發電機行業中氣體質量流量計的應用

 

隨著國民經濟的飛速發展，對電力的需求日益增大，尤其是在夏季電力短缺的現象就更日益突出。為了緩解電力短缺的問題，很多企業都想出了很多方法，一方面節約用電，另一方面，有能力的廠家自己發電解決用電緊張問題。例如污水處理行業，他們利用在污水處理中產生的沼氣發電，目前沼氣發電技術是在上也僅有少數幾個國家掌握，

2、    熱式質量流量計與渦街流量計、超聲流量計、轉子流量計等比較

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、粘度等本身性質無關；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，再經過計算得出流體的流速。流體的流量則可以通過介質流速、管徑，以及用雷諾數對流體進行動力學方面的校正后得到。

   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，它隨氣體性質變化的函數，單位：m/s。V為氣體介質流速，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，應注意應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、粘度等參數無關。

▲  渦街流量計原理：它是應用流體力學中的卡曼渦街原理來測量流體流量的。把一個旋渦發生體(圓柱體、三角柱等非流線型對稱體)垂直插在管道中，當流體在管道中流動時，會在旋渦發生體后方左右兩側交替產生旋渦，形成旋渦列。這兩列旋渦相互形成平行狀，且左右交替出現，旋轉方向相反。旋渦的頻率f(Hz)與流體的平均流速v(m/s)及旋渦發生體的寬度(m)有如下關系：   f=St*v/d (St為斯特勞哈爾系數，與旋渦發生體寬度d和流體雷諾數有關)

▲  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。在安裝時應注意流體的流動方向應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，不穩定，幾乎不可測量。

2．3轉子流量計(氣體)

 ▲轉子流量計的特點：就地顯示，無須電源；價格相對便宜；

它有兩種材質，通常用的玻璃管轉子流量計和金屬管質量流量計。就地顯示和遠傳顯示皆可，接口有HART、標準電流信號、PROFIBUS等形式。

▲轉子流量計的原理：轉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子(也稱浮子)。利用流體通過轉子與錐形管壁之間的空隙(節流面積)時產生的差壓△P來平衡轉子的重量。工作時，被測流體由錐形管的下端流入，從上端流出。流體對轉子產生向上托力的大小F總是等于轉子的重量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—轉子的體積；A—轉子的zui大截面積；g—當地的重加速度；ρt-ρf分別為轉子材質和被測流體的密度；△P為轉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，當然通過節流面積的流速也增加，只有增大節流面積，減低流速，以維持壓差△P不變。故根據轉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；h—為轉子浮起的高度。將式(1)代入可得

    Q=k*h(2gV(ρt-ρf)/(ρf*A))1/2

▲轉子流量計的使用比較方便，安裝時擰緊相應的螺栓就可以了，但應注意流體的流動的方向一定垂直向上。

▲轉子流量計的缺點：量程比小10：1；壓力損失相對大；污物易堵塞；安裝維護相對復雜；受震動影響大；需要溫度、壓力補償等；管徑大小與價格呈正比，一般在DN200以下。     

2．4、熱式氣體質量流量計

▲熱式質量流量計的特點：量程比寬可達1000：1；小量程段靈敏；不受溫度、壓力影響，直接測量氣體的質量；壓力損失可忽略；可實現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，在流體經過它時，熱源本身的熱量將會損失，流體的質量流量越大，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。

   具體對熱式氣體質量流量計(以下簡稱熱式流量計)實現來說，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，用來充當熱源。根據前述我們可有下式(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、—為與流體本身性質有關的常數；m—為與流體本身性質有關的指數系數；Q—為流體的質量流量。從式(3)我們可以看出，實現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，反應速度也快，目前市場上流通的產品皆是采用此法。

▲熱式質量流量計使用、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，安裝時應注意流體方向應同熱式流量計指示的方向相同。

▲熱式質量流量計的缺點：不適宜安裝在粘度大的環境中安裝；不適宜安裝在水珠含量在40%以上的場所。

3、熱式氣體質量流量計在氣體發電機組的應用

  框圖

傳輸電纜   整個系統是按照上圖安裝設計的，發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%

由于成分復雜，氣源壓力不大，以前采用傳統的流量計都達不到我們設計指標，經過我們對傳統流量計的性能研究后得出的結論：在測量組分復雜，壓力不大的工況條件，傳統的流量計由于本身的局限性，已無法測量。因而，經過我們調研后，發現熱式氣體質量流量計*符合我們的工況條件應用。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。由于它輸出的標準的電流信號，可以直接接入計算機的采集卡，依靠軟件實現對系統的綜合管理，使我們的能源損耗和電能產出有了一個準確計算依據。

實際測試數據：

儀表為QFM200熱式氣體質量流量計，燃氣壓力為2kPa，環境溫度為33℃，空氣相對濕度50%。燃氣管徑φ150。
流量計測量值為燃氣流速S(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定的，當氣體成份發生變化時，應進行修正。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，Fn為各組分的系數，Vn為百分比。
各組分系數如下：
H2S  CO2  CH4  O2  H2  N2
系數  0.933  0.795  0.823  0.946  1.019  0.946
經以上公式計算可知：修正系數為0.827。
從以上計算可以看出：機組在450kW時氣耗率為1.97kW/m3。

4、結論

  通過我們在高碑店污水處理廠的實際應用的情況看，熱式氣體質量流量計在氣體測量方面的優勢特別明顯，尤其是在壓力小、氣體成分復雜的情況下。熱式氣體質量流量計同其他流量計相比有著壓力損失小、量程比寬、小量程段靈敏等優點，更利于節約能源。它的成功應用，為今后氣體發電機組提供了計量的設備。