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案例頻道1. 引 言
利用差壓原理進(jìn)行流量測量是當(dāng)今世界上使用最廣泛、最可靠的流量測量方式，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和流量測量技術(shù)的進(jìn)步，一些新型、高性能的測量傳感裝置逐步取代了傳統(tǒng)的節(jié)流裝置進(jìn)行流量測量，由美國VERIS公司推出的全新均速流量探頭――威力巴便是其中之一。
在過去幾十年來一次源的檢測水平始終沒有重大突破，成了制約差壓式流量測量系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，使得高水平的下游儀表無法發(fā)揮出應(yīng)有的高效率。威力巴的出現(xiàn)，恰恰克服了這一缺陷，使得一次源的測量精度、重復(fù)性和可靠性達(dá)到一個嶄新的高度。
從使用角度看，威力巴均速流量探頭與傳統(tǒng)的流量節(jié)流裝置相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
●精度高，量程比大，大于10：1；
●采用非收縮節(jié)流設(shè)計(jì)，比孔板的永久壓損至少降低95%以上；
●安裝簡單，只需在管道上開一小孔后焊一底座，無需截斷管道，有些介質(zhì)可以在線安裝，并可隨時將探頭取出檢查，安裝費(fèi)用低，基本免維護(hù)；
●由于威力巴的接頭可直接與變送器連接，無需三組閥和引壓管，避免了因引壓管泄漏、堵塞等造成的測量誤差；
●可以測量氣體、液體和蒸氣等各種介質(zhì)，應(yīng)用范圍廣泛，且測量信號穩(wěn)定、波動小。
威力巴的設(shè)計(jì)、制造先進(jìn)，但其測量系統(tǒng)對被測介質(zhì)有關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求也非常高，這一點(diǎn)要比其它流量測量系統(tǒng)的要求嚴(yán)格得多。本文從威力巴測量原理出發(fā)，結(jié)合其在我公司煤氣流量測量中的應(yīng)用，談該流量計(jì)在實(shí)際使用中的參數(shù)核定問題及使用過程中需要注意的相關(guān)事項(xiàng)。
2．威力巴測量原理
如圖1所示，威力巴均速流量探頭垂直插入管道固定安裝，當(dāng)流體流過探頭時，在其前部產(chǎn)生一個高壓分布區(qū)，高壓分布區(qū)的壓力略高于管道的靜壓，根據(jù)伯努利方程原理，流體流過探頭時速度加快，在探頭后部產(chǎn)生一個低壓分布區(qū)，低壓分布區(qū)的壓力略低于管道的靜壓，威力巴探頭在高、低壓區(qū)有按一定準(zhǔn)則排布的多對取壓孔，通過這些取壓孔，威力巴能夠精確地檢測到由流體平均速度所產(chǎn)生的平均差壓△P。需要注意的是均速流量探頭的截面形狀、表面粗糙狀況和低壓取壓孔的位置是決定探頭性能的關(guān)鍵因素，低壓信號的穩(wěn)定和準(zhǔn)確對均速探頭的精度和性能起著決定性作用。在煤氣測量中，流量QV與△P的對應(yīng)關(guān)系為：
QV = C’?[(△P?Pfa)/(Tfa?Zf)]1/2 （1）
式中：QV――標(biāo)況體積流量；△P――差壓，kPa；Pfa――工作狀態(tài)絕壓，kPa；Tfa――工作狀態(tài)絕對溫度，K；Zf――工作狀態(tài)下煤氣的絕壓系數(shù)；C’――流量系數(shù)。
3．實(shí)際使用中參數(shù)的核定
威力巴流量計(jì)生產(chǎn)廠家是根據(jù)用戶提供的有關(guān)工藝參數(shù)、測量要求來確定設(shè)備型號和計(jì)算差壓的，而用戶往往以原工藝設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)值為準(zhǔn)提供，但在企業(yè)投產(chǎn)后的實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種原因很多參數(shù)發(fā)生了變化，這將使按原參數(shù)計(jì)算與設(shè)定的威力巴測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度受到較大影響，必須重新核定有關(guān)參數(shù)并計(jì)算新的差壓值，改正測量系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)。我公司在煤氣廠出口中壓煤氣流量測量中，就發(fā)現(xiàn)了此類問題。
工作壓力Pf是獲得準(zhǔn)確差壓計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)之一，由式（1）可得差壓△P計(jì)算公式為：
△P = [QV / C’]2?[Tfa?Zf / Pfa] （2）
式中：Pfa = Pf + 當(dāng)?shù)仄骄髿鈮骸Ｓ纱丝梢?，工作壓力Pf與差壓的計(jì)算直接相關(guān)。
我公司于2003年采用V200-10-H-H-B5C在線安裝型威力巴對煤氣廠出口中壓煤氣流量進(jìn)行測量，訂貨時提供的工作壓力參數(shù)為設(shè)計(jì)值40kPa，廠家計(jì)算差壓量程為200.31Pa。測量系統(tǒng)投運(yùn)后，流量顯示值約31000m3/h，與生產(chǎn)消耗嚴(yán)重不符。經(jīng)仔細(xì)核查，發(fā)現(xiàn)問題出在當(dāng)初所提供的參數(shù)上，其中壓力參數(shù)影響最大。煤氣廠投產(chǎn)后，因中壓煤氣用戶氧化鋁焙燒爐生產(chǎn)水平未達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，煤氣消耗量不大，供氣工作壓力實(shí)際只有36 kPa，而以36 kPa計(jì)算（改正其它有誤差參數(shù)）威力巴差壓為206.2Pa，與原差壓相差近6Pa，投運(yùn)后在相同生產(chǎn)狀況下流量顯示約為27500 m3/h ，與生產(chǎn)消耗基本相符?？梢婋m然差壓只相差6Pa，但流量卻相差了約3500 m3/h 。而后，我公司對氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了大規(guī)模技術(shù)改造，氧化鋁焙燒產(chǎn)量大大提高，超過了設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1200t/h ，煤氣需求量增大，為此煤氣廠通過改造使煤氣排送機(jī)的送風(fēng)量由原來的600 m3/min提高到800m3/min，送風(fēng)量的增大也使煤氣壓力從36 kPa 最高升到42 kPa ，在最大流量45000 m3/h 不變的條件下，其計(jì)算差壓量程為197 Pa，及時調(diào)整威力巴測量系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)后，保證了測量的準(zhǔn)確度。
4．煤氣摩爾質(zhì)量
式（2）中流量系數(shù)C’ = N?K?YV?D2?[Tba?Zb / Pb]?[1 / Mr]1/2
（3）式中：N――單位換算常數(shù)；YV――氣體膨脹系數(shù)；K――威力巴的K系數(shù)；D――管道內(nèi)徑；Tba――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對溫度；Zb――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下該氣體的絕壓系數(shù)。Mr――氣體摩爾質(zhì)量；Pb――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)絕壓，kPa。
可見氣體摩爾質(zhì)量Mr也是差壓計(jì)算的重要參數(shù)。
我公司生產(chǎn)的煤氣實(shí)際上是一組混合氣體，原設(shè)計(jì)提供的煤氣介質(zhì)成份及所占百分比如下：
介質(zhì)成份： CO2 H2O O2 H2 CO CH4 N2
所占百分比(%)： 6 0.2 0.2 14 27 0.6 52
依此計(jì)算出煤氣摩爾質(zhì)量為25.236，在最大流量45000 m3/h ，工作壓力36 kPa狀態(tài)下，計(jì)算差壓為208.3Pa（其它參數(shù)均正確）。而煤氣廠實(shí)際生產(chǎn)的煤氣成份介質(zhì)及所占百分比為（經(jīng)檢驗(yàn)分析而得）：
介質(zhì)成份： CO2 H2O O2 H2 CO CH4 N2
所占百分比(%)： 7.31 0.26 0.33 16.08 25.48 2.02 48.52
以此計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)的煤氣摩爾質(zhì)量為24.730，在與上述相同狀況下計(jì)算差壓為206.2 Pa，與原差壓208.3 Pa 相差2.1 Pa ，在工藝生產(chǎn)狀況相同的條件下，威力巴測量系統(tǒng)在設(shè)定兩種差壓參數(shù)時流量顯示偏差約1000 m3/h。（注：上面差壓的計(jì)算要依據(jù)威力巴相關(guān)計(jì)算軟件，具體過程省略。）
5．最大流量和工作溫度
最大流量是計(jì)算測量系統(tǒng)差壓量程的重要參數(shù)。對于威力巴，在確定最大流量參數(shù)時，不應(yīng)機(jī)械地設(shè)定工藝設(shè)計(jì)最大生產(chǎn)能力的介質(zhì)流量為最大流量，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況的正常流量確定合適范圍的最大流量，這樣才能保證測量系統(tǒng)工作在良好的線性測量范圍，以減少線性測量誤差，即使生產(chǎn)狀況發(fā)生變化，最大流量提高，由于威力巴具有量程比大的優(yōu)點(diǎn)，一般只需重新計(jì)算差壓，修改設(shè)定參數(shù)，就能可靠地在新工藝生產(chǎn)狀況下測量。
在式（2）中，工作狀態(tài)絕對溫度Tfa =工作溫度+273.15，可見工作溫度也是威力巴計(jì)算差壓的重要參數(shù)。我公司煤氣中壓原設(shè)計(jì)工作溫度為40℃，而實(shí)際生產(chǎn)中溫度達(dá)到58℃，因此工作溫度參數(shù)也應(yīng)以實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)下的值為準(zhǔn)，才能保證測量差壓計(jì)算的準(zhǔn)確。此外，威力巴對氣體介質(zhì)流量測量時，由于氣體的密度受溫度、壓力影響比較大，在一定的溫度壓力范圍內(nèi)，密度的變化大于測量精度的要求，則必須加溫、壓補(bǔ)償。但當(dāng)溫度或壓力變化較大時，則必須以改變了的溫度或壓力值重新計(jì)算差壓，否則將造成較大的測量誤差。
6．威力巴流量計(jì)使用中需要注意的相關(guān)事項(xiàng)
●在安裝使用時，當(dāng)管道上、下游的直管段不夠長時，推薦在彎管后2倍管道直徑處安裝威力巴。因在彎管后的流體剖面較復(fù)雜，需將流體系數(shù)K做輕微調(diào)整，據(jù)有關(guān)資料表明調(diào)整K系數(shù)以后，測量精度由原來的±1%下降到±3%，重復(fù)精度由原來的±0.1%下降到±0.3%。
●連續(xù)工作的威力巴從根本上杜絕了堵的可能，但在以下情況，威力巴仍需注意防堵：
※ 當(dāng)引壓管泄漏，探頭高壓區(qū)遭到破壞，雜質(zhì)中直徑較小的顆粒就有可能進(jìn)入取壓孔；
※ 當(dāng)管道處于停產(chǎn)時，由于分子的布朗運(yùn)動，顆粒小的雜質(zhì)有可能進(jìn)入取壓孔；
※ 系統(tǒng)頻繁開機(jī)時，在高壓區(qū)形成的瞬間，顆粒小的雜質(zhì)有可能進(jìn)入取壓孔，日積月累，就有可能造成探頭的堵塞；
※ 介質(zhì)中含有大量的焦油、藻類生物，或者含有纖維狀的物質(zhì)，也有可能造成探頭的堵塞。
7.結(jié)束語
利用威力巴進(jìn)行流體流量測量，其差壓計(jì)算所需參數(shù)必須是工藝實(shí)際生產(chǎn)狀況下可靠的參數(shù)，否則參數(shù)不正確，計(jì)算出來的差壓必定不真實(shí)，那么據(jù)此選用的再先進(jìn)的測量設(shè)備也無法準(zhǔn)確、可靠地測量。當(dāng)然在實(shí)際使用過程中要保證威力巴流量計(jì)測量的準(zhǔn)確、可靠，需要核定的參數(shù)不止上面幾項(xiàng)，它們只不過是影響比較大的幾個方面，除此之外，盡管威力巴探頭采用科學(xué)、先進(jìn)的防堵設(shè)計(jì)，還是需要注意正確安裝與使用，這需要在長期的現(xiàn)場實(shí)踐中探索、總結(jié)，惟有如此，流量計(jì)才能在流量測量中發(fā)揮應(yīng)有的作用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號