Aplication of Thermal Gas Mass Flowmeter in Gas Electrical machine. 劉慶海 李賀 （勝利石油管理局動(dòng)力機(jī)械廠內(nèi)燃機(jī)研究所，257032） 平之 　　 （達(dá)誠(chéng)盛業(yè)（北京）科技有限公司100085） 摘要：本文介紹了熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)與幾款流量計(jì)的性能對(duì)比，并著重介紹了它在沼氣發(fā)電機(jī)組的具體應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì) 計(jì)量 修正公式 Abstract: The article introduce performance balance with thermal gas mass flowmeter and several flowmeter.also emphasizing introduce practical application in miasma electrical machine. Key words: Thermal gas mass folowmeter Measure Modificatory formula 1、 引言 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增大，尤其是在夏季電力短缺的現(xiàn)象就更日益突出。為了緩解電力短缺的問題，很多企業(yè)都想出了很多方法，一方面節(jié)約用電，另一方面，有能力的廠家自己發(fā)電解決用電緊張問題。例如污水處理行業(yè)，他們利用在污水處理中產(chǎn)生的沼氣發(fā)電，目前沼氣發(fā)電技術(shù)是在國(guó)際上也僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握，國(guó)內(nèi)氣體發(fā)電機(jī)組廠家僅有我廠的發(fā)電機(jī)組在高碑店污水處理廠得到了很好的應(yīng)用，高碑店污水廠利用沼氣發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng)，利用余熱回收裝置用于加熱消化污泥使廠的能源消耗達(dá)到了很好的性價(jià)比。機(jī)組自今年3月30日正式使用至今，已累計(jì)連續(xù)運(yùn)行3000余小時(shí)，每天平均發(fā)電1萬kW·h，累計(jì)發(fā)電量約為120萬kW·h，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)關(guān)注的是效益，關(guān)注的是1m3氣到底能發(fā)出幾度電呢？傳統(tǒng)的計(jì)量的方法有采用渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等，效果都不甚理想?，F(xiàn)在我們采用DCSY公司的QFM200熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，它的成功運(yùn)用，使長(zhǎng)期困饒我們?cè)谟?jì)量問題上（理論設(shè)計(jì)與實(shí)際消耗相差太大）的難題得到了解決，由于它量程比寬可達(dá)1000：1，這樣我們不同功率的機(jī)組可選用同一中規(guī)格的產(chǎn)品就可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量?，F(xiàn)就熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)、原理、使用及與其他各款流量計(jì)的性能作一比較。 2、 熱式質(zhì)量流量計(jì)與渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等比較 2．1渦街流量計(jì)（氣體） ▲ 渦街流量計(jì)特點(diǎn)：沒有可移動(dòng)部件、計(jì)量精度高、壓力損失小 檢測(cè)元件不與被測(cè)流體接觸、輸出信號(hào)與流體的溫度、壓力、密度、成分、粘度等參數(shù)無關(guān)。 ▲ 渦街流量計(jì)原理：它是應(yīng)用流體力學(xué)中的卡曼渦街原理來測(cè)量流體流量的。把一個(gè)旋渦發(fā)生體（圓柱體、三角柱等非流線型對(duì)稱體）垂直插在管道中，當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)在旋渦發(fā)生體后方左右兩側(cè)交替產(chǎn)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(xiàn)，旋轉(zhuǎn)方向相反。旋渦的頻率f（Hz）與流體的平均流速v（m/s）及旋渦發(fā)生體的寬度（m）有如下關(guān)系： f=St＊v/d （St為斯特勞哈爾系數(shù)，與旋渦發(fā)生體寬度d和流體雷諾數(shù)有關(guān)） ▲ 渦街流量計(jì)的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝也比較方便，它分插入式和管道式兩種。在安裝時(shí)應(yīng)注意流體的流動(dòng)方向應(yīng)同流量計(jì)指示的方向相同。 ▲ 渦街流量計(jì)的缺點(diǎn)：量程比?。?5：1）；受震動(dòng)影響大；管道的大小與價(jià)格呈正比；需要溫度壓力補(bǔ)償方可計(jì)量；小量程段不靈敏，不穩(wěn)定，幾乎不可測(cè)量。 2．2、超聲波流量計(jì)（氣體） ▲超聲波流量計(jì)特點(diǎn)：沒有壓力損失；安裝簡(jiǎn)單；與流體的溫度、壓力、粘度等本身性質(zhì)無關(guān)；無可動(dòng)部件；可測(cè)量臟污、腐蝕氣體及多組分氣體。 ▲超聲波流量計(jì)原理：在管道中測(cè)量測(cè)量順流和逆流方向超聲波的傳播時(shí)間，再經(jīng)過計(jì)算得出流體的流速。流體的流量則可以通過介質(zhì)流速、管徑，以及用雷諾數(shù)對(duì)流體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的校正后得到。 具體來說：在管道中以“Z”型裝一對(duì)超聲波傳感器，兩個(gè)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(gè)傳感器之間的順流和逆流傳播時(shí)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(zhì)變化的函數(shù)，單位：m/s。V為氣體介質(zhì)流速，單位m/s。θ為聲波行程與管道軸線之間的夾角。 ▲超聲波流量計(jì)的使用也比較方便。在管道表面以“Z”型安裝，應(yīng)注意應(yīng)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(jì)的缺點(diǎn)：量程比?。?5：1）；維護(hù)相對(duì)麻煩；氣體精度高的價(jià)格高；計(jì)量需要溫度、壓力補(bǔ)償； 2．3 轉(zhuǎn)子流量計(jì)（氣體） ▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：就地顯示，無須電源；價(jià)格相對(duì)便宜； 它有兩種材質(zhì)，通常用的玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬管質(zhì)量流量計(jì)。就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示皆可，接口有HART、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)、PROFIBUS等形式。 ▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的原理：轉(zhuǎn)子流量計(jì)也是一種速度式流量計(jì)。它有兩部分組成，一個(gè)是上大下小的錐形管，另一是放在錐形管中的轉(zhuǎn)子（也稱浮子）。利用流體通過轉(zhuǎn)子與錐形管壁之間的空隙（節(jié)流面積）時(shí)產(chǎn)生的差壓△P來平衡轉(zhuǎn)子的重量。工作時(shí)，被測(cè)流體由錐形管的下端流入，從上端流出。流體對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向上托力的大小F總是等于轉(zhuǎn)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—轉(zhuǎn)子的體積；A—轉(zhuǎn)子的最大截面積；g—當(dāng)?shù)氐闹丶铀俣?；ρt-ρf分別為轉(zhuǎn)子材質(zhì)和被測(cè)流體的密度；△P為轉(zhuǎn)子垂直方向上下流體的壓差。有式（1）可知，在整個(gè)工作過程中，壓差保持不變。在流量增加時(shí)，當(dāng)然通過節(jié)流面積的流速也增加，只有增大節(jié)流面積，減低流速，以維持壓差△P不變。故根據(jù)轉(zhuǎn)子的平衡位置的高低就能讀出流量的大小。可用式（2）表示 Q=k＊h（2△P/ρf）1/2 （2） 式中k—為儀表常數(shù)；h—為轉(zhuǎn)子浮起的高度。將式（1）代入可得 Q= k＊h（2gV（ρt-ρf）/（ρf＊A））1/2 ▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的使用比較方便，安裝時(shí)擰緊相應(yīng)的螺栓就可以了，但應(yīng)注意流體的流動(dòng)的方向一定垂直向上。 ▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的缺點(diǎn)：量程比小10：1；壓力損失相對(duì)大；污物易堵塞；安裝維護(hù)相對(duì)復(fù)雜；受震動(dòng)影響大；需要溫度、壓力補(bǔ)償?shù)?；管徑大小與價(jià)格呈正比，一般在DN200以下。 2．4、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì) ▲熱式質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)：量程比寬可達(dá)1000：1；小量程段靈敏；不受溫度、壓力影響，直接測(cè)量氣體的質(zhì)量；壓力損失可忽略；可實(shí)現(xiàn)大口徑小流量高精度測(cè)量；價(jià)格與管道的大小相差不大；高精度可達(dá)1%；溫度范圍寬可達(dá)-70℃～450℃；對(duì)粉塵、顆粒物不敏感。 ▲熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理：它是基于熱擴(kuò)散原理的流量計(jì)。通俗的說，放在流體中的熱源，在流體經(jīng)過它時(shí)，熱源本身的熱量將會(huì)損失，流體的質(zhì)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(yīng)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(duì)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱熱式流量計(jì)）實(shí)現(xiàn)來說，就是：熱式流量計(jì)的探頭有兩個(gè)探針，其中一只是參考點(diǎn)，用來測(cè)量流體的溫度；另一只是加熱源，用來充當(dāng)熱源。根據(jù)前述我們可有下式（3） P/△T=A+B＊（Q）m （3） 式中P—為電子模塊為加熱源提供的功率；△T—為加熱源與參考點(diǎn)之間的溫差；A、B、—為與流體本身性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；m—為與流體本身性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)系數(shù)；Q—為流體的質(zhì)量流量。從式（3）我們可以看出，實(shí)現(xiàn)流量測(cè)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(cè)量，恒溫差法特點(diǎn)：小量程段特靈敏，反應(yīng)速度也快，目前市場(chǎng)上流通的產(chǎn)品皆是采用此法。 ▲熱式質(zhì)量流量計(jì)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(hù)、操作極為簡(jiǎn)單，安裝時(shí)應(yīng)注意流體方向應(yīng)同熱式流量計(jì)指示的方向相同。 ▲熱式質(zhì)量流量計(jì)的缺點(diǎn)：不適宜安裝在粘度大的環(huán)境中安裝；不適宜安裝在水珠含量在40%以上的場(chǎng)所。 3、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在氣體發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用 整個(gè)系統(tǒng)是按照上圖安裝設(shè)計(jì)的，發(fā)電機(jī)組對(duì)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2KPa，溫度常溫，沼氣脫硫后的成分比： H2S 0.653% CO2 33.7% CH4 62.3% O2 0.47%H2 0.063% N2 1.46% 由于成分復(fù)雜，氣源壓力不大，以前采用傳統(tǒng)的流量計(jì)都達(dá)不到我們?cè)O(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)過我們對(duì)傳統(tǒng)流量計(jì)的性能研究后得出的結(jié)論：在測(cè)量組分復(fù)雜，壓力不大的工況條件，傳統(tǒng)的流量計(jì)由于本身的局限性，已無法測(cè)量。因而，經(jīng)過我們調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)完全符合我們的工況條件應(yīng)用。我們采用DCSY公司的QFM200 插入式，流速范圍：0.05～120m/s。在安裝時(shí)在DN150管道上鉆一個(gè)￠20的口，然后焊上一個(gè)M27X1.5的內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，可以直接接入計(jì)算機(jī)的采集卡，依靠專用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的綜合管理，使我們的能源損耗和電能產(chǎn)出有了一個(gè)準(zhǔn)確計(jì)算依據(jù)。 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)： 儀表為QFM200熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，燃?xì)鈮毫?kPa，環(huán)境溫度為33℃，空氣相對(duì)濕度50%。燃?xì)夤軓溅?50。 流量計(jì)測(cè)量值為燃?xì)饬魉賁（m/s），流量值為計(jì)算值。 計(jì)算公式為：Q＝ S×πR2×3600,R為管徑0.075m。 流量計(jì)所測(cè)量的流速值是按空氣成分進(jìn)行標(biāo)定的，當(dāng)氣體成份發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正。沼氣組分如下： 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為修正系數(shù)，F(xiàn)n為各組分的系數(shù)，Vn為百分比。 各組分系數(shù)如下： H2S CO2 CH4 O2 H2 N2 系數(shù) 0.933 0.795 0.823 0.946 1.019 0.946 經(jīng)以上公式計(jì)算可知：修正系數(shù)為0.827。 從以上計(jì)算可以看出：機(jī)組在450kW時(shí)氣耗率為1.97kW/m3。 4、結(jié)論 通過我們?cè)诟弑晡鬯幚韽S的實(shí)際應(yīng)用的情況看，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在氣體測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)特別明顯，尤其是在壓力小、氣體成分復(fù)雜的情況下。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)同其他流量計(jì)相比有著壓力損失小、量程比寬、小量程段靈敏等優(yōu)點(diǎn)，更利于節(jié)約能源。它的成功應(yīng)用，為今后氣體發(fā)電機(jī)組提供了精確計(jì)量的設(shè)備。 參考文獻(xiàn) 1、《流量計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)》流量網(wǎng) 2、《熱式流量計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)》工控網(wǎng) 3、QFM200系列氣體質(zhì)量流量計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)————達(dá)誠(chéng)盛業(yè)（北京）科技有限公司 　　 本公司另主要生產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品：量程比200：1的渦街流量計(jì)、金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波水表、超聲波液位計(jì)、超聲明渠流量計(jì)、無源隔離模塊、有源隔離模塊、有源配電模塊、智能帶顯示隔離模塊、智能溫度模塊、特小型智能壓力開關(guān)等。 誠(chéng)征代理商 聯(lián)系電話：010-81891705 scqin2006@163.com