插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

林曉毅

（中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120）

1 前言

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)生活、工業(yè)上廢水、廢氣排放的檢測(cè)和控制也越來(lái)越重視。對(duì)于廢液的監(jiān)控，可以采用電磁流量計(jì)；但是由于環(huán)保廢氣的多粉塵、混合組分及要求低壓損、防爆、防腐蝕的特點(diǎn)，監(jiān)控儀表相對(duì)難選。一般的流量?jī)x表有壓損，要求氣體介質(zhì)相對(duì)純凈，如果采用高級(jí)儀表，價(jià)格偏高，所以，在精度要求不是很高的場(chǎng)合，可以采用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

2 插入式熱式流量計(jì)測(cè)量原理及流量計(jì)算

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用傳熱原理,即流動(dòng)中的流體與熱源(流體中加熱的物質(zhì)或測(cè)量管外加熱體)之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表，目前主要用于測(cè)量氣體。熱式流量?jī)x表用得最多有兩類(lèi)，一是利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)，曾稱量熱式TMF；另外一類(lèi)是利用熱消散（冷卻）效應(yīng)的金氏定律TMF，又由于結(jié)構(gòu)上檢測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi)，也稱插入型或侵入型。插入型的工作原理及流量計(jì)算如下：

如圖所示，插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)由兩個(gè)電阻溫度計(jì)組成傳感器，一個(gè)測(cè)溫探頭，感受流體溫度T2；另一個(gè)電阻溫度計(jì)由電路加熱到溫度T1，用來(lái)測(cè)量流體帶走的熱量變化，亦稱測(cè)速探頭。T1高于T2，并保持ΔT恒定，即ΔT = T1－T2。當(dāng)流體流經(jīng)傳感器時(shí)，由于測(cè)速探頭的自身溫度T1高于測(cè)溫探頭感受的溫度即流體溫度T2，流體便帶走了測(cè)速探頭上的一部分熱量（高溫向低溫傳遞），使T1下降。電路為保持ΔT恒定，便增加對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率，使ΔT = T1－T2恒定。流體帶走測(cè)速探頭上多少熱量，電路便增加相應(yīng)數(shù)量的電功率，兩者之間存在著一個(gè)函數(shù)關(guān)系[1]。設(shè)對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率為P，流體的質(zhì)量流量為Q，則根據(jù)流體流過(guò)測(cè)速探頭時(shí)所帶走的熱量與對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率相對(duì)應(yīng)的原理，得到下列關(guān)系式：

（注：式中B、A為常數(shù)）

式（1）中，

因此，可以通過(guò)測(cè)量加熱功率P，來(lái)測(cè)量帶走這部分熱量的流體的質(zhì)量流量。由于帶走著部分熱量的是流體的分子，所以，測(cè)速探頭直接測(cè)量的是流體的質(zhì)量流速ρν，此時(shí)，只要乘上管道的橫截面積，就可以得到流體的質(zhì)量流量了。由于氣體流過(guò)探頭時(shí)帶走熱量和氣體的質(zhì)量流量成比例關(guān)系，也和探頭間溫差有關(guān)，流量越大，兩探頭之間溫差越小，氣體質(zhì)量流量與溫差之間的聯(lián)系通過(guò)質(zhì)量流速ρν建立[1]。

式中：Qm — 質(zhì)量流量，kg/s；

Κv — 測(cè)量頭儀表系數(shù)；

α — 速度分布系數(shù)；

β — 阻塞系數(shù)；

γ — 干擾系數(shù)；

Α — 儀表表體（測(cè)量管道）的內(nèi)橫截面積，m2；

ρν — 質(zhì)量流速，kg/(m2? S)。

圖10是基坑與斜拱樁基承臺(tái)邊緣凈距從5 m變化到20 m時(shí)，水平推力斜拱樁基對(duì)基坑圍護(hù)樁水平位移影響深度圖，對(duì)圖10的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合曲線滿足式(2)的線性關(guān)系：

基于上述原理，對(duì)于大管徑的流量測(cè)量來(lái)說(shuō)，雖無(wú)相應(yīng)的大管徑標(biāo)定裝置來(lái)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，但只要在標(biāo)準(zhǔn)口徑的標(biāo)定裝置上測(cè)定相應(yīng)的質(zhì)量流速，也就可方便地測(cè)量出大管徑中流體的質(zhì)量流量了。

圖 插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理圖

由于兩個(gè)傳感器都是用性能穩(wěn)定的金屬鉑材料通過(guò)特殊工藝密封在316L不銹鋼管或抗酸、堿腐蝕的K2760哈氏合金或鉑套管中制成，因此極為堅(jiān)固，并不會(huì)污染被測(cè)流體或受被測(cè)流體污染，且其抗腐蝕性能相當(dāng)好。

3 熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)

當(dāng)前TMF大部分用于測(cè)量氣體，只有少量用于測(cè)量微小液體流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)具有性能可靠、無(wú)可動(dòng)部件、安裝方便，壓損小、量程比寬（可達(dá)1000∶1）、靈敏度高等特點(diǎn)[2]，特別適用于大管徑、低流速，非圓截面管道、現(xiàn)場(chǎng)空間狹窄處測(cè)量等特殊工況，在環(huán)境保護(hù)和過(guò)程工業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速，例如：污水處理過(guò)程中發(fā)生的氣體，燃料電池工廠各種氣體的流量測(cè)量及煤粉燃燒過(guò)程粉/氣配比控制等。

與常用的孔板、渦街和差壓式均速管、文丘里流量計(jì)相比較，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)有如下特點(diǎn)[2][3]：

（1）直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，不需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償；

（2）一次元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用不銹鋼或特種合金外殼覆蓋，不怕臟污或腐蝕，不存在堵塞問(wèn)題，且表面臟污極易清除。帶不斷流裝拆裝置，可實(shí)現(xiàn)不停氣裝拆，清洗維修，簡(jiǎn)便易行；

（3）量程比特大，可達(dá)1000∶1，可測(cè)流速范圍0.1 m/s～60 m/s，完全覆蓋一般工業(yè)廢氣及煤氣廠輸出總管中的流速范圍。因而只需在總管上裝一臺(tái)插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，就可滿足計(jì)量要求。大大地節(jié)省了投資，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便了管理，提高了系統(tǒng)工作的可靠性；

此外，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)靈敏度高，尤其適合于大管徑、低流速的流量測(cè)量。且在大管徑中使用，其性能價(jià)格比更顯優(yōu)勢(shì)；防爆、防護(hù)、抗腐蝕設(shè)計(jì)，又使它能適應(yīng)惡劣工況，危險(xiǎn)場(chǎng)合。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為一種插入式流量計(jì)，由上述插入式流量計(jì)的測(cè)量公式可見(jiàn)該流量計(jì)同樣方便適用于方形管道的氣體流量測(cè)量。環(huán)保管道一般用圓形，而空調(diào)的管道很多地方為方形?？装宓群芏鄡x表沒(méi)有測(cè)量方形管道的數(shù)據(jù)，若使用插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，不論圓形或是方形管道均可通過(guò)計(jì)算獲得，這也解決了低壓方形通風(fēng)管道的流量測(cè)量問(wèn)題。

4 測(cè)點(diǎn)位置的選擇

正確選擇測(cè)點(diǎn)位置是減少測(cè)量誤差的重要條件，測(cè)點(diǎn)位置選擇不當(dāng)，會(huì)增加流量計(jì)的測(cè)量誤差，對(duì)于熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，按相關(guān)資料小結(jié)，其測(cè)點(diǎn)位置的選擇應(yīng)滿足如下要求：

（1）盡可能保證測(cè)點(diǎn)前后直觀段的長(zhǎng)度，一般要求前≥20 D（D為被測(cè)管道內(nèi)徑），后≥10 D。管道內(nèi)的流場(chǎng)分布，只與管道系統(tǒng)有關(guān)，因此，測(cè)點(diǎn)前后均應(yīng)避開(kāi)“擾動(dòng)源”。

（2）測(cè)點(diǎn)附近無(wú)“二次流”，以避免擾亂流場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)絕對(duì)避免有“回流”情況，如有，可移位安裝或安裝“止回閥”。如安裝止回閥，應(yīng)確保測(cè)點(diǎn)后直管段長(zhǎng)度≥10 D。

（3）測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)避免被測(cè)氣體組分 （尤其是含水、含油、含塵量）的起伏變化，盡可能選擇具有“穩(wěn)定流”的測(cè)量點(diǎn)。

（4）測(cè)點(diǎn)附近被測(cè)氣體的流速應(yīng)控制在<60 m/s的范圍內(nèi)。10 m/s～30 m/s為經(jīng)濟(jì)流速，推薦使用。易燃易爆氣體應(yīng)控制在安全流速范圍內(nèi)。

5 測(cè)點(diǎn)前后直管段與測(cè)量精度

環(huán)保廢氣管道管徑大，很多都無(wú)法保證直管段的要求，那么，測(cè)量精度會(huì)因?yàn)橹惫芏蔚臏p小而降低。如儀表廠的樣本注明熱式質(zhì)量流量計(jì)可達(dá)到±1%的精度，直管段是前/后為20D/10D，如果現(xiàn)場(chǎng)條件不允許，無(wú)法選到滿足要求的測(cè)點(diǎn)時(shí)，精度會(huì)降低。我們建議其工程處理可以采用在允許誤差范圍內(nèi)適當(dāng)減少直管段的方案，參考標(biāo)準(zhǔn)孔板直管段減少與誤差增加的原則來(lái)估算。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的直管段對(duì)誤差的影響沒(méi)有權(quán)威的數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘里等有數(shù)據(jù)。根據(jù)中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自控安裝圖冊(cè)HG/T 21581-2010的資料整理成表，供大家參考。

環(huán)保工程目前因?yàn)殡y測(cè)量，儀表價(jià)格貴，很多地方?jīng)]有測(cè)量，故我們認(rèn)為適當(dāng)增加誤差（保證系統(tǒng)誤差在±1.5%～±2%之內(nèi)），選用性價(jià)比高的熱式質(zhì)量流量計(jì)還是可取的。

表 β(d/p) = 0.5，90℃彎頭時(shí)的直管段要求

當(dāng)然我們希望有關(guān)方面能做一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，以使用戶更放心，亦可在很多行業(yè)推廣應(yīng)用。

6 用戶訂貨時(shí)要注意的問(wèn)題

如果熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的有關(guān)樣本比較簡(jiǎn)單，用戶在選用時(shí)還要向制造廠了解清楚下列問(wèn)題：

（1）傳感器中探頭的插入深度與氣體管道的管徑有關(guān)，制造廠有什么建議長(zhǎng)度（注：一般大管道要插入到1/4管徑處，即平均流速點(diǎn)；小管道要插入到管中心）。

（2）傳感器的探頭插入深度是否可調(diào)整，用戶現(xiàn)場(chǎng)如何調(diào)整。

（3）由于插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)探頭的保護(hù)套用材較少，對(duì)強(qiáng)腐蝕介質(zhì)可選用高級(jí)耐腐蝕金屬材料，比起其它流量計(jì)價(jià)格升高較少，以更好地發(fā)揮插入式氣體質(zhì)量流量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

[1] 陸德民. 石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000, 105-112.

[2] 鞏愛(ài)華，馬金權(quán)，朱成偉. 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理分析及應(yīng)用[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2002,18(3):75-80.

[3] 陳洪祥. 新一代熱式質(zhì)量流量計(jì)[J].自動(dòng)化儀表, 2001, 22(12):31-32.