定，當(dāng)質(zhì)量流量M增加時(shí)，冷卻效應(yīng)就增加，為保持兩個(gè)熱電阻的溫差恒定所需的加熱功率H增加，而加在加熱電阻上的功率H與質(zhì)量流量M成正比，測(cè)量功率H的大小可以計(jì)算出流過(guò)管道的氣體質(zhì)量。對(duì)于恒功率型，加在加熱電阻上的功率H始終保持恒定，在介質(zhì)靜止時(shí)溫差最大，隨著介質(zhì)流動(dòng)溫差減小，溫差ΔT與質(zhì)量流量M成反比，通過(guò)測(cè)量溫差的變化來(lái)獲取流量的變化［2］。恒溫差型響應(yīng)速度快，在流速低到0．1Nm/s時(shí)都能保持很好的線性，隨著速度增大，精度降低。而恒功率型適合高速介質(zhì)，流速高達(dá)400Nm/s以上還可測(cè)量，但兩種類型的熱式流量計(jì)對(duì)于導(dǎo)熱性極好的氫氣等介質(zhì)都不適用。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的是質(zhì)量流量，無(wú)需溫壓補(bǔ)償，響應(yīng)快［3］，高性能型號(hào)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量誤差為±0．1%ＲS±0．5%FS，在要求高精度時(shí)多采用網(wǎng)格法來(lái)確認(rèn)安裝的最佳插入深度，同時(shí)可在管道同一截面不同位置安裝多支傳感器取平均值作為最終流體流量，現(xiàn)在FCI某系列的流量計(jì)上帶有2～3對(duì)傳感器。
1．3平衡流量計(jì)
A+K平衡流量計(jì)最早是NASA針對(duì)航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)液氧測(cè)量而發(fā)明的一種流量計(jì)。它相當(dāng)于一個(gè)帶整流器的多孔孔板，每個(gè)孔的尺寸和分布基于獨(dú)特的公式和測(cè)試數(shù)據(jù)定制，數(shù)量一般為4～26個(gè)，開(kāi)孔數(shù)量、分布及大小等參數(shù)都在美國(guó)計(jì)算，國(guó)內(nèi)按照計(jì)算結(jié)果加工制作。當(dāng)流體從多個(gè)孔中流過(guò)時(shí)，渦流明顯減少，形成的是平衡穩(wěn)定的流場(chǎng)，通過(guò)取壓裝置可獲得穩(wěn)定的壓差信號(hào)，根據(jù)伯努利方程計(jì)算出體積流量，溫壓補(bǔ)償后得到最終流量。常規(guī)量程比為10∶1～7∶1，最大可以做到30∶1，無(wú)銳角，可雙向測(cè)量，永久壓力損失為標(biāo)準(zhǔn)孔板的1/3～1/2，由于降低了渦流、振動(dòng)和信號(hào)噪聲，流場(chǎng)穩(wěn)定，測(cè)量精度比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)高5～10倍，穩(wěn)定性更好［4］。缺點(diǎn)是為非標(biāo)產(chǎn)品。為保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度和便于計(jì)量院檢定，一般采用管道式平衡流量計(jì)，質(zhì)量大，安裝運(yùn)輸不方便。
2流量計(jì)檢定
2．1標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的檢定在第1．1節(jié)已提及，此處不再贅述。
2．2熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)出廠時(shí)要進(jìn)行實(shí)溫實(shí)壓實(shí)流標(biāo)定，可溯源到NIST。目前只有美國(guó)本土有實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室。在國(guó)內(nèi)省級(jí)計(jì)量院一般進(jìn)行N2、O2、CO及NO等接近理想氣體雙原子氣體檢定時(shí)，不進(jìn)行實(shí)流檢定，而是直接用空氣作為介質(zhì)，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算:
H=ΔTCpM=ΔTCpρVt(2)
式中
t———時(shí)間;
V———流速;
ρ———密度。
根據(jù)式(2)可知測(cè)量出某一時(shí)間段t內(nèi)管道的空氣平均流速V，得到空氣的質(zhì)量流量，再通過(guò)空氣和氧氣定壓比熱容關(guān)系換算為氧氣的質(zhì)量流量。轉(zhuǎn)換過(guò)程中一般有±1%ＲS±1%FS的誤差。
2．3平衡流量計(jì)
平衡流量計(jì)不是標(biāo)準(zhǔn)件，使用前需要送至計(jì)量院對(duì)測(cè)量精度和重復(fù)性進(jìn)行檢定，流通介質(zhì)為水，送檢前設(shè)備廠家會(huì)以氧氣和水的雷諾數(shù)為橋梁出一份介質(zhì)為水的計(jì)算書(shū)，給計(jì)量院作為參考。為避免安裝過(guò)程對(duì)測(cè)量精度造成過(guò)大干擾，選用管道式平衡流量計(jì)，通徑1200mm，在東南地區(qū)能實(shí)流檢定1000mm以上孔板的計(jì)量院僅有開(kāi)封市的國(guó)家水大流量計(jì)量站和常州市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，而且檢定周期長(zhǎng)。
檢定過(guò)程遵照J(rèn)JG640-2016［5］采用標(biāo)定流出系數(shù)的方法，流出系數(shù)公式為:
式中
Cij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測(cè)的流出系數(shù)值;
D———管道內(nèi)徑，mm;m———節(jié)流面積比;
(qs)ij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)流量值，m3/h;
Δpij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)壓差值，kPa;
ρ1———水的密度，kg/m3。
根據(jù)式(3)可知，只要測(cè)出第i檢定點(diǎn)第j次標(biāo)準(zhǔn)流量值和第i檢定點(diǎn)第j次壓差值就可得到流出系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)流量值可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)讀出，壓差值可通過(guò)平衡流量計(jì)上安裝的標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器讀出。檢定過(guò)程中選取Qmax、3/4Qmax、1/2Qmax、1/4Qmax、Qmin共計(jì)5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量4次。標(biāo)準(zhǔn)流量值和壓差值由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集，得到平衡流量計(jì)的Cij。
各檢測(cè)點(diǎn)流出系數(shù)Ci為:
3對(duì)比結(jié)論
從功能特點(diǎn)對(duì)比3種類型的流量計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)件，精度不高、重復(fù)性差、價(jià)格低，量程比3∶1，不能滿足目的要求。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)量程比可達(dá)100∶1，直接測(cè)量氣體質(zhì)量流量，無(wú)需溫壓補(bǔ)償，但是對(duì)測(cè)量氣體組分要求較高，氣體內(nèi)不能含水，且組分不能有變化，否則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。同時(shí)直管段要求較高，一般為前20D后5D，對(duì)于前方有兩個(gè)不同向的彎頭時(shí)，要求前50D后5D。A+K平衡流量計(jì)基于壓差測(cè)量流量原理，可靠性高，量程比在10∶1左右，重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，所需前后直管段短(前2D后2D)，永久壓損較低，節(jié)約能源。但需要溫壓補(bǔ)償，計(jì)量精度為整個(gè)系統(tǒng)的精度，價(jià)格也隨管徑的增大而增大，大管徑流量計(jì)價(jià)格更是成倍增加。
從檢定角度對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)一般進(jìn)行幾何檢定，可信度低。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)省級(jí)計(jì)量院可用標(biāo)流速的方法進(jìn)行檢定，拆下檢修或標(biāo)定期間可不停氣，不影響生產(chǎn)，但是計(jì)量院檢定誤差較大。A+K平衡流量計(jì)需通水進(jìn)行檢定，檢定結(jié)論可信度高，但大管徑流量計(jì)檢定比較困難，東南地區(qū)僅兩家計(jì)量院可檢定。綜上所述，除檢定困難以外，A+K平衡流量計(jì)更能滿足企業(yè)對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的需求，加上檢定周期為兩年甚至更長(zhǎng)，不需要頻繁檢定。
4結(jié)束語(yǔ)
兩套同批次同類型的平衡流量計(jì)分別安裝在供氣方和用氣方廠區(qū)交界處，計(jì)量院檢定結(jié)果顯示，其中一套平衡流量計(jì)精確度為±0．6031%，另一套精度為±0．5538%，重復(fù)性均優(yōu)于0．01%。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，兩套流量計(jì)最大示值偏差遠(yuǎn)低于1%，優(yōu)于合同中商定的允許最大3%的偏差。
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