熱式流量計在風機機組能效測試中的應用

李超

摘要：本文主要探討了熱式流量計在能源計量中測量氣體管道流量的應用。作為一種接觸式流量計，熱式流量計在氣體能效測試中具有廣闊的應用前景。為使大家合理有效的使用熱式流量計，本文就風機能效測試現場使用熱式流量計的工作原理及檢測方法進行分析。

關鍵詞：熱式流量計;能源計量;管道流量;能效測試

0 引言

風機機組是企業(yè)重要的能源消耗裝置之一，很多企業(yè)的風機在實際運行中處于不經濟運行的狀態(tài)，導致了大量的能源浪費。因此測試風機運行的能耗狀態(tài)，不僅可以幫助企業(yè)掌握風機的工作性能狀態(tài)，還可以掌握風機的能耗水平，為企業(yè)進行風機機組節(jié)能改造提供依據。然而，目前對風機的能效測試時，由于現場條件的復雜性，導致計量器具測量結果準確性差。針對風機機組能效測試中實際存在的問題，本文介紹了利用熱式風速流量計進行現場測試，提高測量精度的方法。

1熱式流量計原理

熱式流量計（Thermal Mass Flowmeters，簡稱TMF）在國內習稱量熱式流量計，是利用流體流過外熱源加熱的管道時產生的溫度場變化來測量流體流量，或利用加熱流體時流體溫度上升某一值所需的能量與流體體積之間的關系來測量流體流量的一種流量儀。一般用來測量氣體的流量。一般按結構原理主要分為浸入型TMF、熱分布型TMF、邊界層流量計。

浸入型TMF傳感器的測量原理如圖1和圖2所示。它有兩個探頭浸入到被測流體中，一個速度探頭監(jiān)測質量流速p，一個溫度探頭監(jiān)測氣體溫度T，并自動對溫度的變化進行修正，如圖1所示。現代工業(yè)用的浸入型TMF探頭是用作標準級鉑電阻溫度探頭（RTD）的鉑絲繞在一陶瓷芯棒上插入一堅固的不銹鋼套管（或溫度計套管）中組成的。速度探頭RTD的電阻比溫度探頭RTD的電阻低得多，并由電子設備供電產生熱量。如圖2所示。

圖1熱式流量計傳感器結構

圖2 熱式流量計電子設備供電線路

浸入型TMF傳感器的工作原理基于熱力學第一定律。即電子設備提供給速度探頭的低電功率（）應等于流動的氣體對流換熱所帶走的熱量。

（3）

式中：Eu ——單位時間內輸給流量計的電功率;

Ru——速度探頭的電阻;

h ——對流換熱系數;

As——圓柱形探頭表面積;

Tu——速度探頭的溫度;

T ——溫度探頭測得的氣體溫度。

2管內速度分布和平均流速的分析

（一）速度分布

在管道橫截面上流體速度軸向分量的分布模式稱為速度分布。這是由于實際流體都具有粘性而造成的。一般的規(guī)律是，越靠近管壁，由于流體與管壁的粘滯作用，流速越小，管壁上的流速為零;越靠近管中心，由于流體與管壁的這種粘滯作用越小，流速越越大，管道中心的流速達最大值。

圖3? 圓管內流速分布圖

值得注意的是，如上圖3所示這樣的典型的管內流速分布，是指充分發(fā)展了的管內流動所具有的流速分布，管內流體只有通過足夠長的直管段以后才能形成。但由于流動過程中存在各種干擾，一般情況下，管內的流速分布總是要偏離這種典型的流速分布而對流量測量造成影響。因為流體流經阻流件時，流速分布會發(fā)生畸變以及產生漩渦，這種情況稱為非充分發(fā)展管流。非充分發(fā)展管流就是速度分布從一個橫截面到另一個橫截面皆在變化的流動。只有在很長的直管段末端或加裝流動調整器后分布才能恢復到充分發(fā)展管流。這正是許多流量計需要足夠長的表前直管段的根本原因。

表1? 浸入型熱式TMF對上游直管段要求的比較

上游阻力件形式

一個90°彎頭

平面雙彎頭

空間雙彎頭

大小頭之比4：1

全開球閥

上游直管段長度

1D

3D

5D

3D

2D

（二）平均流速

所謂平均流速，平時總是指管道截面上的平均流速。其含義是當管內流體以某一流速均勻分布時，通過管道某截面的流量正好等于管內流體以某一速度分布時通過該管道截面的流量，則就是該截面上的速度分布為時的平均流速。其數學表達式為：

（6）

對于圓管有：

（7）

將式（7）代入（6）得：

（8）

由式（8）可知，熱式風速儀的探頭安裝應在處，在對中聯水泥風機測試時采用了800mm口徑的管道，探頭插入在L=200mm左右。如圖4所示。

3實際案例和經驗總結

通過以上對熱式流量計的分析后，我在測量徐州中聯水泥廠風機機組管道流量的時候，進行了現場的實驗。本次測試我們采用的熱式流量計是奧地利EE公司的65型熱式流量計，其測量結果的不確定度為：Urel=0.3m/s（k=2）。經過多次測試后我總結了運用熱式流量計進行能效測試有以下幾個優(yōu)點：

①有堅固的結構，適用于工業(yè)應用。

②流量范圍大，對于插入式TMF的流量范圍，管徑可達2m以上。

③精確度高，重復性好。

④具有1～2s的快速響應時間。

⑤對上游直管段長度的要求很低，對下游甚至沒有直管段的要求。

⑥可測量含固體顆粒的氣體。

通過對基本原理的了解和現場試驗的經驗總結，我們通過與已校準的在線流量計的對比，發(fā)現當采用熱式流量計后，我們的測量精度得到了提高并且大大縮短了工作時間，滿足了能效測試測量精度的要求。

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