摘要：檢測(cè)儀表的合理選型正確使用不僅是工藝生產(chǎn)的需要,也是節(jié)能降耗的需要。對(duì)玻璃生產(chǎn)線常見的氣體流量計(jì)的選型與應(yīng)用進(jìn)行一些探討。
玻璃生產(chǎn)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(zhì)的流量需要測(cè)量，如助燃風(fēng)、調(diào)溫風(fēng)等冷卻風(fēng)、壓縮空氣、惰性氣、氮?dú)狻錃�、氧氣、天然氣、液化氣、蒸汽等。以最常見的風(fēng)流量計(jì)的選型應(yīng)用為例,按時(shí)期先后大致如下:節(jié)流差壓式流量計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板、文丘里，管等),渦街流量計(jì),差壓式流量計(jì)(均速管流量計(jì)),熱式質(zhì)量流量計(jì),節(jié)流差壓式流量計(jì)(彎管流量計(jì)),節(jié)流差壓式流量計(jì)(多孔孔板平衡流量計(jì))等。幾種流量計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn),下面對(duì)它們進(jìn)行一-些分析探討,以期合理選型正確使用。
1標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流差壓式流量計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板及文丘里管等典型的節(jié)流差壓式流量計(jì),是傳統(tǒng)最常見的流量計(jì)�；诹黧w連續(xù)性原理和流體力學(xué)能量守衡原理,遵從伯努利定律。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計(jì)的基本公式為:
質(zhì)量流量:M=α?Ad(2ρΔP)1/2
體積流量:Q=M/p=α?Ad(2ρΔP)1/2
式中:α為流量系數(shù);?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(cè)取壓處流體密度，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件上、下游側(cè)規(guī)定的取壓孔位置上所測(cè)得的靜壓力之差。
以孔板流量計(jì)為例，推導(dǎo)得其應(yīng)用公式為:
Q=0.01252α?k,d2(ΔP/ρ)1/2(3)
當(dāng)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)k1、流體密度ρ及孔板節(jié)流孔徑d近似視為常數(shù)C時(shí)，流體流量Q與孔板前、后的壓力差ΔP的平方根成正比，公式簡化為:
Q=CAP2(4)
孔板流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)典成熟，一次測(cè)量元件構(gòu)造較簡單,便于制造加工。缺點(diǎn)是壓力損失大，差壓信號(hào)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(cè)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(cè)量時(shí),無論是性/價(jià)比還是安裝方面考慮均不可取。
當(dāng)流體實(shí)際工況(密度、成分、壓力、溫度等)較多地偏離設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)時(shí),將引入很大的測(cè)量誤差;當(dāng)孔板前、后的直管段長度不滿足規(guī)定要求時(shí)也會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差(為了保證標(biāo)稱的測(cè)量精度,近年的新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直管段長度有加長的趨勢(shì)),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(cè)量精度。此外,安裝使用不當(dāng),也會(huì)附加測(cè)量誤差。比如孔板中心與管道中心不同心,管道內(nèi)表面不光潔,管道變形或內(nèi)徑偏離設(shè)計(jì)計(jì)算取值,上、下游取壓管不-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(biāo)準(zhǔn)孔板或文丘里管流量計(jì)在浮法玻璃生產(chǎn)線上有一些應(yīng)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(cè)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(duì)較麻煩,壓力、溫度變動(dòng)較大時(shí)若不采取自動(dòng)補(bǔ)償則誤差很大,故后來采用得較少。對(duì)于大口徑低壓力風(fēng)管流量測(cè)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板等流量計(jì),改選壓力損失小的其它新型流量計(jì)。
2渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)(旋渦流量計(jì))屬流體振動(dòng)流量計(jì),基于Karman卡i門]渦街效應(yīng)原理。流體在非流線型阻擋物(旋渦發(fā)生體)后的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生兩列交錯(cuò)排列的旋渦。旋渦分離的頻率f與阻擋物側(cè)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st為Strouhal斯特勞哈爾數(shù),雷諾數(shù)在一定區(qū)段范圍內(nèi)s,是常數(shù)。
由壓電元件測(cè)得頻率f,便可測(cè)得工況流速V,管道有效截面積4已知,進(jìn)而可獲得流體流量。
其測(cè)量是基于漩渦頻率,因而不存在零點(diǎn)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(zhuǎn)換為標(biāo)況流量,則也要進(jìn)行壓力、溫度修正。已有一體化渦街質(zhì)量流量計(jì)。插入式渦街流量計(jì)無須占用工藝管段。安裝簡單,維護(hù)使用方便,無堵塞之慮。國內(nèi)外在不少場(chǎng)合用渦街流量計(jì)取代傳統(tǒng)孔板、渦輪流量計(jì)等。
渦街流量計(jì)量程比一般為10:1,優(yōu)于孔板等差壓式流量計(jì),但不及熱式流量計(jì)。其測(cè)量下限值取決于是否產(chǎn)生漩渦(流體黏度是主內(nèi)因)和漩渦強(qiáng)度是否足夠(流體密度是主內(nèi)因)。一般不適用于低流速流體,有時(shí)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(jì)可以測(cè)量雷諾數(shù)較低的流體。渦街流量計(jì)要求的直管段長,不適合低流速測(cè)量，怕振動(dòng)。在直管段足夠長、流速足夠大、無較大振動(dòng)的場(chǎng)合可選用。直管段足夠長時(shí),最好采用平均流速點(diǎn)法,插入深L=0.121D,測(cè)量精度幾乎不受雷諾數(shù)變化的影響;直管段較短時(shí),一般采用中心最大流速點(diǎn)法,插入深L=0.5D.
在浮法玻璃生產(chǎn)線上,影響其被選用的主要是現(xiàn)場(chǎng)沒有測(cè)量所需的足夠長的直管段,環(huán)境振動(dòng)和測(cè)量下限值限制等因素。
3均速管流量計(jì)
屬差壓式流量計(jì),由單點(diǎn)測(cè)速的皮托管演變發(fā)展而來,基于流體力學(xué)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(dòng)壓加靜壓，測(cè)得流體的平均全壓與平均靜壓之差DP,就獲得流體的平均動(dòng)壓值。流體的平均動(dòng)壓即平均差壓DP與平均流速V間的關(guān)系為:
V=K(20P/p)(6)
Q=AV(7)
式中:K為均速管流量系數(shù);4為管道有效截面積。
均速管流量計(jì)導(dǎo)致的流體壓力損失很小，永久壓力損失僅是標(biāo)準(zhǔn)孔板的5%以下,均速管結(jié)構(gòu)簡單,安裝維護(hù)比較方便(但比渦街流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)要增加取壓導(dǎo)壓管和差壓變送器),大口徑管路流量測(cè)量時(shí)優(yōu)點(diǎn)突出。各公司標(biāo)稱的所需直管段差異很大,有的小到2D,大的卻要20D;價(jià)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(jì)第一代圓型截面產(chǎn)品缺點(diǎn)是互換性較差,K值欠穩(wěn)定,差壓信號(hào)小，取壓孔有堵塞之慮。針對(duì)缺點(diǎn),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(jī)翼型等)和第三代產(chǎn)品(T型)。EMERSON旗下的羅斯蒙特推出的T型專利產(chǎn)品，具有本質(zhì)抗堵性,信噪比大,K值穩(wěn)定,測(cè)量精度較高,對(duì)安裝要求降低。
一些玻璃廠用戶反映,均速管風(fēng)流量計(jì)安裝初期尚好,后期檢測(cè)不正常�？赡茉驘o外乎以下幾點(diǎn):
①均速管正負(fù)檢測(cè)孔堵塞;或均速管未固定安裝好,正壓檢測(cè)孔未正對(duì)流體方向。
②取壓導(dǎo)壓管泄漏或堵塞(若泄漏不僅會(huì)直接影響測(cè)量,還由于有含塵流體緩慢流動(dòng),易導(dǎo)致均速管內(nèi)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(yīng)可恢復(fù)正常工作,無須更換流量計(jì)。
需要提示的是,若直管段不夠長,會(huì)引入測(cè)量誤差。另外,若沒有采用溫、壓自動(dòng)補(bǔ)償,而實(shí)際.運(yùn)行工藝參數(shù)(尤其是壓力)偏離均速管選用設(shè)計(jì)值較大時(shí),將引入較大的測(cè)量誤差,在助燃風(fēng)等普遍采用變頻調(diào)速控制的情況下此問題較突出,建議應(yīng)采用溫、壓自動(dòng)補(bǔ)償。
4熱式質(zhì)量流量計(jì)
熱式質(zhì)量流量計(jì)基于熱傳遞原理。傳感元件是封裝于不銹鋼套管內(nèi)的2個(gè)精密熱電阻RTD(一般為鉑電阻)，其一是流體介質(zhì)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(gè)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Δt=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m次方成正比，即與流體的質(zhì)量流量的m次方成正比。流體的質(zhì)量流量變化時(shí)，必須同時(shí)相應(yīng)改變加熱傳感器的加熱功率，才能保持Δt不變，故測(cè)得加熱功率就間接地測(cè)得流體的質(zhì)量流量。檢測(cè)元件總熱損失E與質(zhì)量流速ρV、質(zhì)量流量M間的函數(shù)關(guān)系式如下:
式中:k為流體導(dǎo)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(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)總的熱傳遞常數(shù)(相對(duì)于介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流，傳感器的自然對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)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(zhì)溫度;A為管道有效截面積。
熱式工作原理的質(zhì)量流量計(jì)幾十年前就有，但獲得推廣應(yīng)用是近十幾年的事。遺憾的是目前國內(nèi)售價(jià)仍太高，其實(shí)測(cè)量原理和制造工藝并不太復(fù)雜。相信隨著制造商的增加和競(jìng)爭的引入，其價(jià)格可望逐漸降至與渦街流量計(jì)相當(dāng)。
熱式質(zhì)量流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn):一體化結(jié)構(gòu)，安裝方便，直接測(cè)得質(zhì)量流量，不受溫、壓等波動(dòng)影響，量程比大，壓力損小，直管段要求也比較低，“能適應(yīng)較惡劣環(huán)境，響應(yīng)速度快(可達(dá)1s)等。尤其突出的是高量程比，一般100:1以上，甚至可達(dá)300:1,特別是在量程低端也有極高的靈敏度和精度，這在工況參數(shù)事先不能確知的場(chǎng)合是很可貴的。缺點(diǎn)是目前價(jià)仍較高(進(jìn)口產(chǎn)品約2萬)，并且長期使用也會(huì)在傳感元件處黏附粉塵雜質(zhì)，影響測(cè)量，需及時(shí)清潔。對(duì)于天然氣、液化氣、氧、氫等非空氣流體(氮?dú)饨咏諝�，誤差較小)，應(yīng)要求供應(yīng)商按實(shí)氣標(biāo)定，否則誤差較大。
熱式質(zhì)量流量計(jì)在浮法玻璃線上獲得了廣泛應(yīng)用。
5多函數(shù)孔孔板平衡式流量計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板、文丘里管等傳統(tǒng)節(jié)流差壓式流量計(jì)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(cè)量。
新型的A+K多函數(shù)孔圓盤式平衡流量計(jì)BFM(BalancedFlowMeter)，是美國航空航天局、馬歇爾航空飛行中心深人研究、大量試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)孔板等節(jié)流式差壓流量計(jì)，同樣遵從伯努利定律，但由于圓盤具有多個(gè)獨(dú)特的函數(shù)孔，在節(jié)流同時(shí)還對(duì)流體進(jìn)行整流和平衡調(diào)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(cè)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(cè)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(diǎn)是由于專有技術(shù)、前期開發(fā)等因素，目前售價(jià)比較高，相信總趨勢(shì)將逐漸向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件價(jià)格靠攏;此外，雖然永久壓力損比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件小很多，但仍比熱式、均速管等流量計(jì)壓力損大，特別是用于低壓流體時(shí)，其永久壓力損往往高于總壓力的10%以上;另外，與標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)較大時(shí)要采取自動(dòng)補(bǔ)償;大口徑管路流量測(cè)量時(shí)，無論是性1價(jià)比還是安裝方面考慮均無優(yōu)勢(shì)。
多孔平衡式流量計(jì)將逐漸取代原來傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差壓式節(jié)流裝置，隨著價(jià)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(cè)量領(lǐng)域?qū)⒂休^廣闊的應(yīng)用前景。
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