無孔板變頻空氣流量計在甲醛生產中的應用

摘  要： 智能儀表可精細整定各項參數的設定與修改，而且儀表內部無可調可動元件，可靠性和穩定性*。智能儀表自帶溫度補償和參數斷電存儲功能，單片計算機自動運算查表法修正，是取代傳統數字表的新一代理想產品。
1 甲醛生產變頻風機空氣流量的取樣與風機節能問題
    國內甲醛生產企業很多采用孔板截取空氣管道壓差后，利用“U”型玻璃管壓差計來觀測或再通過壓差變送器經電子積算儀表送顯。由于送風管道裝入孔板后，會造成1000~3000Pa的系統阻力，使風機能耗增加。兩葉風機阻力功耗約為0.85kW/kPa，三葉風機阻力功耗為0.8kW/kPa。兩葉風機的年阻力耗電為7000kWh/kPa，按電價0.70元/kWh計算，每年需多支出約5000元/kPa的電費。不少企業的工程技術人員，為了降低風道系統阻力，采取了二次擴徑加工來降低孔板阻力。甚至有增粗測量段管道加裝大口徑孔板的方法，使壓差降低至300Pa以下。但孔板投資少則幾千元，組成變送單元和流量儀表要一萬多元，每年因孔板取樣損失掉的電費有的高達15000元。
    我們采用變頻調速器控制風機轉速來達到調節空氣流量的目的，既經濟節能又操作方便。哈爾濱市正陽河粘合劑廠、哈爾濱巨業化工有限公司、綏化五源化工公司、河北省河間市鑫利化工廠、吉林市聚力工貿公司、黑龍江省朗鄉*刨花板廠等單位的甲醛生產線上均安裝了變頻調速器，同時取消孔板壓差測量方式，在氧控室就能遠程操作。一年平均負荷70%時，可節電49%，3萬噸甲醛裝置年省電費約20萬元。如果全國300套甲醛裝置都改用變頻調速器控制風機，每年至少可節約電費3000~5000萬元，十年約5億元。
    在哈爾濱巨業化工有限公司3萬噸甲醛系統中，前期應用了低壓差孔板120~250Pa，經過智能數字流量計送顯出帶壓力補償、溫度補償后實際空氣流量。通過3年來的運行監測表明其誤差在0.3%，但投資較高，約12000元（若進口類似裝置價格更高）。
    黑龍江省朗鄉*刨花板廠同樣3萬噸甲醛裝置，采用本文所述變頻頻率法智能數字式空氣流量計，流量信號來自變頻器頻率輸出端子，取消了風機管線上的孔板，降低了系統阻力。一般甲醛生產所需空氣量為600m3/h·t，誤差在±12m3/h·t，若生產正常每小時甲醛產量在4t時，其誤差帶來的影響僅0.050t/h。儀表的應用誤差在1.5%，投資約7000元。此法*可以滿足甲醛生產工藝配比操作的需要。

2 風機空氣流量計算的重要性
    在開車與正常生產過程中，能確切掌握風機實際送風量或調節到所需風量是每個甲醛車間技術人員關心的事。但事實上，許多甲醛廠只憑經驗來操作，當發生孔板堵塞、掛泥等“U”型壓差計不準時，往往與生產的甲醛產量對不上，嚴重時會造成工藝偏離，單耗增加。引管進醇也是常見現象，一般好處理。但處理孔板內部問題較為麻煩，若能發現這類問題更加困難。
    本文從實踐出發，引出無孔板空氣流量計算方法，這是一種較新的風機流量計算理論。在大量研究兩葉和三葉羅茨鼓風機特性曲線基礎上，發現同一級別流量型號的風機，只要更換不同功率的電機或級數不同的電機，會產生不同轉速、額定壓力不同級別型號的風機。在風機制造廠里參觀同廠家討論中也證實了這一點。根據羅茨鼓風機風量公式簡化后的變頻風機風量計算表達式：
    Qm=K×f1（1） [進口空氣溫度20℃時]
    式中的K為整理后風機固有系數，f1為轉速對應的頻率。式（1）中可見，羅茨鼓風機風量與電機轉速頻率成線性關系。
    但羅茨鼓風機在運轉過程隨出口壓力的增大，風量會有一定程度的降低。風機出口壓力在1000mmH2O與5000mmH2O時，有6%左右的風量偏差。高壓風機在1000mmH2O與7000mmH2O出口壓力時，達12%左右的風量差。由此可見羅茨風機的風量表達式必須加上壓力和溫度補償后，才能較地計算出實際工況條件下空氣流量值，滿足精細整定工藝參數的需要。
    采用智能流量計上的羅茨風機空氣質量流量計算公式為：

式中：
    K—智能流量積算儀整定修正后的流量顯示比例系數
    ρ20—20℃時的空氣密度，取1.205kg/m3
    T0—273.15℃
    PA—工作點大氣壓力，在0.1013MPa左右
    P0—標準大氣壓，0.10133MPa
    T—實際空氣溫度
    F—風機流量頻率參數，取自變頻器頻率返饋輸出信號
    P—風機補償壓力參數，壓力越大此值越小，同時與風機額定壓力大小有關，還與流量計滿量程計算精度有關，可在智能計算儀二級參數設定頁中壓力補償的量程比例系數項得以修正。

3 無孔板空氣質量流量計應用計算示例
    一臺三葉羅茨風機，電機功率75kW，額定壓力78.4kPa，額定流量2400m3/h。采用WP系列智能流量積算儀，溫度補償用PT100熱電阻，壓力補償采用0.1MPa遠傳電阻表。
    遠傳電阻表輸出反接，即壓力升高，電阻變小。
    WP系列智能流量積算儀二級參數設定中壓力補償的量程比例系數項修正系數為1.115。見下表：
    羅茨風機不同出口壓力下的頻率法空氣流量計算比照表

    注：上表內按進口空氣溫度2O℃條件下計算所得。
    由表中可知，頻率法空氣流量的計算誤差為<±2.5%，若孔板流量“U”型壓差在30mmH2O處也有1mmH2O的波動，肉眼是不宜識別的，其誤差有±3.3%。
    甲醛生產風機的出口壓力常工作在19.6~49kpa區域內（上表帶“*”處），因此頻率法空氣流量計的積算顯示誤差為±1.5%，比觀察“U”型壓差更直觀、方便，簡單實用。

4 結論
    如果將本方案中儀表的流量顯示比例系數K略縮小一些，*可以實現滿量程誤差<±1.5%。常用的渦式流量傳感器、靶式流量傳感器、差壓變送器設計精度等級也僅有1.5級，加上靜壓誤差和工作區域非線性誤差，有的高達5.0級綜合精度指標。智能儀表可精細整定各項參數的設定與修改，而且儀表內部無可調可動元件，可靠性和穩定性*。智能儀表自帶溫度補償和參數斷電存儲功能，單片計算機自動運算查表法修正，是取代傳統數字表的新一代理想產品。