氣體流量計在煤氣廠的應用

一、概述
      昆明焦化制氣廠焦爐煤氣計量主要測點有：焦爐回爐煤氣、鍋爐煤氣摻燒、管式爐用煤氣和城市外供煤氣等，此外，還有發生爐煤氣計量和節假日摻加到煤氣中的石油液化氣計量。焦爐煤氣過去一直使用標準孔板、均速管進行計量。使用過程中主要存在以下幾方面的問題：
    （1）焦爐煤氣臟，孔板容易污染，由于連續生產不能拆除孔板進行清洗，影響系統測量精度；
      （2）焦爐煤氣臟，儀表導壓管易堵，必須定期用蒸汽吹掃儀表導壓管，否則就會影響測量精度，甚至系統不能正常運行；
      （3）煤氣中所夾帶的蒸汽或水霧，當溫度降低時凝結成水，在管道中很難排除，影響系統測量精度。
      （4）直管段要求長，煤氣管道口徑通常比較大，要保證流量測量準確的20~40D直管段很難滿足。
      （5）量程比小，僅為3∶1，例如因城市煤氣用量高峰或低谷時要求輸送煤氣量的不同，出廠煤氣計量的輸送量在一天內的變動超過10∶1，孔板因量程比小就達不到使用要求。
1 氣體流量計測量原理
      氣體流量計與其它差壓流量計一樣，都是基于密閉管道中能量轉換的伯努利定理進行測量，即對理想流體，介質的流速與差壓的平方根成正比。當介質以一定的流速迎著錐尖方向流過時，由于錐體的節流作用，會使錐體下游形成低壓區，通過錐體的節流作用，會使錐體下游形成低壓區，通過錐體上游管壁取高壓P1，管壁與錐體尾部連通的空心管取低壓P2，送到壓差變送器測出壓差值△P，見圖1，根據伯努力方程，可計算出體積流量qvc

式中，K為儀表系數；ε為氣體膨脹系數，ρ為流體工作密度。
      因為管壁摩擦力減小了流過管壁的流體速度，所以在管道中流速分布為：在管壁處流速接近零，愈靠近管線中心流速愈大，在管線中心處流速Z大。而當流體流過氣體流量計時，因氣體流量計是通過在管線中心懸掛一個氣體體來節流，錐體直接與流體高速中心部分相互作用，迫使管線中心的高速流體與接近管壁的低速流體均勻化，即兩者的流速趨于一致。

    與各種節流裝置的結構比較，標準孔板是流體在管道中心突然收縮，不僅阻力損失大，而且加劇了流體流速分布的不均勻性，管道邊緣阻斷，臟污介質聚集在標準孔板前后；文丘里管（和標準孔板一樣仍然是標準節流裝置的一種）則是在管道中心逐漸收縮，雖然流體流速分布的不均勻性仍然存在，但阻力損失稍有降低，臟污介質聚集的情況有所改善，只是制作困難；環形孔板是在管道中心置一圓盤，而管道邊緣則可流通，即從標準孔板的管道中心突然收縮轉變為管道邊緣突然收縮，因而可使管道內流速均勻化，可使臟污介質不致聚集在環形孔板前后；而氣體流量計是在管道中心置一圓錐，它的結構是管道邊緣逐漸收縮，阻力損失小，且可使管道內流速均勻化，使臟污介質不致聚集在環形孔板前后。由此得出結論：氣體流量計是節流裝置發展過程中一系列革新的必然結果，見圖2。

2 昆明焦化制氣廠的應用
      2002年昆明焦化制氣廠在新項目建設中，設計選用3臺美國肯威斯（Kingways Control）公司氣體流量計，對焦爐煤氣（1200mm插入式），發生爐煤氣（400mm管道式）和石油液化氣（270mm管道式）的流量進行測量，由于使用效果好，因此又在鍋爐煤氣摻燒中使用了兩臺氣體流量計（250mm和400mm）。
3 氣體流量計特點
      昆明焦化制氣廠使用氣體流量計有三年的歷史了，檢測系統運行正常，而且日常的維護工作量幾乎沒有，深受現場工人和技術人員的歡迎。主要特點如下。
      （1）直管段要求低。雖然所有差壓式流量計都是依據伯努利定理進行測量，但伯努利定理有一個基本要求，即被測量的流體必須為理想流體。采用孔板、噴嘴等傳統的差壓流量計的節流裝置時，為了盡量滿足伯努利定理的要求，必須有非常長的前、后直管段，以便將不規則流動的流體盡可能整形成為理想流體。而氣體流量計流量采用*的置于管道中心的流線型節流結構設計，在檢測流量之前，同時對不規則流動的流體進行整流，在不增加流體整流器的情況廠，巧妙地解決流體整流的問題。中心懸掛的流線型錐體能重塑流速曲線，在緊靠錐體上游和下游較窄的區域內（前0~3D，后0~1D），將流速不規則的液體直接整流成理想液體，可充分滿足伯努利定理的要求，獲得很高的測量精度和重復性。不需要非常長的直管段整流，這在流量計的安裝過程中有很重要的意義。昆明焦化制氣廠使用的石油液化氣氣體流量計（口徑270mm）在安裝過程中，由于現場條件限制，流量計前、后直管的距離分別為1000mm和600mm，但流量計仍能正常穩定運行。
      （2）耐污染，不易堵。昆明焦化制氣廠煤氣類流量測量，原來使用的是孔板流量計和均速管流量計，由于煤氣中含有焦油、萘、硫、氨水等多種雜質，孔板或均速管必須定期清洗或用蒸汽吹掃，否則孔板上、下游端面、上游側直角入口邊緣將受到污染，儀表導壓管會不暢通或堵塞，影響系統測量精度；孔板前、后直管段積水會使管道流通面積減小，流速提高，差壓增加，流量顯示值偏高，嚴重時因導壓管堵塞，變送器無法正常運行。為確保儀表正常穩定運行，儀表工維護工作量很大。氣體流量計有自吹掃式的結構設計特點，無滯留死區。介質流過錐體時會加速，不斷沖刷正壓取壓孔、錐體外壁及錐體附近管壁，而負壓取壓孔則被一小段不流動介質所隔離，臟污雜質進不去，因此氣體流量計可用于各種含雜質、易結晶的臟污介質，如焦爐煤氣、發生爐煤氣等介質。昆明焦化制氣廠采用的五臺氣體流量計對焦爐煤氣、發生爐煤氣和石油液化氣的流量進行測量，有的使用已三年，至今未進行過維護，流量計未發現有節流裝置污染、儀表導壓管堵塞、管道積水、流量顯示值異常等現象，大大降低了儀表的維護工作量，提高了煤氣流量測量的準確性和可靠性。
      （3）差壓值大，量程比寬，適用于低壓低流速介質的流量測量。在焦化廠煤氣流量測量過程中，測量對象的特點是管道直徑大、壓力低，流速慢，孔板流量計一般選配微差壓變送器（昆明焦化制氣廠使用的是羅斯蒙特公司的1151DR），在煤氣壓力為3500Pa時，正常的差壓在100~1000Pa之間變化（昆明焦化制氣廠回爐煤氣滿量程的差壓值為630pa），流量計的差壓信號較小。而在采用均速管流量計時，由于管道煤氣流速低，差壓信號非常小對系統精度影響很大，昆明焦化制氣廠城市煤氣計量采用均速管流量計，Z大差壓只有120Pa，正常值為2~5Pa，系統精度很差。差壓信號小會影響變送器校驗、使用的精度；孔板有污染、儀表導壓管不暢、管道有積水對系統精度影響也很大。而氣體流量計由于是類似孔板的節流件，差壓值遠大于均速管流量計，相對孔板來說，由于是管道邊緣逐漸收縮，阻力損失小，因而可在阻力損失相同的情況下，設計時可選用差壓值較大的氣體流量計，如表1所示，幾臺氣體流量計測量煤氣時差壓值均大于孔板測量時的差壓值。提高了差壓信號，為變送器校驗創造了條件，也提高了系統的測量精度。

某些測量對象，如出廠煤氣、摻燒煤氣的流量測量，因Z大Z小流量相差較大，通常孔板只能達到3∶1的量程比，只好采用多管并聯的方法解決測量度不降低的問題，而氣體流量計的量程比可大于10∶1，因而在低量程時的測量度較高，適用范圍更寬。
4 結語
      經過10多年的應用實踐，人們已逐漸了解氣體流量計的特點并且能親身體驗到它作為一種更有效的流量儀表的種種優點。實踐證明：利用氣體流量計能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現更準確更有效的流量測量。我們也期待有一天氣體流量計在進行更充分測試后能像標準節流裝置一樣，不經過標定而確定差壓與流量的關系，并可估算其測量誤差，從而可以直接在生產現場使用。