引言

 

　　流量参数在工业应用中不仅作为过程控制变量,同时也是计量核算的依据,它为企业的成本核算和市场运营提供了可靠的数据。然而流量测量又是工业测量的难点,在实际应用中,由于工艺条件和测量介质的千差万别,根据设计所选仪表往往不能满足实际要求。因此,如何正确地选用流量仪表来达到计量的目的就有着重要的意义。

 

　　由于气体流量的复杂性,气体流量仪表在精确度、可靠性等方面都明显劣于液体流量仪表,特别是大口径、含尘量大、低流速、带有腐蚀性的煤气的计量问题更多。下面对近年来应用在焙烧炉煤气计量仪表作阐述和比较,为解决大管径煤气计量问题提供参考。

 

　　1　流量计在焙烧炉上的应用情况

 

　　我厂先后投运的2#、3#、4#焙烧炉都曾用涡轮流量计、阿牛巴流量计作为计量仪表,但由于种种原因效果均不理想。直到采用了上海宝音电子有限公司专门设计生产的适用于测量煤气的WZ22188型超声波流量计,问题才得到较好的解决。

 

　　2　涡轮流量计

 

　　2.1　涡轮流量计原理

 

　　当流体流经涡轮流量传感器时,叶轮上的叶片板面与流体流向有一夹角,在流体推力作用下涡轮受力旋转,其转速与管道平均流速成正比,涡轮转动周期地改变磁电转换器的磁阻值,检测线圈中的磁通随之发生周期性变化,产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量(雷诺数)范围内,该电脉冲信号与流经涡轮流量传感器处流体的体积流量成正比。涡轮流量计的理论流量方程为:

　

 

　　式中:n为涡轮转速;qv为体积流量;A为流体物性(密度、粘度等),涡轮结构参数(涡轮倾角、涡轮直径、流道截面积等)有关的参数;B为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的系数;C为与摩擦力矩有关的系数。

 

　　2.2　涡轮流量计优缺点

 

　　涡轮流量计精度高、重复性好、范围度宽,但由于涡轮流量计的测量元件是转动的叶轮,并使用了轴承,叶轮的高速旋转、流体冲击和振动都容易造成轴承的损坏,故要求所测流体必须洁净,在使用过程中还应勤于校准。显然,涡轮流量计用于脏污气体的计量时易使叶轮与轴承粘住,造成测量不准确。再就是涡轮流量计易受介质物性和流体流动特性的影响,愈是高精确度,其影响愈敏感,例如介质脏污、结垢使叶片及通道发生变化,流量计特性亦随之改变。

 

　　2.3　涡轮流量计在焙烧炉的运行情况

 

　　3#焙烧炉T11燃烧器的煤气计量使用涡轮流量计,由于T11并非持续运行,所以在冬天存在启动时叶轮粘死的情况,需要拆卸清理,非常不便。另外煤气成分和工况的变化,影响参数A,难以保证精度。仪表长时间运转,磨损在所难免,这当然会影响测量精度,严重磨损甚至造成仪表无法工作。

 

　　3　阿牛巴流量计

 

　　3.1　阿牛巴流量计原理

 

　　阿牛巴流量计也叫均速管流量计,它是一根沿直径插入管道中的空金属杆,在迎向流体流动方向有成对的测压孔,一般说来是两对,但也有一对或多对的,其外形似笛。迎着流面的多点测压孔测量的是正压,背着流面的多点测压孔测量的是负压。阿牛巴流量计是利用测量流体的前后压差来实现流量的测量,其流量计算基本公式为

　　

 

　　式中:qv为流体的体积流量,m3/s;α为工作状态下均速管的流量系数;A为工作状态下管道内截面面积,m2;∈为工作状态下流体流过检测杆时流束的膨胀系数;ρ为流体的密度,kg/m3;Δp为压差,Pa。

 

　　3.2　阿牛巴流量计优缺点

 

　　阿牛巴流量计,它结构简单、安装维护方便、压损小、用于大管径测量时,相对价格便宜。但阿牛巴的测量原理及流量计算方法,决定了它不可能有理想的测量准确度(流量系数不确定度为1% ),工况条件变化较大时,实际测量误差会远远超出设计标定值。流体对迎面取压孔的边缘磨损也会使流量系数逐渐发生改变,这与孔板锐边磨蚀相似,造成性能不稳定。在测量脏污气体时,取压孔容易堵塞,由测量原理知道它测的是正对流体前后的压差,堵塞以后就造成差压Δp值不断减小,由流量计算公式我们可以看出所测流量随差压值Δp的变化准确度降低。另外安装对准也是个难题,安装时必须确保取压孔与流线平行,稍有倾斜即引起测量误差。同时,由于煤气压力低、流速慢,形成压差低。小量压差在量程中占较大比例,极容易形成很大误差。

 

　　3.3　阿牛巴流量计在焙烧炉的运行情况

 

　　V19的煤气计量用阿牛巴流量计,由于焙烧炉所用的煤气是发生炉煤气和焦炉煤气,它含有较高的水和煤焦油,取压孔容易堵塞,而生产又不允许在线清理,长周期对Δp值有较大的影响。而且煤气脏,清理起来很麻烦,需要高压风冲。若风压不够,则很难冲开,维护起来极为不便。

 

　　4　时差式超声波流量计

 

　　4.1　时差式超声波流量计原理

 

　　当超声波穿过流动的流体时,在同一传播距离内,其沿顺流方向和沿逆流方向的传播速度则不同。在较宽的流量(雷诺数)范围内,该时差与被测流体在管道中的体积流量(平均流速)成正比。超声波流量计的流量方程式为:

 

　

 

　　式中:qf为工况下的体积流量,m3/s;D为流体通过的管道的直径,m;V为流体通过超声换能器之间传播途径上的声道速度,m/s;L为超声波在换能器之间传播途径上声道长度,m;X为传播途径上的轴向分量,m;t1为超声波顺流传播的时间, s;t2为超声波逆流传播的时间, s。

 

　　4.2　时差式超声波流量计用于煤气流量测量

 

　　焙烧炉煤气计量涉及到山西分公司贸易结算,其计量仪表是非常重要的计量仪表。不含颗粒物的水、溶液等用时差式超声波流量计测量技术上比较成熟,使用也较普遍,超声波流量计大量地应用在液体测量中(应用在山西分公司的有130多套),国内外有许多公司生产这类仪表,应用技术上已经成熟。但普通的超声波流量计不能用于气体测量,用时差式超声波流量计测量含尘量大、低流速、带有腐蚀性气体流量问题对气体流量计量是一个难题,特别是含有CO2的气体声能衰减力强,需要专门设计制造具有较强声能发射的换能器,由于气体流量测量的复杂性,生产用于气体流量测量的超声波流量计很少。

 

　　大流量煤气的计量问题在工业应用中很难解决,虽然美国GE Panametrics公司已成功解决用时差式超声波流量计测量气体流量问题,但价格非常昂贵;在国内上海宝音电子有限公司生产的WZ22188型超声波流量计技术方面还比较成熟,价格也只有美国GEPanametrics公司的百分之二十几。上海宝音电子有限公司生产的WZ22188超声波气体流量计根据气体成分和流量的特点,采用微型高能传感器和具有国际先进水平的超声波超高灵敏度技术等,成功实现了多种气体的准确测量,解决了超声波流量计用于煤气流量测量问题。

 

　　4.3　时差式超声波流量计的特点

 

　　时差式超声波流量计准确度高、重复性好、量程比宽,管径大小不受限制。从流量计算公式可以看出,用超声波流量计所测得的流量只与超声波在流动流体中沿顺流方向和沿逆流方向的传播时间有关,而与气体本身性质无关,即不受气体成份、密度、温度等影响。换能器它不存在堵塞问题,也不存在粘死和磨损现象,也无阻力,无压力损失,无可动部件。在以下条件:①管道内部管壁上粘结近脏污杂质;②管道内部冷凝积水;③换能器表面覆盖粘性油品,系统仍然工作正常。还有就是安装简单,也可不断流拆装、维护,在线检修极为方便。但对直管段的要求比较高,上游直管段长度为10D(D为管道直径)。

 

　　4.4　时差式超声波流量计在焙烧炉的运行情况

 

　　2#、3#、4#焙烧炉共用了三台超声波流量计。自2004年9月投运以来,运行一直很稳定,准确度高、故障率低、维护量小。

 

　　5　时差式超声波流量计的使用

 

　　5.1　干扰问题

 

　　在安装调试期间,出现波形干扰比较大,找出原因是因为用了临时电源,临时电源接地效果差,最后从供电系统上专门拉接电源,这一问题才得以解决。这说明超声波流量计对电磁干扰、噪声比较敏感,在安装中应该注意这些问题。

 

　　5.2　变送器的调校问题

 

　　超声波流量计自2004年9月投运以来,运行一直很稳定。只是在维护过程中,由于没有掌握变送器的调校方法,波形一直调不好,在一个月内对变送器进行了2~3次调校,不但增加了工作的维护量,而且使煤气的计量也受到影响。超声波流量计能否用好,变送器的调校是关键。因为调校比较复杂,通过厂家的指导,使我们对变送器的调校有更深的了解。使用示波器对WZ22188调校需调A、B、C、D四个波形,波形的意义和调校注意事项如下:

 

　　WZ22188超声波流量计有一对传感器,两者交替发射、接收超声波。在变送器面板上有6个接线柱,7个变阻器。其中接线柱1、2一组对应传感器1的波形A和C,通过变阻器W4调整波形。3、4一组对应传感器2波形A和C,通过变阻器W3调整波形。1、6一组对应传感器1波形D,通过变阻器W6调整波形。3、6一组对应传感器2的波形D,通过变阻器W5调整波形。1、5一组在初始化调校时通过变阻器W1调整波形B。

 

　　①A波

 

　　A波的波形如图1a所示。A波是一对传感器的发射波S1和接收波S2。T是超声波从发射探头到接收探头间的传送时间。与传感器之间距离、管道内介质、气体流速有关。

 

　　从波形A可以看出传感器信号的强弱。强信号波形比较饱满,特别是S2出现很弱的情况时,表明传感器性能已经下降,需要维护或更换。

 

　　波形A反映电源和信号电缆性能好坏。当在X轴出现杂波或S2非常杂乱时,就要检查电源接地是否良好或电缆性能。

 

　　从波形A观察调校情况。如果S2波形很不规则,表明仪表调校时对变阻器进行了大范围调整,造成混乱。需要先调W5(W6),再调W3(W4)逐步将S2调整规则才能进一步调校。

 

　

 

　　②C波

 

　　C波的波形如图1b所示。C波是S2的扩展。即将示波器纵坐标定位在A波中的S2,然后把X轴的单位由毫秒调为纳秒所出现的波形。调C波主要是以稳定波形为准,使仪表准确识别和计算时间,如图2中以波峰S4为准,这样仪表才能稳定和准确。调校时还应注意将波峰S3幅值调为S4的0.5~0.75倍。

 

　　③D波

 

　　D波的波形如图1c所示。调整D波时应将脉冲数量调整到2~4个,同时第一个脉冲必须饱满。

 

　　④B波

 

　　B波的波形如图1d所示。B波是屏蔽波,用来屏蔽S1与S2之间的干扰波,在T1之间的任何干扰波将不被检测。仪表第一次调校,按要求调T1=0·8T。

 

　　⑤配合调校

 

　　A、B波配合:仪表第一次调校,按要求调T1=0.8T。在干扰波几乎不存在时,可以不用屏蔽波,T1可以等于0。干扰较大时,可以适当调大T1等于0.9或更大,但不能大于T。T1大于T时,会把S2屏蔽掉,测量将出现故障。

 

　　C、D波配合:调整C、D波时,两者要配合进行,C、D波相互影响,要反复调整多次,直到达到要求。同时要保证C波中的波峰S4与D波中的第一个脉冲的波峰相同,这一点非常关键,直接关系到调校质量。

 

　　5.3　超声波流量计探头的维护问题

 

　　由于煤气成分比较复杂,特别是除尘不好的煤气含有大量腐蚀性成分,有时候在提给生产厂方的介质成分时,煤气成分不一定提得很准确,有些没有提到的腐蚀成分就会腐蚀探头,没有除尘的煤气腐蚀性更强。使用中,发现有一段时间探头的保护外壳大量被腐蚀,查其原因是煤气没有除尘。为防止探头被腐蚀和污染,一方面在提供给厂方的介质成分(包括特殊情况)尽量准确;另一方面探头的定期检查、清洗和维护,对提高超声波接收效率和仪表准确计量也是十分必要的。
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