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    氣體質量流量計在發電機行業的應用

    作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
    1、引言
    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,有能力的廠家自已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國際上也僅有少數幾個國家掌握,國內氣體發電機組廠家僅有我廠的發電機組在高碑店污水處理廠得到了很好的應用,高碑店污水廠利用沼氣發電與廠內供電并網,利用余熱回收裝置用于加熱消化污泥使廠的能源消耗達到了很好的性價比。機組自今年3月30日正式使用至今,已累計連續運行3000余小時,每天平均發電1萬kW.h,累計發電量約為120萬kW.h,為企業創造了可觀的經濟效益。企業關注的是效益,關注的是1m3氣到底能發出幾度電呢?傳統的計量的方法有采用渦街流量計、超聲波流量計、轉子流量計等,效果都不甚理想?,F在我們采用QFM200熱式氣體質量流量計,它的成功運用,使長期困饒我們在計量問題上(理論設計與實際消耗相差太大)的難題得到了解決,由于它量程比寬可達1000:1,這樣我們不同功率的機組可選用同一中規格的產品就可實現高精度測量?,F就熱式氣體質量流量計的特點、原理、使用及與其他各款流量計的性能作一比較。
     
    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渦街流量計(氣體)
    ▲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(/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。
    2.2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。日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;
    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*(pt-pf)g
    由于F=G故△P*A=V*(pt-pf)g
    △P=V*(pt-pf)g/A      (1)
    式中V一轉子的體積;A一轉子的zui大截面積;g一當地的重加速度:pt-pf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??捎檬?2)表示
    Q=k*h(2△P/pf)1/2     (2)
    式中k一為儀表常數:h一為轉子浮起的高度。將式(1)代入可得
    Q=k*h (2gV (pt-pf)/(pf*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一為電子模塊為加熱源提供的功率;△T一為加熱源與參考點之間的溫差;A、B、一為與流體本身性質有關的常數;一為與流體本身性質有關的指數系數:Q一為流體的質量流量。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
    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2KP,溫度常溫,沼氣脫硫后的成分比:
    H2S0.653%C0233.7%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,己無法測量。因而,經過我們調研后,發現熱式氣體質量流量計完全符合我們的工況條件應用。我們采用質量流量計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,依靠專用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(/s),流量值為計算值。
    計算公式為:Q=S×nR2×3600,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H2SCO2CH4O2H2N2
    百分比%0.65333.762.30.470.0631.46
    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 02 H2 N2
    系數0.9330.7950.8230.9461.0190.946
    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精確計量的設備。
     
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