氮氣、沼氣流量計的(de)正确選型與應用(yòng)

摘要：檢測儀表的(de)合理(lǐ)選型正确使用(yòng)不僅是工藝生産的(de)需要，也(yě)是節能降耗的(de)需要。本文僅對(duì)玻璃生産線常見的(de)氣體流量計 的(de)選型與應用(yòng)進行一些探討(tǎo)。
玻璃生産線(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(de)流量需要測量，如助燃風、調溫風等冷(lěng)卻風、壓縮空氣、惰性氣、氮氣、氫氣、氧氣、天然氣、液化(huà)氣、蒸汽等。
以最常見的(de)風流量計的(de)選型應用(yòng)爲例，按時(shí)期先後大(dà)緻如下(xià)：節流差壓式流量計(标準節流孔闆、文丘裏管等)，渦街(jiē)流量計，差壓式流量計(均速管流量計)，熱(rè)式質量流量計，節流差壓式流量計(彎管流量計)，節流差壓式流量計(多(duō)孔孔闆平衡流量計)等。幾種流量計各有優缺點，下(xià)面對(duì)它們進行一些分(fēn)析探討(tǎo)，以期合理(lǐ)選型正确使用(yòng)。
1、标準節流差壓式流量計
标準節流孔闆及文丘裏管等典型的(de)節流差壓式流量計，是傳統最常見的(de)流量計。基于流體連續性原理(lǐ)和(hé)流體力學能量守衡原理(lǐ)，遵從伯努利定律。
标準節流式流量計的(de)基本公式爲：

式中：α爲流量系數；ε爲流束膨脹系數；Ad爲工作狀态下(xià)節流件開孔面積；ρ爲節流件上遊側取壓處流體密度，标準節流件上、下(xià)遊側規定的(de)取壓孔位置上所測得(de)的(de)靜壓力之差。
以孔闆流量計爲例，推導得(de)其應用(yòng)公式爲：

當孔闆流量系數α、流束膨脹系數ε、管道與孔闆材料熱(rè)膨脹校正系數k、流體密度ρ及孔闆節流孔徑逝似視爲常數C時(shí)，流體流量Q與孔闆前、後的(de)壓力差△P的(de)平方根成正比，公式簡化(huà)爲：Q=C△P孔闆流量計優點是經典成熟，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(dà)，差壓信号較小，量程比小，一般爲3:1，要求直管段長(cháng)，需要占用(yòng)較長(cháng)的(de)工藝管路，無法在線拆裝檢修，檢測件和(hé)管路安裝較麻煩，需另外配套差壓變送器，大(dà)口徑管路流量測量時(shí)，無論是性/價比還(hái)是安裝方面考慮均不可(kě)取。
當流體實際工況(密度、成分(fēn)、壓力、溫度等)較多(duō)地偏離設計計算(suàn)參數時(shí)，将引入很大(dà)的(de)測量誤差；當孔闆前、後的(de)直管段長(cháng)度不滿足規定要求時(shí)也(yě)會導緻較大(dà)的(de)測量誤差(爲了(le)保證标稱的(de)測量精度，近年的(de)新标準對(duì)直管段長(cháng)度有加長(cháng)的(de)趨勢)，孔闆加工精度、變形、節流孔入口邊緣磨損變鈍等也(yě)影(yǐng)響測量精度。此外，安裝使用(yòng)不當，也(yě)會附加測量誤差。比如孔闆中心與管道中心不同心，管道内表面不光(guāng)潔，管道變形或内徑偏離設計計算(suàn)取值，上、下(xià)遊取壓管不一緻(高(gāo)度、阻力、受熱(rè)等)，取壓管路、接頭、閥門洩漏或堵塞，配套差壓變送器誤差等。
标準孔闆或文丘裏管流量計在浮法玻璃生産線上有一些應用(yòng)，但由于壓力損大(dà)，不利于節能降耗，工藝管路又往往較難獲得(de)測量所需的(de)足夠長(cháng)的(de)直管段，不能在線拆裝檢修，加上要配套取壓管路和(hé)差壓變送器，安裝相對(duì)較麻煩，壓力、溫度變動較大(dà)時(shí)若不采取自動補償則誤差很大(dà)，故後來(lái)采用(yòng)得(de)較少。對(duì)于大(dà)口徑低壓力風管流量測量更不宜采用(yòng)。
從節能降耗的(de)角度考慮，建議(yì)盡量少選用(yòng)标準節流孔闆等流量計，改選壓力損失小的(de)其它新型流量計。
2、渦街(jiē)流量計
渦街(jiē)流量計(旋渦流量計)屬流體振動流量計，基于Karman卡門渦街(jiē)效直原理(lǐ)。流體在非流線型阻擋物(wù)(旋渦發生體)後的(de)兩側會産生兩列交錯排列的(de)旋渦。旋渦分(fēn)離的(de)頻(pín)率f與阻擋物(wù)側面的(de)流速V成正比，與阻擋物(wù)的(de)迎流面寬度d成反比，遵從下(xià)列公式：

其中S爲Strouhal斯特勞哈爾數，雷諾數在一定區(qū)段範圍内是常數南(nán)壓電元件測得(de)頻(pín)率廠，便可(kě)測得(de)工況流速V，管道有效截面已知，進而可(kě)獲得(de)流體流量。
其測量是基于漩渦頻(pín)率，因而不存在零點和(hé)量程的(de)漂移問題：輸出與工況流量成正比，不受流體密度、成分(fēn)、壓力、溫度等影(yǐng)響，但若轉換爲标況流量，則也(yě)要進行壓力、溫度修正。已有一體化(huà)渦街(jiē)質量流量計．
插人(rén)式渦街(jiē)流量‘無須占用(yòng)丁藝管段：安裝簡單，維護使用(yòng)方便，無堵塞之慮。國内外在不少場(chǎng)合用(yòng)渦街(jiē)流量計取代傳統孔闆、渦輪等流量計。
渦街(jiē)流量計量程比一般爲10：1，優于孔闆等差壓式流量計，但不及熱(rè)式流量計。其測量下(xià)限值取決于是否産生漩渦(流體黏度是主内因)和(hé)漩渦強度是否足夠(流體密度是主内因)。

一般不适用(yòng)于低流速流體，有時(shí)不得(de)不将工藝管道縮管，以提高(gāo)流速。雙發生體的(de)渦街(jiē)流量計可(kě)以測量雷諾數較低的(de)流體。渦街(jiē)流量計要求的(de)直管段長(cháng)，不适合低流速測量，怕振動。在直管段足夠長(cháng)、流速足夠大(dà)、無較大(dà)振動的(de)場(chǎng)合可(kě)選用(yòng)。直管段足夠長(cháng)時(shí)，最好采用(yòng)平均流速點法，插入深L=0．121D，測量精度幾乎不受雷諾數變化(huà)的(de)影(yǐng)響；直管段較短時(shí)，一般采用(yòng)中心最大(dà)流速點法，插入深L=0．5D。
在浮法玻璃生産線，影(yǐng)響其被選用(yòng)的(de)主要是現場(chǎng)沒有測量所需的(de)足夠長(cháng)的(de)直管段，環境振動和(hé)測量下(xià)限值限制等因素：
3、均速管流量計
屬差壓式流量計，南(nán)單點測速的(de)皮托管演變發展而來(lái)，基于流體力學能量守衡原理(lǐ)，遵從伯努利定律。流體的(de)全壓(總壓力)等于其動壓加靜壓，測得(de)流體的(de)平均全壓與平均靜壓之差△P，就獲得(de)流體的(de)平均動壓值。流體的(de)平均動壓即平均差壓△P與平均流速間的(de)關系爲：

式中：K爲均速管流量系數；A爲管道有效截面積。
均速管流量計導緻的(de)流體壓力損失很小，其永久壓力損失僅是标準孔闆的(de)5％以下(xià)，均速管結構簡單，安裝維護比較方便(但比渦街(jiē)流量計和(hé)熱(rè)式質量流量計要增加取壓導壓管和(hé)差壓變送器)，大(dà)口徑管路流量測量時(shí)優點突出。各公司标稱的(de)所需直管段差異很大(dà)，有的(de)小到2D，大(dà)的(de)卻要20D；價格差異也(yě)很大(dà)，不含差壓變送器，便宜的(de)一兩千元，貴的(de)上萬元。
均速管流量計第一代圓型截面産品缺點是互換性較差，值欠穩定，差壓信号小，取壓孔有堵塞之慮。針對(duì)缺點，近十幾年出現了(le)第二代(橢圓型、扇型、菱型即寶石鑽石型、子彈型、機翼型等)和(hé)第三代産品(T型)。EMERSON旗下(xià)的(de)羅斯蒙特推出的(de)T型專利産品，具有本質抗堵性，信噪比大(dà)，值穩定，測量精度較高(gāo)，對(duì)安裝要求降低。
一些玻璃廠用(yòng)戶反映，均速管風流量計安裝初期尚好，後期檢測不正常。可(kě)能原因無外乎以下(xià)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(duì)流體方向。
②取壓導壓管洩漏或堵塞(若洩漏不僅會直接影(yǐng)響測量，還(hái)由于有含塵流體緩慢(màn)流動，易導緻均速管内積雜(zá)塵，易堵塞)。
③閥門(含三閥組)堵塞或洩漏。
④差壓變送器異常。
排除以上故障後應可(kě)恢複正常工作，無須更換流量計。
需要提示的(de)是，若直管段不夠長(cháng)，會引入測量誤差。另外，若沒有采用(yòng)溫、壓自動補償，而實際運行工藝參數(尤其是壓力)偏離均速管選用(yòng)設計值較大(dà)時(shí)，将引入較大(dà)的(de)測量誤差，在助燃風等普遍采用(yòng)變頻(pín)調速控制的(de)情況下(xià)此問題較突出，建議(yì)應采用(yòng)溫、壓自動補償。
4、熱(rè)式質量流量計
熱(rè)式質量流量計基于熱(rè)傳遞原理(lǐ)。傳感元件是封裝于不鏽鋼套管内的(de)2個(gè)精密熱(rè)電阻RTD(一般爲鉑電阻)，其一是流體介質溫度傳感元件，另一爲加熱(rè)兼傳感元件，由它們組成惠斯登電橋的(de)兩個(gè)橋臂，控制加熱(rè)傳感器的(de)加熱(rè)功率，以使加熱(rè)傳感器和(hé)參比溫度傳感器間保持恒定溫差△t=t-=常數。流體流過加熱(rè)傳感器所帶走的(de)熱(rè)量和(hé)流體的(de)流速與密度之積ρV的(de)rn次方成正比，即與流體的(de)質量流量的(de)m次方成正比。流體的(de)質量流量變化(huà)時(shí)，必須同時(shí)相應改變加熱(rè)傳感器的(de)加熱(rè)功率，才能保持△t不變，故測得(de)加熱(rè)功率就間接地測得(de)流體的(de)質量流量。檢測元件總熱(rè)損失E與質量流速ρV、質量流量阚的(de)函數關系式如下(xià)：
 

式中：k爲流體導熱(rè)系數；A爲被加熱(rè)元件面積；B爲傳感器支撐件的(de)自然對(duì)流、熱(rè)輻射和(hé)熱(rè)傳導總的(de)熱(rè)傳遞常數(相對(duì)于介質的(de)強制對(duì)流，傳感器的(de)自然對(duì)流、熱(rè)輻射和(hé)熱(rè)傳導影(yǐng)響極小)；C爲常數；d爲傳感器直徑；μ爲流體黏度；m爲系數(一般m≥0．3)；T爲元件表面溫度；T爲介質溫度；爲管道有效截面積。
熱(rè)式工作原理(lǐ)的(de)質量流量計幾十年前就有，但獲得(de)推廣應用(yòng)是近十幾年的(de)事。遺憾的(de)是目前國内售價仍太高(gāo)，其實測量原理(lǐ)和(hé)制造工藝并不太複雜(zá)。相信随著(zhe)制造商的(de)增加和(hé)競争的(de)引入，其價格可(kě)望逐漸降至與渦街(jiē)流量計相當。
熱(rè)式質量流量計有許多(duō)優點：一體化(huà)結構，安裝方便，直接測得(de)質量流量，不受溫、壓等波動影(yǐng)響，量程比大(dà)，壓力損小，直管段要求也(yě)比較低，能适應較惡劣環境，響應速度快(kuài)(可(kě)達1s)等。尤其突出的(de)是高(gāo)量程比，一般100:1以上，甚至可(kě)達300:1，特别是在量程低端也(yě)有極高(gāo)的(de)靈敏度和(hé)精确度，這(zhè)在工況參數事先不能确知的(de)場(chǎng)合是很可(kě)貴的(de)。缺點是目前價仍較高(gāo)(進口産品約2萬)，并且長(cháng)期使用(yòng)也(yě)會在傳感元件處黏附粉塵雜(zá)質，影(yǐng)響測量，需及時(shí)清潔。對(duì)于天然氣、液化(huà)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标定，否則誤差較大(dà)。
熱(rè)式質量流量計在浮法玻璃線上獲得(de)了(le)廣泛應用(yòng)
5、多(duō)函數孔孔闆平衡式流量計
标準節流孔闆、文丘裏管等傳統節流差壓式流量計永久壓力損大(dà)(由于死區(qū)和(hé)大(dà)量渦流)，量程比小，要求直管段長(cháng)，尤其不适合允許壓力損小、直管段短和(hé)大(dà)口徑管路的(de)測量。
新型的(de)A+K多(duō)函數孔圓盤式平衡流量計BFM(BalancedFlowMeter)，是美(měi)國航空航天局、馬歇爾航空飛(fēi)行中心深入研究、大(dà)量試驗的(de)成果，巧妙地将傳統整流器和(hé)節流件一體化(huà)、創新化(huà)，雖然原理(lǐ)類同标準孔闆等節流式差壓流量計，同樣遵從伯努利定律，但由于圓盤具有多(duō)個(gè)獨特的(de)函數孔，在節流同時(shí)還(hái)對(duì)流體進行整流和(hé)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(是傳統的(de)1／3)，提高(gāo)量程比(>10：1)、測量精度(優于0．5％)、穩定性(噪聲是傳統的(de)1／15)、耐污堵等方面均有極大(dà)改善。還(hái)可(kě)測雙向流、氣液兩相流、漿料甚至固體顆粒流，幾乎适用(yòng)于所有流體。缺點是由于專有技術、前期開發等因素，目前售價比較高(gāo)，相信總趨勢将逐漸向标準節流件價格靠攏；此外，雖然永久壓力損比傳統标準節流件小很多(duō)，但仍比熱(rè)式、均速管等流量計壓力損大(dà)，特别是用(yòng)于低壓流體時(shí)，其永久壓力損往往高(gāo)于總壓力的(de)10％以上；另外，與标準節流件一樣，要配套取壓管路和(hé)差壓變送器，壓力、溫度變動較大(dà)時(shí)要采取自動補償；大(dà)口徑管路流量測量時(shí)，無論是性/價比還(hái)是安裝方面考慮均無優勢。
多(duō)孔平衡式流量計将逐漸取代原來(lái)傳統的(de)标準差壓式節流裝置，随著(zhe)價格的(de)逐漸下(xià)降和(hé)節能降耗事業的(de)深入發展，其在流量測量領域将有較廣闊的(de)應用(yòng)前景。
表1是美(měi)國A+流量技術公司(A+FlowTek)(合作商上海科洋科技發展有限公司)提供的(de)A+K多(duō)孔平衡流量計與其它差壓式流量計的(de)對(duì)比(由于各制造廠及現場(chǎng)狀況的(de)差異，以下(xià)有些描述不盡準确，個(gè)别作了(le)修改，僅供參考)。

6、玻璃行業常用(yòng)氣體流量計應用(yòng)對(duì)比
在滿足工藝生産需要的(de)條件下(xià)，應盡量選用(yòng)利于節能降耗的(de)流量計。表2是對(duì)玻璃生産線常用(yòng)的(de)氣體流量計所做(zuò)的(de)對(duì)比，以便正确合理(lǐ)選型應用(yòng)。