热式气体质量流量计在空分厂计量中的应用

简单介绍空分厂供气系统气体计量常用的几种气体流量计的优缺点和使用情况，论述热式气体质量流量计的原理和特点，以及在空分厂气体流量计量使用的优势。

空分厂供气和用气管道中气体的流量具有范围较大、压力和温度易波动等特点，其气体流量的准确计量一直困扰着广大计量工作者。随着气体价格的增涨、用户用气量的加大，以及空分自动化控制水平的提高，对气体计量的准确性又提出了更高的要求。本文首先介绍空分厂气体流量计量的传统方法及其缺点，然后介绍热式气体质量流量计的原理和特性，后分析了热式气体质量流量计在空分厂使用的优势。

1.传统的空分厂气体计量方法

空分厂计量的气体主要分两类，一类是空分设备输出进入储罐的，另一类是从储罐供到各个用户的。每个用户安装一台流量计，要求所有用户流量分表总和与总表流量差的百分比在规定范围内，这就要求总表必须具有宽大的量程比。因每个用户的用气负荷变化不一，所以也要求每个分表需要具备大的量程比。传统的计量方法主要有孔板计量、涡街流量计计量和旋进漩涡流量计计量。

1. 1 孔板计量

孔板 是利用节流件前后产生差压值开方后与气体流速成正比，所以差压变送器精度提高 100倍，流速的精度只提高了 10 倍。接着将得到的流速乘以管道截面积，得出体积流量，再经温压补偿得到密度，后乘积得到气体质量流量。孔板规格尺寸必须根据工况参数进行计算后确定，如果工况发生变化，就必须重新计算。

孔板除了部件多、安装时焊接技术要求高、前后直管段长、占空间等缺点外，大的不足是量程比太小，在小流量时测量不准。为解决这个问题，可采用在原孔板处再并上一个小管径的孔板流量计，并安装气动切换阀，当流量超过或小于某个设定值并且保持一定时间后由积算仪进行阀门切换，此方法有一定的效果，但若总管下游管路在进各车间时没有缓冲罐，总管内的实际流量会随下游用气情况而不规则地频繁波动，易导致两个气动阀频繁切换，使得总管与分管和之间的误差较大。

1. 2 涡街流量计计量

涡街流量计 是气体达到一定流速后在漩涡发生体后产生稳定的漩涡列，漩涡产生的频率与气体流速成正比。将得到的流速乘以管道截面积得出体积流量，再经温压补偿得到密度，后乘积得到气体质量流量。涡街规格尺寸必须根据工况参数进行计算后确定，如果工况发生变化，就必须重新计算。

涡街的量程比比孔板 ( 约 3∶1) 大一些，在小流量时可将 50 mm 管路缩颈成 20 mm，但小流量还是测不出来。如给气动阀门供气的总管流量，由于气动阀门都是不定时交替打开，平时即使是微小的泄漏，测量效果也没法保证。

1. 3 旋进漩涡流量计计量

旋进漩涡流量计 原理是具有一定流速的气体通过仪表进气口的起旋器后旋转而产生一定的进动频率，该频率的大小跟气体流速成正比，将流速乘以管道截面积，得出体积流量，再经温压补偿得到密度，后乘积得到气体质量流量。旋进漩涡规格尺寸必须根据工况参数进行计算后确定，如果工况发生变化，就必须重新计算。量程比小，可测低流速高。

以上三种流量计在空分厂测量气体流量，都存在明显的缺点。为克服上述缺点，某空分厂采用热式质量流量计，并取得很好的效果。

2.热式气体质量流量计的测量原理和特性

2.1测量原理

热式气体流量计 工作原理是利用气流带走加热丝上的热量跟气体的质量流量成正比来测量如图 1 所示。从微观上来说是气体的分子与电热丝表面接触进行了热传递，从而使电热丝的温度降低。

热式质量流量计有两个探头，一个为测量管道内气体的温度的热电阻，称为温度探头; 另一个为速度探头，电功率加热到高于温度探头测量得到的温度，并且保持恒定值。当气体流动时势必带走速度探头上的热量，为保持温度差的恒定，需要电路补偿电功率，而这个补偿的电功率大小和气体质量流量成正比，气体流量计算公式为:

式中: Qm 为气体质量流量; k 为仪表系数 ( 恒定) ; P 为补偿的电功率大小( 通过测量得到) ; Cp为定压比热容( 决定于气体组分) ; T 为两探头之间的温差( 恒定) ; S 为管道截面积。

从式 ( 1 ) 可以看出，在气体组分恒定 ( Cp 恒定) 的情况下，气体的质量流量只与补偿的电功率成正比。由于每个传感器探头之间都有细微的性能差异，每个变送器内部各元器件的性能也有偏差，所以必须对组装好的流量计进行实流 ( 根据用户实际温度、压力和流量范围) 逐台标定，才能确保到现场安装后不需调试即可准确运行。

2. 2 主要特性

热式质量流量计的核心部件是两个探头上的传感器，其中加热探头中重要的是内部铂金加热丝和外壁不锈钢之间保证导热性能的同时又保证不导电。铂金丝一直在加热，很多高温的工况，加热探头温度要达到 300 ℃ 以上。长时间热胀冷缩，有机填隙物会老化、龟裂，无机物会氧化，终必然造成零点漂移和整体线性、重复性下降。所以如何维持探头的*精度是热式流量计需要解决的一大问题，也是衡量热式流量计性能的一项重要指标。

2. 3 实流标定技术

实流标定指的是根据表的工作温度、压力，从 0 到满量程，中间标定不少于 5 个点。每个探头内的传感器虽然都经过精选和匹配，但是都存在细微的差别，再加上每台仪表系数的差异，各种工况的差异等等，都要求热式质量流量计 “逐台”、“实流”标定和修正，这样才能确保安装到现场的表的精度。

3.空分厂气体流量计量方法改进

某公司空分厂在三年前试用了热式气体质量流量计，安装前流量计均检测合格。这些流量计主要用于对各生产车间及用气单位的气体计量，测量的气体主要是压缩空气和氮气，介质温度常温，表压 700 kPa，使用管径范围 DN40 ～ 300 mm，使用环境温度常温。

三年来通过跟踪这些流量计的使用状况，发现现场使用效果比较理想，到目前该公司空分厂已经累积投入运行了 36 台。下面对该公司使用热式流量计的效果进行评价。

( 1) 测量的量程比很大。如 DN50 的热式质量流量计，给污水处理厂内气动执行器供气，该流量计能够比较准确、灵敏地测量和响应。而原先采用进口的涡街流量计，并且缩颈到 DN25 测量，读数一直为零。

( 2) 稳定性和重复性高。只要直管段满足，流量计的示值波动幅度极小。每次流量计周检，本次检测数据与上次检测数据偏差很小。把使用超过一年的流量计拔出后捂住探头，表的示值为零不动。

( 3) 无须额外温度压力仪表，直接测量气体的质量流量。由于表内部已经做了温度和压力的补偿，即使将 700 kPa 的表压应用到 100 kPa 的工况中，测量的结果偏差依然很小。

( 4) 采用带球阀的安装方式，拔出仪表，只要关掉隔离球阀就不会影响生产，方便流量计的拆卸送检。

( 5) 对某些工艺特殊的管道，不允许停气，而且不能将铁渣等掉入管道。根据热式质量流量计特点，该公司设计了不停气开孔设备，应用效果良好。

4.结束语

热式气体质量流量计克服了空分厂传统气体流量计量的缺点，在某公司空分厂气体测量检测仪表中所占比重越来越大，取得了较好的计量效果。

热式气体质量流量计

◆专有流量数据模型算法；模糊理论控制温度、湿度算法；
◆高性能智能微处理器及模数、数模转换芯片；
◆宽量程比1000：1；大口径，低流速，压损可忽略；
◆直接测量质量流量，无须温压补偿；
◆低流速测量非常灵敏；
◆设计、选型方便，安装、使用简便；
◆适合各类单一或混合气体流量测量。

■公用工程---电﹑气﹑ 水处理的监控
管道的气体；通用系统；沼气；煤气；天然气；液化气；锅炉预热空气
■石油与天然气工业
能量交换；填井气回收； 燃气计量；气体质量分析；泄漏气测试；天然气测量；火炬气的监控
■电力行业
燃料系统中气体分配过程中的气体测量；锅炉及辅助系统中各种气体的测量；燃气炉中气体测量；氢气测量；电厂高炉的一次风、二次风的测量
■化学行业
烟气循环监测；采样系统中气体流量计量；引风机的气体流量计量；化肥厂氨气测量 ；电池工厂各种气体流量测量
■冶金行业
钢铁厂加气测量；炼铁厂高炉煤气的测量；焦化厂焦炉煤气的测量；轧钢厂加热炉燃气（高炉煤气、焦化煤气、天然气等）的测量控制；热处理淬火炉等的氢、氧、氮等气体的控制
■纸浆与造纸行业
废水处理系统中气体的测量；烟道流量监控；锅炉回收二次/三次空气；锅炉的燃气和空气送风测量
■食品及医药行业
加工操作中新鲜空气的加入；啤酒厂中的二氧化碳处理；瓶子消毒器中的热空气的流量；热氧化过程中气体流量测量；通风系统；锅炉进气﹑废气﹑过程控制
■环保
沼气利用过程中的气体测量；lv气处理过程中lv气气体测量；污水处理过程中曝气池的气体测量；烟筒烟道排气监测SO2和NOX的排量 
■其他行业
工厂压缩空气测量；煤粉燃烧过程粉/气配比控制燃料；水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制

工作原理：
■HWRSL系列流量计/流量开关是基于热扩散原理的流量仪表。即是利用流体流过发热物体时，发热物体的热量散失多少与流体的流量成一定的比例关系。具体来说，该流量计的传感器有两只标准级的RTD，一只用来做热源，一只用来测量流体温度，流体流过时，两者之间的温度差与流量的大小成非线性关系，该仪表就可以把这种关系转换为测量流量信号的线性输出。
■利用热扩散原理制造的流量计有两种设计方法：一是：基于恒温差原理；二是基于恒功率原理。基于共同的数据模型：P/△T=A+B（Q）N。其中：P---耗散功率，△T---两个传感器之间的温差， Q---质量流量，N---指数系数，A、B是与气体的热性能有关的系数。
■恒温差原理：△T保持不变，耗散功率P与流体的流量Q成指数函数递增的关系。
■恒功率原理：耗散功率不变，温度差△T与流体的流量Q成指数函数递减的关系。
产品特点：
• 采用稳定性*的技术铂RTD传感器
• 采用享有专有技术”平衡结构封装”,介质温度自补偿
• 专有算法,可实现高线性、高重复性、高精度
• 量程比宽1000:1,可据用户要求可拓展
• 可实现大管径小流量测量，zui小流量可测低至零,分辨率0.001m/s
• 无可动部件、振动影响可忽略
• 直管段要求不高1-2D
• 与介质的温度、压力无关
• 专有高温算法，介质温度可达+510℃，
• 采用高湿算法，实现高精度测量
• 对流量信号键入12点动态修正，内置10点修正
• 在线动态校正电流/电压输出
• 对粉尘等小颗粒不敏感
• 在线不断流装卸，维护方便

结构形式：

一体插入式 分体插入式

管道式

 性能指标：

• 测量范围：0—120Nm/s （20℃，101.33KPa）
• 准确度: ±1%的读数 ±0.5%满量程
• 量程比：通常100：1（取决于标定流量的范围）
• 管径范围: 10mm～6000mm
• 应用范围: 适合各类单一或混合气体。含尘、含沙、含湿气、各种腐蚀性气体
• 环境温度范围: -40℃～+85℃（无显示）; -30℃～+70℃（有显示）; 湿度小于90%RH
• 介质温度范围: -40℃～+100℃；-40℃～+200℃； -40℃～+450℃；-40℃～+510℃
• 传感器直径：ф3、ф2.5
• 插入式传感器探杆直径：ф19（标准）、ф16、ф12
• 传感器材质：316不锈钢、哈氏合金、钛
• 探杆材质（保护套）： 316不锈钢（标准）、哈氏合金
• 双向测量介质流量
• 模拟量输出：流量：4-20mADC, 温度：4-20mADC, zui大负载:1000Ω
• 累积脉冲量输出
• 键入12段非线性修正，内置10段非线性修正
• 通讯：串口输出RS232/RS485
• 供电电源：24VDC/600mA；220VAC/2W；110VAC/3W
• 报警：1－2路继电器输出、5A/220V、5A/30VDC、键入设定??
• 大屏幕LCD显示：七位瞬时流量，八位累积流量
• 过程压力:1.6Mpa（zui大20MPa）
• 安装工艺形式：插入式（卡套、卡套＋球阀、法兰连接），管道式（法兰、螺纹连接）
• 防爆等级：本安型（iaⅡCT5）、隔爆型（ExdⅡCT4）
• 防护等级：IP65

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