低壓方形通風管道流量計

插入式熱式氣體質量流量計在環保領域中的應用，從插入式熱式質量流量計的測量原理、流量計算、應用特點等方面來說明其在環保和空調行業中的可用性, 并著重介紹了熱式質量流量計如何選擇測量點和直管段, 以及在方形管道流量測量中的應用。

隨著環境保護意識的加強, 對生活、工業上廢水、廢氣排放的檢測和控制也越來越重視。對于廢液的監控, 可以采用電磁流量計;但是由于環保廢氣的多粉塵、混合組分及要求低壓損、防爆、防腐蝕的特點, 監控儀表相對難選。一般的流量儀表有壓損, 要求氣體介質相對純凈, 如果采用上等儀表, 價格偏高, 所以, 在精度要求不是很高的場合, 可以采用熱式氣體質量流量計。

2 插入式熱式流量計測量原理及流量計算
熱式質量流量計是利用傳熱原理, 即流動中的流體與熱源 (流體中加熱的物質或測量管外加熱體) 之間熱量交換關系來測量流量的儀表, 目前主要用于測量氣體。熱式流量儀表用得*多有兩類, 一是利用流動流體傳遞熱量改變測量管壁溫度分布的熱傳導分布效應的熱分布式流量計, 曾稱量熱式TMF;另外一類是利用熱消散 (冷卻) 效應的金氏定律TMF, 又由于結構上檢測元件伸入測量管內, 也稱插入型或侵入型。插入型的工作原理及流量計算如下:
如圖所示, 插入式熱式氣體質量流量計由兩個電阻溫度計組成傳感器, 一個測溫探頭, 感受流體溫度T2;另一個電阻溫度計由電路加熱到溫度T1, 用來測量流體帶走的熱量變化, 亦稱測速探頭。T1高于T2, 并保持ΔT恒定, 即ΔT=T1-T2。當流體流經傳感器時, 由于測速探頭的自身溫度T1高于測溫探頭感受的溫度即流體溫度T2, 流體便帶走了測速探頭上的一部分熱量 (高溫向低溫傳遞) , 使T1下降。電路為保持ΔT恒定, 便增加對測速探頭的加熱功率, 使ΔT=T1-T2恒定。流體帶走測速探頭上多少熱量, 電路便增加相應數量的電功率, 兩者之間存在著一個函數關系[1]。設對測速探頭的加熱功率為P, 流體的質量流量為Q, 則根據流體流過測速探頭時所帶走的熱量與對測速探頭的加熱功率相對應的原理, 得到下列關系式:

式 (1) 中,
因此, 可以通過測量加熱功率P, 來測量帶走這部分熱量的流體的質量流量。由于帶走著部分熱量的是流體的分子, 所以, 測速探頭直接測量的是流體的質量流速ρν, 此時, 只要乘上管道的橫截面積, 就可以得到流體的質量流量了。由于氣體流過探頭時帶走熱量和氣體的質量流量成比例關系, 也和探頭間溫差有關, 流量越大, 兩探頭之間溫差越小, 氣體質量流量與溫差之間的聯系通過質量流速ρν建立[1]。

式中:Qm—質量流量, kg/s;
Κv—測量頭儀表系數;
α—速度分布系數;
β—阻塞系數;
γ—干擾系數;
Α—儀表表體 (測量管道) 的內橫截面積, m2;
ρν—質量流速, kg/ (m2·S) 。
基于上述原理, 對于大管徑的流量測量來說, 雖無相應的大管徑標定裝置來對流量計進行標定, 但只要在標準口徑的標定裝置上測定相應的質量流速, 也就可方便地測量出大管徑中流體的質量流量了。

圖 插入式氣體質量流量計測量原理圖
由于兩個傳感器都是用性能穩定的金屬鉑材料通過特殊工藝密封在316L不銹鋼管或抗酸、堿腐蝕的K2760哈氏合金或鉑套管中制成, 因此極為堅固, 并不會污染被測流體或受被測流體污染, 且其抗腐蝕性能相當好。
3 熱式質量流量計的應用特點
當前TMF大部分用于測量氣體, 只有少量用于測量微小液體流量。熱式質量流量計具有性能可靠、無可動部件、安裝方便, 壓損小、量程比寬 (可達1000∶1) 、靈敏度高等特點[2], 特別適用于大管徑、低流速, 非圓截面管道、現場空間狹窄處測量等特殊工況, 在環境保護和過程工業的應用發展迅速, 例如:污水處理過程中發生的氣體, 燃料電池工廠各種氣體的流量測量及煤粉燃燒過程粉/氣配比控制等。
與常用的孔板、渦街和差壓式均速管、文丘里流量計相比較, 熱式氣體質量流量計有如下特點[2,3]:
(1) 直接測量流體的質量流量或標準狀態下的體積流量, 不需要進行溫度壓力補償;
(2) 一次元件結構簡單, 采用不銹鋼或特種合金外殼覆蓋, 不怕臟污或腐蝕, 不存在堵塞問題, 且表面臟污極易**。帶不斷流裝拆裝置, 可實現不停氣裝拆, 清洗維修, 簡便易行;
(3) 量程比特大, 可達1000∶1, 可測流速范圍0.1 m/s~60 m/s, *覆蓋一般工業廢氣及煤氣廠輸出總管中的流速范圍。因而只需在總管上裝一臺插入式熱式氣體質量流量計, 就可滿足計量要求。大大地節省了投資, 簡化了系統結構, 方便了管理, 提高了系統工作的可靠性;
(4) 儀表**度高 (±1.0%FS) , 性能穩定 (重復性±0.25%FS) , 幾無壓力損失, 對管道振動不敏感。
此外, 熱式氣體質量流量計靈敏度高, 尤其適合于大管徑、低流速的流量測量。且在大管徑中使用, 其性能價格比更顯優勢;防爆、防護、抗腐蝕設計, 又使它能適應惡劣工況, 危險場合。
熱式氣體質量流量計作為一種插入式流量計, 由上述插入式流量計的測量公式可見該流量計同樣方便適用于方形管道的氣體流量測量。環保管道一般用圓形, 而空調的管道很多地方為方形。孔板等很多儀表沒有測量方形管道的數據, 若使用插入式熱式氣體質量流量計, 不論圓形或是方形管道均可通過計算獲得, 這也解決了低壓方形通風管道的流量測量問題。
4 測點位置的選擇
正確選擇測點位置是減少測量誤差的重要條件, 測點位置選擇不當, 會增加流量計的測量誤差, 對于熱式氣體質量流量計, 按相關資料小結, 其測點位置的選擇應滿足如下要求:
(1) 盡可能保證測點前后直觀段的長度, 一般要求前≥20 D (D為被測管道內徑) , 后≥10 D。管道內的流場分布, 只與管道系統有關, 因此, 測點前后均應避開“擾動源”。
(2) 測點附近無“二次流”, 以避免擾亂流場, 測點附近應優良避免有“回流”情況, 如有, 可移位安裝或安裝“止回閥”。如安裝止回閥, 應確保測點后直管段長度≥10 D。
(3) 測點附近應避免被測氣體組分 (尤其是含水、含油、含塵量) 的起伏變化, 盡可能選擇具有“穩定流”的測量點。
(4) 測點附近被測氣體的流速應控制在<60 m/s的范圍內。10 m/s~30 m/s為經濟流速, 推薦使用。易燃易爆氣體應控制在安全流速范圍內。
5 測點前后直管段與測量精度
環保廢氣管道管徑大, 很多都無法保證直管段的要求, 那么, 測量精度會因為直管段的減小而降低。如儀表廠的樣本注明熱式質量流量計可達到±1%的精度, 直管段是前/后為20D/10D, 如果現場條件不允許, 無法選到滿足要求的測點時, 精度會降低。我們建議其工程處理可以采用在允許誤差范圍內適當減少直管段的方案, 參考標準孔板直管段減少與誤差增加的原則來估算。
熱式氣體質量流量計的直管段對誤差的影響沒有的數據, 而標準孔板、噴嘴、文丘里等有數據。根據中華人民共和國化工行業標準自控安裝圖冊HG/T 21581-2010的資料整理成表, 供大家參考。
環保工程目前因為難測量, 儀表價格貴, 很多地方沒有測量, 故我們認為適當增加誤差 (保證系統誤差在±1.5%~±2%之內) , 選用性價比高的熱式質量流量計還是可取的。

表 β (d/p) =0.5, 90℃彎頭時的直管段要求
注:x%為該流量檢測元件的原有誤差
當然我們希望有關方面能做一個測試數據, 以使用戶更放心, 亦可在很多行業推廣應用。
6 用戶訂貨時要注意的問題
如果熱式氣體質量流量計的有關樣本比較簡單, 用戶在選用時還要向制造廠了解清楚下列問題:
(1) 傳感器探頭的插入深度與氣體管道的管徑有關, 制造廠有什么建議長度 (注:一般大管道要插入到1/4管徑處, 即平均流速點;小管道要插入到管中心) 。
(2) 傳感器的探頭插入深度是否可調整, 用戶現場如何調整。
(3) 由于插入式氣體質量流量計探頭的保護套用材較少, 對強腐蝕介質可選用上等耐腐蝕金屬材料, 比起其它流量計價格升高較少, 以更好地發揮插入式氣體質量流量的應用優勢。