发电机行业中气体质量流量计的应用

 

随着国民经济的飞速发展，对电力的需求日益增大，尤其是在夏季电力短缺的现象就更日益突出。为了缓解电力短缺的问题，很多企业都想出了很多方法，一方面节约用电，另一方面，有能力的厂家自己发电解决用电紧张问题。例如污水处理行业，他们利用在污水处理中产生的沼气发电，目前沼气发电技术是在上也仅有少数几个国家掌握，

2、    热式质量流量计与涡街流量计、超声流量计、转子流量计等比较

2．1超声波流量计(气体)

 ▲超声波流量计特点：没有压力损失；安装简单；与流体的温度、压力、粘度等本身性质无关；无可动部件；可测量脏污、腐蚀气体及多组分气体。

▲超声波流量计原理：在管道中测量测量顺流和逆流方向超声波的传播时间，再经过计算得出流体的流速。流体的流量则可以通过介质流速、管径，以及用雷诺数对流体进行动力学方面的校正后得到。

   具体来说：在管道中以“Z”型装一对超声波传感器，两个传感器之间的距离L作为超声波的传播行程。超声波在两个传感器之间的顺流和逆流传播时间分别表示为：

Ts=L/(C+Vcosθ)；Tn=L/(C-Vcosθ)

式中C为声波在静止空气中的速度，它随气体性质变化的函数，单位：m/s。V为气体介质流速，单位m/s。θ为声波行程与管道轴线之间的夹角。

 ▲超声波流量计的使用也比较方便。在管道表面以“Z”型安装，应注意应把传感器安装处打磨光亮并涂敷黄油，用固定装置把传感器与管道拧紧即可。

 ▲超声波流量计的缺点：量程比小(15：1)；维护相对麻烦；气体精度高的价格高；计量需要温度、压力补偿；

涡街流量计(气体)

  2．2、 ▲涡街流量计特点：没有可移动部件、计量精度高、压力损失小

  检测元件不与被测流体接触、输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。

▲  涡街流量计原理：它是应用流体力学中的卡曼涡街原理来测量流体流量的。把一个旋涡发生体(圆柱体、三角柱等非流线型对称体)垂直插在管道中，当流体在管道中流动时，会在旋涡发生体后方左右两侧交替产生旋涡，形成旋涡列。这两列旋涡相互形成平行状，且左右交替出现，旋转方向相反。旋涡的频率f(Hz)与流体的平均流速v(m/s)及旋涡发生体的宽度(m)有如下关系：   f=St*v/d (St为斯特劳哈尔系数，与旋涡发生体宽度d和流体雷诺数有关)

▲  涡街流量计的使用相对简单，安装也比较方便，它分插入式和管道式两种。在安装时应注意流体的流动方向应同流量计指示的方向相同。

▲    涡街流量计的缺点：量程比小(15：1)；受震动影响大；管道的大小与价格呈正比；需要温度压力补偿方可计量；小量程段不灵敏，不稳定，几乎不可测量。

2．3转子流量计(气体)

 ▲转子流量计的特点：就地显示，无须电源；价格相对便宜；

它有两种材质，通常用的玻璃管转子流量计和金属管质量流量计。就地显示和远传显示皆可，接口有HART、标准电流信号、PROFIBUS等形式。

▲转子流量计的原理：转子流量计也是一种速度式流量计。它有两部分组成，一个是上大下小的锥形管，另一是放在锥形管中的转子(也称浮子)。利用流体通过转子与锥形管壁之间的空隙(节流面积)时产生的差压△P来平衡转子的重量。工作时，被测流体由锥形管的下端流入，从上端流出。流体对转子产生向上托力的大小F总是等于转子的重量G，即

  F=△P*A；G=V*(ρt-ρf)g

由于F=G 故 △P*A=V*(ρt-ρf)g

 △P=V*(ρt-ρf)g/A    (1)

式中V—转子的体积；A—转子的zui大截面积；g—当地的重加速度；ρt-ρf分别为转子材质和被测流体的密度；△P为转子垂直方向上下流体的压差。有式(1)可知，在整个工作过程中，压差保持不变。在流量增加时，当然通过节流面积的流速也增加，只有增大节流面积，减低流速，以维持压差△P不变。故根据转子的平衡位置的高低就能读出流量的大小。

可用式(2)表示

 Q=k*h(2△P/ρf)1/2   (2)

   式中k—为仪表常数；h—为转子浮起的高度。将式(1)代入可得

    Q=k*h(2gV(ρt-ρf)/(ρf*A))1/2

▲转子流量计的使用比较方便，安装时拧紧相应的螺栓就可以了，但应注意流体的流动的方向一定垂直向上。

▲转子流量计的缺点：量程比小10：1；压力损失相对大；污物易堵塞；安装维护相对复杂；受震动影响大；需要温度、压力补偿等；管径大小与价格呈正比，一般在DN200以下。     

2．4、热式气体质量流量计

▲热式质量流量计的特点：量程比宽可达1000：1；小量程段灵敏；不受温度、压力影响，直接测量气体的质量；压力损失可忽略；可实现大口径小流量高精度测量；价格与管道的大小相差不大；高精度可达1%；温度范围宽可达-70℃～450℃；对粉尘、颗粒物不敏感。   

▲热式质量流量计的原理：它是基于热扩散原理的流量计。通俗的说，放在流体中的热源，在流体经过它时，热源本身的热量将会损失，流体的质量流量越大，热源损失的热量越大。这样流体的流量与热源损失的热量在理想的情况下应相等。故知道了热量的大小，我们就可以得出流体的流量。

   具体对热式气体质量流量计(以下简称热式流量计)实现来说，就是：热式流量计的探头有两个探针，其中一只是参考点，用来测量流体的温度；另一只是加热源，用来充当热源。根据前述我们可有下式(3)

 P/△T=A+B*(Q)m   (3)

式中P—为电子模块为加热源提供的功率；△T—为加热源与参考点之间的温差；A、B、—为与流体本身性质有关的常数；m—为与流体本身性质有关的指数系数；Q—为流体的质量流量。从式(3)我们可以看出，实现流量测量有两种方法：

P固定就是恒功率法；△T固定就是恒温差法。通常我们都采用恒温差法测量，恒温差法特点：小量程段特灵敏，反应速度也快，目前市场上流通的产品皆是采用此法。

▲热式质量流量计使用、安装比较方便，它有插入式、管道式两种形式。无论是插入式还是管道式，维护、操作极为简单，安装时应注意流体方向应同热式流量计指示的方向相同。

▲热式质量流量计的缺点：不适宜安装在粘度大的环境中安装；不适宜安装在水珠含量在40%以上的场所。

3、热式气体质量流量计在气体发电机组的应用

  框图

传输电缆   整个系统是按照上图安装设计的，发电机组对气源的压力、组分要求不高，就高碑店污水处理厂而言，沼气的压力为气源压力2KPa，温度常温，沼气脱硫后的成分比：H2S0.653% CO233.7%CH462.3%O20.47%H20.063%N21.46%

由于成分复杂，气源压力不大，以前采用传统的流量计都达不到我们设计指标，经过我们对传统流量计的性能研究后得出的结论：在测量组分复杂，压力不大的工况条件，传统的流量计由于本身的局限性，已无法测量。因而，经过我们调研后，发现热式气体质量流量计*符合我们的工况条件应用。我们采用DCSY公司的QFM200插入式，流速范围：0.05～120m/s。在安装时在DN150管道上钻一个￠20的口，然后焊上一个M27X1.5的内螺纹底座，把带有锁紧接头的QFM200拧入底座中就可以了。安装也非常方便。由于它输出的标准的电流信号，可以直接接入计算机的采集卡，依靠软件实现对系统的综合管理，使我们的能源损耗和电能产出有了一个准确计算依据。

实际测试数据：

仪表为QFM200热式气体质量流量计，燃气压力为2kPa，环境温度为33℃，空气相对湿度50%。燃气管径φ150。
流量计测量值为燃气流速S(m/s)，流量值为计算值。
计算公式为：Q＝S×πR2×3600,R为管径0.075m。
流量计所测量的流速值是按空气成分进行标定的，当气体成份发生变化时，应进行修正。沼气组分如下：
成分  H2S  CO2  CH4  O2  H2  N2
百分比%  0.653  33.7  62.3  0.47  0.063  1.46
修正公式：1/Fmix=V1/F1+V2/F2+……Vn/Fn
其中：Fmix为修正系数，Fn为各组分的系数，Vn为百分比。
各组分系数如下：
H2S  CO2  CH4  O2  H2  N2
系数  0.933  0.795  0.823  0.946  1.019  0.946
经以上公式计算可知：修正系数为0.827。
从以上计算可以看出：机组在450kW时气耗率为1.97kW/m3。

4、结论

  通过我们在高碑店污水处理厂的实际应用的情况看，热式气体质量流量计在气体测量方面的优势特别明显，尤其是在压力小、气体成分复杂的情况下。热式气体质量流量计同其他流量计相比有着压力损失小、量程比宽、小量程段灵敏等优点，更利于节约能源。它的成功应用，为今后气体发电机组提供了计量的设备。