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氣體大流量的測(cè)量

氣體大管路流量的測(cè)量常見于城市煤氣、天然氣、風(fēng)管、鍋爐和各種爐窯內(nèi)的煙氣、石油煉廠和石化行業(yè)的火炬氣。這些流量的測(cè)量對(duì)經(jīng)濟(jì)燃燒、保護(hù)環(huán)境以及貿(mào)易結(jié)算有著重要意義。

（1）氣體大流量測(cè)量的特點(diǎn)

  a.口徑大，直管段往往難以保證。

b.靜壓低，流速低，只允許有很小的壓力損失。

c.流速變化范圍大，要求儀表具有較大的范圍度。

d.流體含有粉塵，有時(shí)還含有焦油之類的粘稠物。

e.有些流體有腐蝕性。

f.氣體組分變化不定。

g.流體溫度高。

h.有些煙氣溫度降低后，濕度升高，甚至帶液。

（2）儀表選型。上節(jié)所述的插入式渦街流量計(jì)、插入式渦輪流量計(jì)、差壓均速管流量計(jì)，同樣適用于大口徑管道的氣體流量測(cè)量。但由于流體性質(zhì)不同，應(yīng)用時(shí)所存在的問題有明顯不同。

①插入式渦街流量計(jì)。

插入式渦街流量計(jì)的測(cè)量頭一般為DN50，對(duì)于常溫常壓條件下的空氣，可測(cè)流速下限約為6m/s。有很多測(cè)量對(duì)象，流速常常低于6m/s，尤其是水煤氣及某些馳放氣，由于氫含量較高，流體密度較小，旋渦對(duì)傳感器的推力相應(yīng)變小，這時(shí)，能可靠測(cè)量的流速下限還要升高，所以，儀表往往滿足不了測(cè)量對(duì)象的要求。

渦街流量計(jì)指示的體積流量，不會(huì)因流體組分和溫度變化而產(chǎn)生密度變化的影響，但將壓力狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，需要進(jìn)行流體溫度、壓力和壓縮系數(shù)的補(bǔ)償。

在旋渦發(fā)生體的迎流面上如果附著很厚的黏稠物和灰塵，其形狀會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起流量系數(shù)的變動(dòng)，因此，需要定期拔出測(cè)量頭清除附著物。

②差壓式均速管流量計(jì)。這種流量計(jì)在大口徑氣體流量測(cè)量中用得很普遍，其原因同大口徑水流量相似。差壓式均速管流量計(jì)在氣體流量測(cè)量中應(yīng)用成敗的關(guān)鍵是引壓管不要被水滴堵住。由于定型的均速管產(chǎn)品所帶的切斷閥多半為針型閥，通徑較小，而流體中的水汽經(jīng)冷凝變成液滴，如果針型閥處理得不好或引壓管坡度欠合理，此液滴極易將通路封死。

差壓式均速管輸出的差壓信號(hào)一般都很小。當(dāng)流體為常溫常壓的空氣時(shí)，如果流速為10m/s,只能達(dá)到62.5Pa的差壓。這樣，一滴水滴將差壓傳輸通道封住，就足以將此差壓全部抵消掉。有的制造商將正負(fù)壓切斷閥改為通徑較大的直通閘閥，為保證儀表的可靠使用創(chuàng)造了條件。均速管典型安裝位置以及同差壓計(jì)的連接如圖3.82所示。

同均速管配用的差壓變送器的選型與安裝也需要給予足夠的注意。因?yàn)榕溆玫牟顗鹤兯推鳚M量程一般都只有幾百帕，個(gè)別流速特別低的測(cè)量對(duì)象甚至只有幾十帕，所以應(yīng)選用零點(diǎn)穩(wěn)定性好的微差壓變送器。

微差壓變送器安裝地點(diǎn)應(yīng)盡量避免振動(dòng)。與均速管配用的微差壓變送器，其差壓測(cè)量范圍很小，膜盒面積較大，對(duì)振動(dòng)非常敏感，受振動(dòng)以后膜片受到相應(yīng)的作用力，因而輸出信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。變送器受振動(dòng)而產(chǎn)生的零位輸出表現(xiàn)為隨機(jī)特征，但是振動(dòng)越劇烈，變送器輸出的代表差壓的電流信號(hào)上下擺動(dòng)的幅度也越大。此振動(dòng)干擾信號(hào)的正值經(jīng)開方后，相對(duì)值放大了若干倍，而其負(fù)值經(jīng)開方后輸出為零，最后使流量零點(diǎn)示值升高(見圖3.83)，這就是振動(dòng)導(dǎo)致這種流量計(jì)零點(diǎn)升高的本質(zhì)原因。

振動(dòng)引起的這種流量零點(diǎn)升高容易給人以錯(cuò)覺，因?yàn)樗捎诎惭b位置傾斜等因素引起的零點(diǎn)漂移疊加在一起。其實(shí)，振動(dòng)引起的差壓輸出變化是雙向的，其時(shí)間均值有可能為零，所以當(dāng)流量為常用流量值時(shí)，這種振動(dòng)的影響只表現(xiàn)為流量示值上下擺動(dòng)，其平均值基本不變。如果急于將儀表零位調(diào)低，倒容易引起正常測(cè)量時(shí)的示值偏低。

振動(dòng)引起的流量計(jì)零點(diǎn)示值升高與變送器安裝位置傾斜等原因引起的零點(diǎn)漂移在流量計(jì)示值變化規(guī)律上也有明顯的區(qū)別，后者表現(xiàn)為示值雖不為零但很穩(wěn)定或只隨時(shí)間緩慢地變化，而前者表現(xiàn)為頻繁地?cái)[動(dòng)。由于難以將這兩種影響共同作用的結(jié)果拆開來，所以最好的辦法是選擇一處振動(dòng)小的地方安裝差壓變送器。

消除或減小振動(dòng)對(duì)差壓式流量計(jì)零點(diǎn)影響的另一個(gè)有效方法是為差壓變送器選擇適當(dāng)?shù)淖枘釙r(shí)間，也可在二次表的流量信號(hào)輸入端增設(shè)阻容濾波環(huán)節(jié)。

微差壓變送器還應(yīng)避免陽(yáng)光的直接照射。由于陽(yáng)光直接照射使表體的向陽(yáng)側(cè)溫度升高，而背陽(yáng)側(cè)溫度卻較低，這一溫差引起變送器某些零部件幾何尺寸及其他有關(guān)參數(shù)產(chǎn)生不對(duì)稱變化，導(dǎo)致變送器零位出現(xiàn)明顯漂移。

關(guān)于均速管檢測(cè)桿斷面的形狀，前人已經(jīng)做了不少研究。其中圓形斷面現(xiàn)在已很少有人使用。因?yàn)檫@種形狀的檢測(cè)桿的流量系數(shù)K受雷諾數(shù)的影響較大。當(dāng)Re_D<10⁵時(shí)，K基本不變;而10⁵<Re_D<10⁶時(shí)，K增大，而且不穩(wěn)定，離散度約為±10%。這是因?yàn)榱黧w流過圓管時(shí)，分離點(diǎn)位置不固定所致。

菱形斷面檢測(cè)桿是對(duì)圓形斷面的改進(jìn)。由于流體分離點(diǎn)不再隨Re_D變化而固定在菱形兩側(cè)尖銳的拐點(diǎn)上，所以流量系數(shù)受Re_D影響減小到1%。這個(gè)結(jié)論是由一些權(quán)威的流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)大量試驗(yàn)所驗(yàn)證的，其中包括美國(guó)ALDEM研究試驗(yàn)室、NEL國(guó)家工程試驗(yàn)室等水試驗(yàn)室及美國(guó)CEESI和科羅拉多州工程試驗(yàn)室氣體試驗(yàn)站。

彈頭形檢測(cè)桿是近幾年出現(xiàn)的新型器件。1993年，美國(guó)威里斯(VERIS)公司推出彈頭形(Bullet)斷面檢測(cè)桿，威里斯公司是一家從事均速管流量計(jì)研究、生產(chǎn)及應(yīng)用的廠家，其公司總裁弗列德·古德(Fred Good)先生是均速管領(lǐng)域知名專家。

弗列德·古德先生針對(duì)鉆石型檢測(cè)桿信號(hào)脈動(dòng)大、低壓側(cè)易堵塞等缺點(diǎn)，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推出了彈頭斷面檢測(cè)桿(見圖3.84)。彈頭斷面檢測(cè)桿與菱形斷面檢測(cè)桿的相似之處是都有明顯的拐點(diǎn)，所以流體流過均速管后的流體分離點(diǎn)固定，流量系數(shù)K的穩(wěn)定性好。但彈頭形斷面檢測(cè)桿的拐點(diǎn)相對(duì)平緩，不致像菱形斷面檢測(cè)桿那樣會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦、較大的探頭振動(dòng)和脈動(dòng)的差壓輸出。另一個(gè)大的改進(jìn)是多個(gè)低壓取壓孔位于探頭的兩側(cè)面，即位于流體分離點(diǎn)之前，流速較快，而菱形斷面檢測(cè)桿的低壓孔位于背部，那里正好是流體中塵埃聚集的地點(diǎn)，流線紊亂，流速較慢，所以負(fù)壓測(cè)孔易堵。彈頭形斷面檢測(cè)桿的高壓測(cè)孔因彈頭形狀的前部較寬闊，形成靜止的高壓區(qū)，將阻止流體中的固體塵粒進(jìn)入，因而無論是低壓測(cè)孔還是高壓測(cè)孔，其防堵性能均優(yōu)于其他斷面的檢測(cè)桿。

以往均速管表面是光滑的，當(dāng)流速變化時(shí)，在均速管表面易形成邊界層流與邊界紊流交替出現(xiàn)的情況，增大了流體牽引力和渦街脫落力，這是造成流量系數(shù)不穩(wěn)定的另一個(gè)重要原因。威里斯公司根據(jù)流體邊界層理論研究的成果，在均速管前端表面采用粗糙化處理并加防淤槽(即在粗糙化處理部分和平滑部分交界處設(shè)一淺槽)，這相當(dāng)于有一個(gè)紊流發(fā)生器，使均速管表面不再形成邊界層流而始終保持邊界紊流，這就像高爾夫球表面上的凹痕可使球的飛行軌道更精確一樣，紊流發(fā)生器降低流體牽引力和渦街脫落力，并產(chǎn)生穩(wěn)定的流線，從而使流量系數(shù)更穩(wěn)定，范圍度更大。

威里斯公司彈頭形斷面檢測(cè)桿的流量系數(shù)K值的精確度雖然也為1.0%，但當(dāng)去掉雷諾數(shù)過低的個(gè)別數(shù)據(jù)，其精確度可達(dá)到0.5%。

差壓式均速管流量計(jì)不足之處主要有下列幾點(diǎn)。

a.流體組分變化時(shí)，密度相應(yīng)變化，引起示值變化。而這種組分變化是隨機(jī)的，在沒有成分分析儀的情況下，難以將其對(duì)示值的影響予以清除。

b.相對(duì)流量較小時(shí)(一般以30%FS為界)誤差增大。

c.由于難以逐臺(tái)測(cè)定其流量系數(shù)，因此難以通過JJG640規(guī)程的檢定，一般不適宜用于貿(mào)易結(jié)算。

③插入式渦輪流量計(jì)。用高靈敏度的插入式渦輪流量計(jì)測(cè)量潔凈氣體的流量，有很多明顯的優(yōu)勢(shì)。其一是簡(jiǎn)單可靠，價(jià)格較低;其二是線性分度，可測(cè)流速下限比渦街和均速管均低。

在這種儀表中，最重要的部分是軸承和軸，如果用一般材質(zhì)制成，壽命不長(zhǎng)。有些用戶選用瑞士專門技術(shù)制成的寶石軸承配上鎳基碳化鎢軸，壽命大大延長(zhǎng)，換一次轉(zhuǎn)子組件和軸承最長(zhǎng)的可用到5年，精確度仍在允許范圍(±0.3%R)之內(nèi)(用于油品測(cè)量)。

流體的清潔至關(guān)重要，黏稠的焦油和污垢會(huì)將轉(zhuǎn)子粘住或轉(zhuǎn)速減低?；覊m附著在渦輪上，流量系數(shù)要發(fā)生變化，因此，應(yīng)定期清洗。

④熱式質(zhì)量流量計(jì)。熱式質(zhì)量流量計(jì)一般是在圓形檢測(cè)桿(不銹鋼保護(hù)套管)的端部布置兩只熱敏元件，如圖3.85所示，其中參比熱敏元件同氣體的流動(dòng)相隔離，而測(cè)量熱敏元件被放置在氣體的流路中，兩只熱敏元件被加熱到一定溫度，并組成惠斯登電橋(見圖3.86)，當(dāng)流路內(nèi)的氣體流速增大時(shí)，測(cè)量熱敏元件被帶走的熱量增大，從而導(dǎo)致其溫度降低，阻值變小，橋路輸出相應(yīng)增大。另外，流體壓力的增大和流體溫度的降低也都使敏感元件被帶走的熱量增大，最后使得橋路輸出與流體質(zhì)量流量成正比。

由于測(cè)量熱敏元件的熱量損失主要是由氣體流動(dòng)所引起，因此氣體組分的變化對(duì)流量示值影響很小。

這種儀表的最大優(yōu)點(diǎn)是范圍度大，可達(dá)40:1。流體溫度最高可達(dá)到400℃。但由于熱絲與被測(cè)流體直接接觸，在流體含有油污之類的物質(zhì)時(shí)，熱絲容易被污染而改變散熱條件，影響測(cè)量精確度，因此，有的公司推出帶清洗裝置的產(chǎn)品。    

⑤孔板流量計(jì)。插入式流量計(jì)的最大困難是校準(zhǔn)問題，現(xiàn)在已經(jīng)有JJG規(guī)程的只有插入式渦街流量傳感器和均速管，而且必須在標(biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定其流量系數(shù)。否則就難以通過強(qiáng)制檢定。有些用于貿(mào)易交接的大口徑氣體流量計(jì)為了通過強(qiáng)制檢定，往往仍舊回到節(jié)流式差壓流量計(jì)。

有些氣體有時(shí)還難免帶點(diǎn)冷凝水在管道底部流動(dòng)，為了不讓這些水在節(jié)流裝置前積聚，采用偏心孔板或圓缺孔板流量計(jì)較合適。

有些氣體夾帶塵埃，甚至還有焦油之類的黏稠物，用不了多久孔板端面就黏附一層污垢，為了解決不斷流拆洗，可采用可換孔板節(jié)流裝置。為了防止正負(fù)壓取壓孔被灰塵及污垢堵死，常常采用D-D/2徑距取壓法。而引壓管除保證坡度外，引壓管內(nèi)徑取上限數(shù)值和在引壓管轉(zhuǎn)彎處均留有活門，以便逐段疏通，也極具實(shí)用價(jià)值。