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热式气体质量流量计的原理及其在冶金行业中的应用

时间:2018/07/04来源:未知

摘 要:随着我国经济的快速发展, 以及冶金行业自动化水平的不断提升热式气体质量流量计在冶金行业生产中的应用受到广泛的关注。本文主要讨论在设计工作中经常遇到的热式气体质量流量计的工作原理及其应用等问题。

热式气体质量流量计在冶金行业气体流量测量中有广泛发展空间的测量仪表, 热式气体质量流量计通常采用恒温差法对气体流量进行准确测量, 此类流量计具有压损小, 数字化程度高, 安装方便, 测量准确等优点。本文将对其原理及在冶金行业中的应用进行详细的阐述。

1 热式气体质量流量计的历史和发展

早期的热式质量流量计的加热线圈和测温元件直接与流体接触, 是一种接触式流量计, 由于现场环境中普遍存在腐蚀、磨损及防爆问题, 使它的工业应用受到了很大的限制。到20世纪50年代, 人们又提出了与流体不接触的边界层流量计, 它克服了接触式流量计的缺点, 但量测结果受介质参数 (如热导率、粘度等) 以及环境震动等的影响。到20世纪70年代发展出了基于测量流体温度分布的量热式气体质量流量计, 由于其独特的优点在业内得到了广泛的应用, 可它有一种致命的缺点, 即只能检测微小流量, 仅仅适用于小管径测量, 对于大管径流体测量它就束手无策。在这些流量计的基础之上, 人们又设计了一种插入式气体质量流量计, 它的出现使得测量大管径气体流量成为可能。经过科技人员几十年的努力热式气体质量流量计已经日益成熟, 正为各行业接受和使用。[1][2]

2 热式气体质量流量计工作原理

热式气体质量流量计主要原理分为两种, 一种是量热式气体质量流量计, 另一种是金氏律气体质量流量计。其中量热式气体质量流量计主要用于小口径气体的测量而金氏律气体质量流量计则更多的用在大中口径管道的气体流量测量。

2.1 量热式气体质量流量计工作原理

量热式气体质量流量计的原理如图一。两组作为加热及测温的线圈绕组对称地绕在测量管外壁, 通过管壁给流体传递热量。当流量为0时, 测量管温度按中心线对称地分布, 测量电桥处于平衡状态。当流体流动时, 流体将上游的部分热量带给下游, 因而上游段温度下降, 而下游段温度上升, ***高温度点由中心线向下游移动。电桥测得两组线圈的平均温度差∆θ, 可按下式求得质量流量qm。

计算公式

 

式中qm-质量流量;

∆θ-线圈温差;

cp-气体的定压比热容;

K-与检测件形状有关的常数。

从上述工作原理可知, 由于线圈需绕在测量管上, 当管子径变粗时靠近管壁的流体和管中心的流体会产生较大的温差从而导致测量精度下降, 所以这一原理无法应用到大中管径的热式气体质量流量计的制造上。

图1 量热式气体质量流量计工作原理

 

2.2 金氏律气体质量流量计工作原理

工作原理说明

 

计算公式

 

从上述工作原理可知, 当加热功率P为恒定值时, 温差∆θ与流量qm有一定的数学关系, 从温差∆θ的变化可以反映出流量qm的变化来。反之当温差∆θ为恒定值时, 从加热功率P的变化也可以反映出流量qm的变化来。通常称种测量方法为恒功率法, 第二种测量方法为恒温差法。由于这一原理的检测元件可以做的较小故经常制造成插入式仪表, 在大中口径管道流量的测量中应用较为广泛。

3 热式质量流量计的优势

热式气体质量流量计由于独特的原理、结构的原因使其具有一些常规流量仪表所不具备的特点。测量管径范围宽是其一大特点, 从DN1 mm到DN5000 mm以上的管径热式气体质量流量计都有应用。大量程比也是热式气体质量流量计的一大特点, 常规的节流装置由于开方环节的引入其量程比很难突破10:1, 而热式气体质量流量计通常可以达到100:1, 有一些的热式气体质量流量计甚至可以达到1000:1。在测量过程中压力损失小是热式气体质量流量计的另一个优点, 其压损几乎可以忽略不计。随着现代材料科技的进步, 热式气体质量流量计与测量介质接触的部分可以采用更加先进的材料, 例如不锈钢、哈氏合金、蒙乃尔等, 通过使用这些合金材料, 热式气体质量流量计可以使用的工况条件更加丰富, 对一些高腐蚀性和高温的气体也有了测量的能力。热式气体质量流量计在面对高压测量环境时表现也很, ***高可以承受70MPa的压力[3]。热式气体质量流量计产品结构为一个坚固的整体, 没有任何可动部件, 避免因为流体的高速通过使流量计的机械部件产生磨损、断裂和疲劳裂缝[4]。通常在热式气体质量流量计上还会加装保护设置, 即使测量的实际流量已经超出了流程范围, 也不会对仪表造成任何的损坏。

图2  金式律气体质量流量计原理

 

4 热式质量流量计在冶金行业中的典型应用

在冶金行业中大中口径管道的气体流量经常需要测量, 比如高炉煤气, 转炉煤气等。这些气体的流量测量普遍具有以下的特点:

1) 管道口径大, 要求测量装置压损小。

2) 受现场条件限制直管段较短。

3) 出于预留扩大生产规模的考虑, 工艺管道口径偏大, 气体流速普遍偏低。

4) 老旧管道由于生产规模扩大的原因气体流速偏高。

5) 工况变化频繁, 流量变化大。

6) 检修时间短, 要求快速完成调试、吹扫等工作。

7) 工艺管道长年工作, 要求带气带压安装。

8个别工况下存在需正反两个方向流量测量的需要。

9) 出于工艺要求或计量结算的要求流量需设置温度、压力补正。

在上述工况条件下传统的流量测量装置如孔板、文丘里管等难以满足生产的要求, 传统的流测量装置在直管段长度、测量范围等无法满足要求, 在这种情况下热式质量流量计仍可以满足使用条件, 正常使用。

在冶金行业中也有许多小口径管道的气体流量经常需要测量, 比如炼钢环节的氧气、氩气流量的测量等。这些气体的流量测量普遍具有以下的特点:

1) 管道口径小, 要求测量装置压损小。

2) 测量精度要求高, 直接影响产品质量。

3) 工艺变化大, 随时需调整流量计参数。

4) 现场环境恶劣。

5) 气体较为纯净, 但在极端情况下存在脏污物质。

6) 出于预留扩大生产规模的考虑, 工艺管道口径偏大, 气体流速普遍偏低。

7) 检修时候短, 要求快速完成校验、吹扫等工作。

8) 出于工艺要求或计量结算的要求流量需设置温度、压力补正。

在上述条件下热式质量流量计有着大量的应用, 流量测量在小口径条件下保证气体的测量精度一直是常规流量仪表的短板, 但这种工况恰恰满足量热式气体质量流量计使用的条件。热式气体质量流量计的使用对提高产品质量、保障设备作业率、缩短检修时间有着现实的意义。

5 热式质量流量计的选用注意事项

热式质量流量计尽管有诸多优点但在选用中也有要求及限制, 只有满足相关的条件热式质量流量计才能可靠、正常的工作。

1) 要确切掌握流体的有关参数, 包括流体种类、测量范围、物理性能 (密度、粘度、腐蚀性等) 、温度与压力的变化范围及常用的温度、压力。比如当气体定压比热容 (cp) 变化时会导致仪表量程变化。

2) 了解工艺要求及工况条件, 包括精度等级、允许压力损失, 流体是单向流动还是双向流动。比如当流体为脉动流或者要求仪表响应速度极快时 (热式质量流量计的响应时间是比较长的, 时间常数一般为2~5s, 响应较快者为0.5s, 有些型号长达数秒、十几秒甚至几十秒。) , 需慎重选择热式质量流量计。

3) 了解流量计的安装条件, 如流量计前后直管段条件, 有无停工检修流量计的条件, 流量计是否需要在线插拔等。

4) 考虑节能。常规流量计都会造成不可恢复的压力损失, 直接提高生产成本, 所以优先选用热式质量流量计这样的低运行费用仪表。

5) 投资限度。不能单方面考虑热式质量流量计的诸多优点而不顾投资限度。

6 结论

热式气体质量流量计是一种的气体流量测量仪表, 能够在高温、高压、高腐蚀性等极端环境下对流体进行测量, 以及其对各种管道口径的适应性, 让热式气体质量流量计在冶金行业中的应用具有其他流量仪表所没有的优势。就设计工作来讲, 只有充分了解热式气体质量流量计的特性并结合现场实际要求才能保证设计选型的正确, 从而充分发挥热式气体质量流量的可靠性高、安装方便等优点。


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