摘要：檢測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。對玻璃生產(chǎn)線常見的氣體流量計的選型與應(yīng)用進行一些探討。
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)的流量需要測量，如助燃風(fēng)、調(diào)溫風(fēng)等冷卻風(fēng)、壓縮空氣、惰性氣、氮氣、氫氣、氧氣、天然氣、液化氣、蒸汽等。以最常見的風(fēng)流量計的選型應(yīng)用為例,按時期先后大致如下:節(jié)流差壓式流量計(標(biāo)準節(jié)流孔板、文丘里，管等),渦街流量計,差壓式流量計(均速管流量計),熱式質(zhì)量流量計,節(jié)流差壓式流量計(彎管流量計),節(jié)流差壓式流量計(多孔孔板平衡流量計)等。幾種流量計各有優(yōu)缺點,下面對它們進行一-些分析探討,以期合理選型正確使用。
1標(biāo)準節(jié)流差壓式流量計
標(biāo)準節(jié)流孔板及文丘里管等典型的節(jié)流差壓式流量計,是傳統(tǒng)最常見的流量計�；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)準節(jié)流式流量計的基本公式為:
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)準節(jié)流件上、下游側(cè)規(guī)定的取壓孔位置上所測得的靜壓力之差。
以孔板流量計為例，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，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)
孔板流量計優(yōu)點是經(jīng)典成熟，一次測量元件構(gòu)造較簡單,便于制造加工。缺點是壓力損失大，差壓信號較小,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,大口徑管路流量測量時,無論是性/價比還是安裝方面考慮均不可取。
當(dāng)流體實際工況(密度、成分、壓力、溫度等)較多地偏離設(shè)計計算參數(shù)時,將引入很大的測量誤差;當(dāng)孔板前、后的直管段長度不滿足規(guī)定要求時也會導(dǎo)致較大的測量誤差(為了保證標(biāo)稱的測量精度,近年的新標(biāo)準對直管段長度有加長的趨勢),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量精度。此外,安裝使用不當(dāng),也會附加測量誤差。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)計計算取值,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)準孔板或文丘里管流量計在浮法玻璃生產(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,安裝相對較麻煩,壓力、溫度變動較大時若不采取自動補償則誤差很大,故后來采用得較少。對于大口徑低壓力風(fēng)管流量測量更不宜采用。
從節(jié)能降耗的角度考慮,建議盡量少選用標(biāo)準節(jié)流孔板等流量計,改選壓力損失小的其它新型流量計。
2渦街流量計
渦街流量計(旋渦流量計)屬流體振動流量計,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)會產(chǎn)生兩列交錯排列的旋渦。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)。
由壓電元件測得頻率f,便可測得工況流速V,管道有效截面積4已知,進而可獲得流體流量。
其測量是基于漩渦頻率,因而不存在零點和量程的漂移問題;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,則也要進行壓力、溫度修正。已有一體化渦街質(zhì)量流量計。插入式渦街流量計無須占用工藝管段。安裝簡單,維護使用方便,無堵塞之慮。國內(nèi)外在不少場合用渦街流量計取代傳統(tǒng)孔板、渦輪流量計等。
渦街流量計量程比一般為10:1,優(yōu)于孔板等差壓式流量計,但不及熱式流量計。其測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)生體的渦街流量計可以測量雷諾數(shù)較低的流體。渦街流量計要求的直管段長,不適合低流速測量，怕振動。在直管段足夠長、流速足夠大、無較大振動的場合可選用。直管段足夠長時,最好采用平均流速點法,插入深L=0.121D,測量精度幾乎不受雷諾數(shù)變化的影響;直管段較短時,一般采用中心最大流速點法,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)場沒有測量所需的足夠長的直管段,環(huán)境振動和測量下限值限制等因素。
3均速管流量計
屬差壓式流量計,由單點測速的皮托管演變發(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)等于其動壓加靜壓，測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壓值。流體的平均動壓即平均差壓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。
均速管流量計導(dǎo)致的流體壓力損失很小，永久壓力損失僅是標(biāo)準孔板的5%以下,均速管結(jié)構(gòu)簡單,安裝維護比較方便(但比渦街流量計和熱式質(zhì)量流量計要增加取壓導(dǎo)壓管和差壓變送器),大口徑管路流量測量時優(yōu)點突出。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。
均速管流量計第一代圓型截面產(chǎn)品缺點是互換性較差,K值欠穩(wěn)定,差壓信號小，取壓孔有堵塞之慮。針對缺點,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,測量精度較高,對安裝要求降低。
一些玻璃廠用戶反映,均速管風(fēng)流量計安裝初期尚好,后期檢測不正常�？赡茉驘o外乎以下幾點:
①均速管正負檢測孔堵塞;或均速管未固定安裝好,正壓檢測孔未正對流體方向。
②取壓導(dǎo)壓管泄漏或堵塞(若泄漏不僅會直接影響測量,還由于有含塵流體緩慢流動,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。
需要提示的是,若直管段不夠長,會引入測量誤差。另外,若沒有采用溫、壓自動補償,而實際.運行工藝參數(shù)(尤其是壓力)偏離均速管選用設(shè)計值較大時,將引入較大的測量誤差,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、壓自動補償。
4熱式質(zhì)量流量計
熱式質(zhì)量流量計基于熱傳遞原理。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，必須同時相應(yīng)改變加熱傳感器的加熱功率，才能保持Δt不變，故測得加熱功率就間接地測得流體的質(zhì)量流量。檢測元件總熱損失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流、熱輻射和熱傳導(dǎo)總的熱傳遞常數(shù)(相對于介質(zhì)的強制對流，傳感器的自然對流、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)售價仍太高，其實測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爭的引入，其價格可望逐漸降至與渦街流量計相當(dāng)。
熱式質(zhì)量流量計有許多優(yōu)點:一體化結(jié)構(gòu)，安裝方便，直接測得質(zhì)量流量，不受溫、壓等波動影響，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1s)等。尤其突出的是高量程比，一般100:1以上，甚至可達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)事先不能確知的場合是很可貴的。缺點是目前價仍較高(進口產(chǎn)品約2萬)，并且長期使用也會在傳感元件處黏附粉塵雜質(zhì)，影響測量，需及時清潔。對于天然氣、液化氣、氧、氫等非空氣流體(氮氣接近空氣，誤差較小)，應(yīng)要求供應(yīng)商按實氣標(biāo)定，否則誤差較大。
熱式質(zhì)量流量計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
標(biāo)準節(jié)流孔板、文丘里管等傳統(tǒng)節(jié)流差壓式流量計永久壓力損大(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量。
新型的A+K多函數(shù)孔圓盤式平衡流量計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)準孔板等節(jié)流式差壓流量計，同樣遵從伯努利定律，但由于圓盤具有多個獨特的函數(shù)孔，在節(jié)流同時還對流體進行整流和平衡調(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。
缺點是由于專有技術(shù)、前期開發(fā)等因素，目前售價比較高，相信總趨勢將逐漸向標(biāo)準節(jié)流件價格靠攏;此外，雖然永久壓力損比傳統(tǒng)標(biāo)準節(jié)流件小很多，但仍比熱式、均速管等流量計壓力損大，特別是用于低壓流體時，其永久壓力損往往高于總壓力的10%以上;另外，與標(biāo)準節(jié)流件一樣，要配套取壓管路和差壓變送器，壓力、溫度變動較大時要采取自動補償;大口徑管路流量測量時，無論是性1價比還是安裝方面考慮均無優(yōu)勢。
多孔平衡式流量計將逐漸取代原來傳統(tǒng)的標(biāo)準差壓式節(jié)流裝置，隨著價格的逐漸下降和節(jié)能降耗事業(yè)的深入發(fā)展，其在流量測量領(lǐng)域?qū)⒂休^廣闊的應(yīng)用前景。
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