3.5.2 气体大流量的测量

  气体大管路流量的常见于城市煤气、天然气、风管、锅炉和各种炉窑内的烟气、石油炼厂和石化行业的火炬气。这些流量的测量对经济燃烧、保护环境以及贸易结算有着重要的意义。

（1）气体大流量测量的特点

a.       口径大，直管段往往难以保证。

b.       静压低，流速低，只允许有很小的压力损失。

c.       流速变化范围大，要求仪表具有较大的范围度。

d.       流体含有粉尘，有时还含有焦油之类的粘稠物。

e.       有些流体有腐蚀性。

f.        气体组分变化不定。

g.       流体温度高。

h.       有些烟气温度降低后，湿度升高，甚至带液。

（2）仪表选型  第3.5.1节中所述的插入式涡街流量计、插入式涡轮流量计、差压均速管流量计，同样适用于大口径管道的气体流量测量。但由于流体性质不同，应用时所存在的问题有明显不同。

① 插入式涡街流量计。插入式涡街流量计的测量头一般为DN50，对于常温常压条件下的空气，可测流速下限约为6m/s。有很多测量对象，流速常常低于6m/s。尤其是水煤气及某些驰放气，由于氢含量较高，流体密度较小，旋涡传感器的推力相应变小，这时，能可靠测量的流速下限还要升高，所以，仪表往往满足不了测量对象的要求。

涡街流量指示的体积流量，不会因流体组分和温度变化而产生密度变化的影响，当将压力状态下的体积流量换算到标准状态，需要进行流体温度、压力和压缩系数的补偿。

在旋涡发生体的迎流面上如果附着很厚的粘稠物和灰尘，其形状会发生变化，进而引起流量系数的变动，因此，需要定期拔出测量头清除附着物。

  ② 差压式均速管流量计。这种流量计在大口径气体流量测量中用得很普遍，其原因同大口径水流量相似。差压式均速管流量计在气体流量测量中应用成败的关键是引压管不要被水滴堵住。由于定型的均速管产品所带的切断阀多半为针型阀，通径较小，而流体中的水汽经冷凝变成液滴，如果针型阀处理得不好或引压管坡度欠合理，此液滴极易将通路封死。

差压式均速管输出得差压信号一般都很小。当流体为常温常压得空气时，如果流速为10m/s，只能达到62.5Pa的差压^[30]。这样，一滴水滴将差压传输通道封住，就足以将此差压全部抵消掉。有的制造商将正负压切断阀改为通径较大的直通闸阀，为保证仪表的可靠使用创造了条件。均速管典型安装位置以及同差压计的连接如图3.79所示。

图3.79差压式均速管测量低压气体流量安装示意

同均速管配用的差压变送器的选型与安装也需要给予足够的注意。因为配用的差压变送器满量程一般都只有几百帕，个别流速特别低的测量对象甚至只有几十帕，所以应选用零点稳定性好的微差压变送器。                                             

   微差压变送器安装地点应尽量避免振动。与均速管配用的微差压变送器，其差压测量范围很小，膜盒面积较大，对振动非常敏感，受振动以后膜片受到相应的作用力，因而输出信号产生相应的变化。变送器受振动而产生的零位输出表现为随机特征，但是振动越剧烈，变送器输出的代表差压的电流信号上下摆动的幅度也越大。此振动干扰信号的正值经开方后，相对值放大了若干倍，而其负值经开方后输出为零，最后使流量零点示值升高（见图3.80），这就是振动导致这种流量计零点升高的本质原因。

图3.80振动引起差压式流量计零点升高

－膜片位移； －差压输出；Ir－开平方输出；Io—流量信号输出

振动引起的这种流量零点升高容易给人以错觉，因为它同由于安装位置倾斜等因素引起的零点漂移叠加在一起。其实，振动引起的差压输出变化是双向的，其时间均值有可能为零，所以当流量为常用流量值时，这种振动的影响只表现为流量示值上下摆动，其平均值基本不变。如果急于将仪表零位调低，倒容易引起正常测量时的示值偏低。

振动引起的流量计零点示值升高与变送器安装位置倾斜等原因引起的零点漂移在流量计示值变化规律上也有明显的区别，后者表现为示值虽不为零但很稳定或只随时间缓慢地变化，而前者表现为频繁地摆动。由于难以将这两种影响共同作用的结果拆开来，所以最好的办法是选择一处振动小的地方安装差压变送器。

 消除或减小振动对差压式流量计零点影响的另一个有效方法是为差压变送器选择适当的阻尼时间，也可在二次表的流量信号输入端增设阻容滤波环节。

 微差压变送器还应避免阳光的直接照射。由于阳光直接照射使表体的向阳侧温升高，而背阳侧温度却较低，这一温差引起变送器某些零件几何尺寸及其他有关参数产生不对称变化，导致变送器零位出现明显漂移。

关于均速管检测杆断面的形状，前人已经做了不少研究。其中圆形断面现在已很少有人使用。因为这种形状的检测杆的流量系数K受雷诺数的影响较大。当Re_D<10⁵时，K基本不变；而10⁵<Re_D<10⁶时，K增大，而且不稳定，离散度约为 10％。这是因为流体流过圆管时，分离点位置不固定所致。

   菱形断面检测杆是对圆形断面的改进。由于流体分离点不再随ReD变化而固定在菱形两侧尖锐的拐点上，所以流量系数受ReD影响减小到1％。这个结论是由一些权威的流量检测机构大量试验所验证的，其中包括美国ALDEM研究试验室、NEL国家工程试验室等水试验室及美国CEESI和科罗拉多州工程试验室气体试验站。

   弹头形检测杆是近几年出现的新型器件。1993年，美国威里斯（VERIS）公司推出弹头形（Bullet）断面检测杆，威里斯公司是一家从事均速管流量计研究、生产及应用的厂家，其公司总裁弗列德·古德（Fred  Good ）先生是均速管领域知名专家，曾作为迪特里希标准公司德总裁首先推出Annubar均速管产品，后离开了该公司创立了威里斯公司。

   弗列德·古德先生针对钻石型检测杆信号脉动大、低压侧易堵塞等缺点，在大量实验的基础上，推出了弹头断面检测杆（见图3.81）。探头断面检测杆与菱形断面检测杆的相识之处是都有明显的拐点，所以流体流过均速管后的流体分离点固定，流体系数K的稳定性好。但弹头形断面检测杆的拐点相对平缓，不致像菱形断面检测杆那样会产生强烈的旋涡、较大的探头振动和脉动的差压输出。另一个大的改进是多个低压取压孔位于探头的两侧面，即位于流体分离点之前，流速较快，而菱形断面检测杆的低压孔位位于背部，那里正好是流体中尘埃聚集的地点，流线紊乱，流速较慢，所以负压测孔易堵。弹头形断面检测杆的高压侧孔因弹头形状的前部较宽阔，形成静止的高压区，将阻止流体中的固体尘粒进入,因而无论是低压侧孔还是高压侧孔，其防堵性能均优于其他断面的检测杆。

图3.81不同断面检测杆

以往均速管表面是光滑的，当流速变化时，在均速管表面易形成边界层流与边界紊流交替出现的情况，增大了流体牵引力和涡街脱落力，这是造成流量系数不稳定的另一个重要原因，威里斯公司根据流体边界层理论研究的成果，在均速管前端表面采用粗糙化处理并加防淤槽（即在粗糙化处理部分和平滑部分交界处设一浅槽），据该公司介绍，这相当于有一个紊流发生器，据该公司介绍，这相当于有一个紊流发生器，使均速管表面不再形成边界层流而始终保持边界紊流，这就像高尔夫球表面上的凹痕可使球的飞行轨道更精确一样，紊流发生器降低流体牵引力和涡街脱落力，并产生稳定的流线，从而使流量系数更稳定，范围度更大。

威里斯公司弹头形断面检测杆的流量系数K值的精确度虽然也为1.0％，但当去掉雷诺数过低的个别数据，其精确度可达到0.5％。

   差压式均速管流量计不足之处主要有下列几点。

a.       流体组分变化时，密度相应变化，引起示值变化。而

这种组分变化是随机的，在没有成分分析仪的情况下，难

以将其对示值的影响予以清除。

b.       相对流量较小时（一般以30％FS为界）误差增大。

c.       由于难以逐台测定其流量系数，因此难以通过JJG640规程的检定，一般不适宜于贸易结算。

③插入式涡轮流量计。用高灵敏度的插入式涡轮流量计测量洁净气体的流量，有很多明显的优势。其一是简单可靠，价格较低；其二是线性分度，可测流速下限比涡街和均速管低。

在这种仪表中，最重要的部分是轴承和轴，如果用一般材料制成，寿命不长。有些用户选用瑞士专门技术制成的宝石轴承配上镍基碳化钨轴，寿命大大延长，换一次转子组件和轴承最长的可用到5年，精确度仍在允许范围（ 0.3％R）之内（用于油品测量）。

流体的清洁至关重要，粘稠的焦油和污垢，会将转子粘住或转速减低。灰尘附着在涡轮上，流量系数要发生变化，因此，应定期清洗。

④ 热式质量流量计。热式质量流量计一般是在圆形测杆（不锈钢保护套管）的端部置两只热敏元件，如图3.82所示，其中参比热敏元件同气体的流动相隔离，而测量热敏元件被放置在气体的流路中，两只热敏元件被加热到一定温度，并组成惠斯登电桥（见图3.83），当流路内的气体流速增大时，测量热敏元件被带     走的热量增大，从而导致其温度降低，阻值变小，桥路输出相应增大。另外，流体压力的增大和流体温度的降低也都使敏感元件被带走的热量增大，最后使得桥路输出与流体质量流量成正比。

图3.82热式质量流量计探头剖面

图3.83热线测速计原理（恒温工作方式）

由于测量热敏元件的热量损失主要是由气体流动所引起。因此气体组分的变化对流量示值影响很小。

这种仪表的最大优点是范围度大，可达40∶1。流体温度最高可达到400℃。但由于热丝与被测流体直接接触，在流体含有油污之类的物质时，热丝容易被污染而改变散热条件，影响测量精确度，因此，有的公司推出带清洗装置的产品。

⑤ 孔板流量计。插入式流量计的最大困难是校准问题，现在已经有JJG规程的只有插入式涡街流量传感器和均速管，而且必须在标准装置上标定其流量系数。否测就难以通过强制检定^[36]。有些用于贸易交接的大口径气体流量计为了通过强制检定，往往仍旧回到节流式差压流量计。

有些气体有时还难免带点冷凝水在管道底部流动，为了不让这些水在节流装置前积聚，采用偏心孔板或圆缺孔板流量计较合适。

有些气体夹带尘埃，甚至还有焦油之类的粘稠物，用不了多久孔板断面就黏附一层污垢，为了解决不断流拆洗，可采用可换孔板节流装置。为了防止正负压取压孔被灰尘及污垢堵死，常常采用D-D/2径距取压法。而引压管除保证坡度外，引压管内径取上限数值和在引压管转弯处均留有活门，以便逐段疏通，也极具实用价值。

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