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發(fā)電機行業(yè)中氣體質(zhì)量流量計的應(yīng)用
閱讀：2267 發(fā)布時間：2018-11-21
隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,，對電力的需求日益增大，尤其是在夏季電力短缺的現(xiàn)象就更日益突出,。為了緩解電力短缺的問題,，很多企業(yè)都想出了很多方法，一方面節(jié)約用電,，另一方面,，有能力的廠家自己發(fā)電解決用電緊張問題。例如污水處理行業(yè),，他們利用在污水處理中產(chǎn)生的沼氣發(fā)電,，目前沼氣發(fā)電技術(shù)是在上也僅有少數(shù)幾個國家掌握，
2,、 熱式質(zhì)量流量計與渦街流量計,、超聲流量計、轉(zhuǎn)子流量計等比較
2．1超聲波流量計(氣體)
▲超聲波流量計特點：沒有壓力損失,；安裝簡單,；與流體的溫度、壓力,、粘度等本身性質(zhì)無關(guān),；無可動部件,；可測量臟污、腐蝕氣體及多組分氣體,。
▲超聲波流量計原理：在管道中測量測量順流和逆流方向超聲波的傳播時間,，再經(jīng)過計算得出流體的流速。流體的流量則可以通過介質(zhì)流速,、管徑,，以及用雷諾數(shù)對流體進行動力學(xué)方面的校正后得到。
具體來說：在管道中以“Z”型裝一對超聲波傳感器,，兩個傳感器之間的距離L作為超聲波的傳播行程,。超聲波在兩個傳感器之間的順流和逆流傳播時間分別表示為：
Ts=L/(C+Vcosθ)；Tn=L/(C-Vcosθ)
式中C為聲波在靜止空氣中的速度,，它隨氣體性質(zhì)變化的函數(shù),，單位：m/s。V為氣體介質(zhì)流速,，單位m/s,。θ為聲波行程與管道軸線之間的夾角。
▲超聲波流量計的使用也比較方便,。在管道表面以“Z”型安裝,，應(yīng)注意應(yīng)把傳感器安裝處打磨光亮并涂敷黃油，用固定裝置把傳感器與管道擰緊即可,。
▲超聲波流量計的缺點：量程比小(15：1),；維護相對麻煩；氣體精度高的價格高,；計量需要溫度,、壓力補償；
渦街流量計(氣體)
2．2,、 ▲渦街流量計特點：沒有可移動部件,、計量精度高、壓力損失小
檢測元件不與被測流體接觸,、輸出信號與流體的溫度,、壓力、密度,、成分,、粘度等參數(shù)無關(guān)。
▲ 渦街流量計原理：它是應(yīng)用流體力學(xué)中的卡曼渦街原理來測量流體流量的,。把一個旋渦發(fā)生體(圓柱體,、三角柱等非流線型對稱體)垂直插在管道中，當(dāng)流體在管道中流動時，會在旋渦發(fā)生體后方左右兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦,，形成旋渦列,。這兩列旋渦相互形成平行狀，且左右交替出現(xiàn),，旋轉(zhuǎn)方向相反,。旋渦的頻率f(Hz)與流體的平均流速v(m/s)及旋渦發(fā)生體的寬度(m)有如下關(guān)系： f=St*v/d (St為斯特勞哈爾系數(shù)，與旋渦發(fā)生體寬度d和流體雷諾數(shù)有關(guān))
▲ 渦街流量計的使用相對簡單,，安裝也比較方便,，它分插入式和管道式兩種。在安裝時應(yīng)注意流體的流動方向應(yīng)同流量計指示的方向相同,。
▲ 渦街流量計的缺點：量程比小(15：1)；受震動影響大,；管道的大小與價格呈正比,；需要溫度壓力補償方可計量；小量程段不靈敏,，不穩(wěn)定,，幾乎不可測量。
2．3轉(zhuǎn)子流量計(氣體)
▲轉(zhuǎn)子流量計的特點：就地顯示,，無須電源,；價格相對便宜；
它有兩種材質(zhì),，通常用的玻璃管轉(zhuǎn)子流量計和金屬管質(zhì)量流量計,。就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示皆可，接口有HART,、標(biāo)準(zhǔn)電流信號,、PROFIBUS等形式。
▲轉(zhuǎn)子流量計的原理：轉(zhuǎn)子流量計也是一種速度式流量計,。它有兩部分組成,，一個是上大下小的錐形管，另一是放在錐形管中的轉(zhuǎn)子(也稱浮子),。利用流體通過轉(zhuǎn)子與錐形管壁之間的空隙(節(jié)流面積)時產(chǎn)生的差壓△P來平衡轉(zhuǎn)子的重量,。工作時，被測流體由錐形管的下端流入,，從上端流出,。流體對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向上托力的大小F總是等于轉(zhuǎn)子的重量G，即
F=△P*A,；G=V*(ρt-ρf)g
由于F=G 故 △P*A=V*(ρt-ρf)g
△P=V*(ρt-ρf)g/A (1)
式中V—轉(zhuǎn)子的體積,；A—轉(zhuǎn)子的zui大截面積；g—當(dāng)?shù)氐闹丶铀俣龋?rho;t-ρf分別為轉(zhuǎn)子材質(zhì)和被測流體的密度；△P為轉(zhuǎn)子垂直方向上下流體的壓差,。有式(1)可知,，在整個工作過程中，壓差保持不變,。在流量增加時,，當(dāng)然通過節(jié)流面積的流速也增加，只有增大節(jié)流面積,，減低流速,，以維持壓差△P不變。故根據(jù)轉(zhuǎn)子的平衡位置的高低就能讀出流量的大小,。
可用式(2)表示
Q=k*h(2△P/ρf)1/2 (2)
式中k—為儀表常數(shù),；h—為轉(zhuǎn)子浮起的高度。將式(1)代入可得
Q=k*h(2gV(ρt-ρf)/(ρf*A))1/2
▲轉(zhuǎn)子流量計的使用比較方便,，安裝時擰緊相應(yīng)的螺栓就可以了,，但應(yīng)注意流體的流動的方向一定垂直向上。
▲轉(zhuǎn)子流量計的缺點：量程比小10：1,；壓力損失相對大,；污物易堵塞；安裝維護相對復(fù)雜,；受震動影響大,；需要溫度、壓力補償?shù)?；管徑大小與價格呈正比,，一般在DN200以下。
2．4,、熱式氣體質(zhì)量流量計
▲熱式質(zhì)量流量計的特點：量程比寬可達1000：1,；小量程段靈敏；不受溫度,、壓力影響,，直接測量氣體的質(zhì)量；壓力損失可忽略,；可實現(xiàn)大口徑小流量高精度測量,；價格與管道的大小相差不大；高精度可達1%,；溫度范圍寬可達-70℃～450℃,；對粉塵、顆粒物不敏感,。
▲熱式質(zhì)量流量計的原理：它是基于熱擴散原理的流量計,。通俗的說，放在流體中的熱源，在流體經(jīng)過它時,，熱源本身的熱量將會損失,，流體的質(zhì)量流量越大，熱源損失的熱量越大,。這樣流體的流量與熱源損失的熱量在理想的情況下應(yīng)相等,。故知道了熱量的大小，我們就可以得出流體的流量,。
具體對熱式氣體質(zhì)量流量計(以下簡稱熱式流量計)實現(xiàn)來說,，就是：熱式流量計的探頭有兩個探針，其中一只是參考點,，用來測量流體的溫度,；另一只是加熱源，用來充當(dāng)熱源,。根據(jù)前述我們可有下式(3)
P/△T=A+B*(Q)m (3)
式中P—為電子模塊為加熱源提供的功率,；△T—為加熱源與參考點之間的溫差；A,、B,、—為與流體本身性質(zhì)有關(guān)的常數(shù),；m—為與流體本身性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)系數(shù),；Q—為流體的質(zhì)量流量。從式(3)我們可以看出,，實現(xiàn)流量測量有兩種方法：
P固定就是恒功率法,；△T固定就是恒溫差法。通常我們都采用恒溫差法測量,，恒溫差法特點：小量程段特靈敏,，反應(yīng)速度也快，目前市場上流通的產(chǎn)品皆是采用此法,。
▲熱式質(zhì)量流量計使用,、安裝比較方便，它有插入式,、管道式兩種形式,。無論是插入式還是管道式，維護,、操作極為簡單,，安裝時應(yīng)注意流體方向應(yīng)同熱式流量計指示的方向相同。
▲熱式質(zhì)量流量計的缺點：不適宜安裝在粘度大的環(huán)境中安裝,；不適宜安裝在水珠含量在40%以上的場所,。
3、熱式氣體質(zhì)量流量計在氣體發(fā)電機組的應(yīng)用
框圖
傳輸電纜 整個系統(tǒng)是按照上圖安裝設(shè)計的，發(fā)電機組對氣源的壓力,、組分要求不高,，就高碑店污水處理廠而言，沼氣的壓力為氣源壓力2KPa,，溫度常溫,，沼氣脫硫后的成分比：H2S0.653% CO233.7%CH462.3%O20.47%H20.063%N21.46%
由于成分復(fù)雜，氣源壓力不大,，以前采用傳統(tǒng)的流量計都達不到我們設(shè)計指標(biāo),，經(jīng)過我們對傳統(tǒng)流量計的性能研究后得出的結(jié)論：在測量組分復(fù)雜，壓力不大的工況條件,，傳統(tǒng)的流量計由于本身的局限性,，已無法測量。因而,，經(jīng)過我們調(diào)研后,，發(fā)現(xiàn)熱式氣體質(zhì)量流量計*符合我們的工況條件應(yīng)用。我們采用DCSY公司的QFM200插入式,，流速范圍：0.05～120m/s,。在安裝時在DN150管道上鉆一個￠20的口，然后焊上一個M27X1.5的內(nèi)螺紋底座,，把帶有鎖緊接頭的QFM200擰入底座中就可以了,。安裝也非常方便。由于它輸出的標(biāo)準(zhǔn)的電流信號,，可以直接接入計算機的采集卡,，依靠軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的綜合管理，使我們的能源損耗和電能產(chǎn)出有了一個準(zhǔn)確計算依據(jù),。
實際測試數(shù)據(jù)：
儀表為QFM200熱式氣體質(zhì)量流量計,，燃?xì)鈮毫?kPa，環(huán)境溫度為33℃,，空氣相對濕度50%,。燃?xì)夤軓?phi;150。
流量計測量值為燃?xì)饬魉賁(m/s),，流量值為計算值,。
計算公式為：Q＝S×πR2×3600,R為管徑0.075m。
流量計所測量的流速值是按空氣成分進行標(biāo)定的,，當(dāng)氣體成份發(fā)生變化時,，應(yīng)進行修正。沼氣組分如下：
成分 H2S CO2 CH4 O2 H2 N2
百分比% 0.653 33.7 62.3 0.47 0.063 1.46
修正公式：1/Fmix=V1/F1+V2/F2+……Vn/Fn
其中：Fmix為修正系數(shù),，F(xiàn)n為各組分的系數(shù),，Vn為百分比,。
各組分系數(shù)如下：
H2S CO2 CH4 O2 H2 N2
系數(shù) 0.933 0.795 0.823 0.946 1.019 0.946
經(jīng)以上公式計算可知：修正系數(shù)為0.827。
從以上計算可以看出：機組在450kW時氣耗率為1.97kW/m3,。
4,、結(jié)論
通過我們在高碑店污水處理廠的實際應(yīng)用的情況看，熱式氣體質(zhì)量流量計在氣體測量方面的優(yōu)勢特別明顯,，尤其是在壓力小,、氣體成分復(fù)雜的情況下。熱式氣體質(zhì)量流量計同其他流量計相比有著壓力損失小,、量程比寬,、小量程段靈敏等優(yōu)點，更利于節(jié)約能源,。它的成功應(yīng)用,，為今后氣體發(fā)電機組提供了計量的設(shè)備。