壓縮空氣流量測量

壓縮空氣是企事業(yè)單位重要的二次能源，大多由電能或熱能經(jīng)壓縮機轉(zhuǎn)化而來。當空氣 壓力值要求較低時，則由鼓風(fēng)機產(chǎn)生。

在化工等生產(chǎn)過程中，有一種重要的工藝過程——氧化反應(yīng)，它是以空氣作原料，和另 外某種原料在規(guī)定的條件下進行化學(xué)反應(yīng)。空氣質(zhì)量流量過大和過小，都會對安全生產(chǎn)、產(chǎn) 品質(zhì)量和貴重原料的消耗產(chǎn)生關(guān)鍵影響。在這種情況下，空氣流量測量度要求特別高， 多半還配有自動調(diào)節(jié)。

鍋爐和各種工業(yè)爐窯中的燃燒過程，其本質(zhì)也是氧化反應(yīng)，對助燃空氣流量的測量，雖然準確度要求不像化工生產(chǎn)中的氧化反應(yīng)那樣高，但對環(huán)境保護和經(jīng)濟燃燒、節(jié)約燃料也有重要意義。

(1)壓縮空氣流量測量的特點

①振動大。安裝在壓縮廠房和鼓風(fēng)機房的空氣流量計都得考慮振動問題。這種振動主 要來自壓縮機和鼓風(fēng)機，機器的振動通過空氣管道或風(fēng)管可以傳到很遠的地方。其中振動zui 大的要數(shù)往復(fù)式壓縮機，大型往復(fù)式壓縮機運行時產(chǎn)生的振動往往帶動廠房和周圍地面一起 振動，對相關(guān)空氣流量計的準確而可靠的運行帶來威脅。它引發(fā)杠桿式差壓變送器支點移動 而使儀表產(chǎn)生示值漂移。振動導(dǎo)致渦街流量傳感器產(chǎn)生同振動頻率相對應(yīng)的干擾信號，引起 流量示值大幅度偏高。

②氣體帶水。壓縮空氣取自大氣，而大氣中總是含有一定數(shù)量的水蒸氣。水蒸氣的含 量用水蒸氣分壓A表示。大氣中的水蒸氣飽和分壓是大氣溫度的函數(shù)（見表3. 5)。在雨天 和霧天，室外大氣中的水蒸氣分壓達到飽和程度，即相對濕度達到100%，這時將大氣壓縮 就如同壓迫吸足水的海綿，隨著體積的縮小，就有相應(yīng)數(shù)量的水析出。這是壓縮空氣所以帶 水的簡單原理。在晴好的天氣，大氣相對濕度較低，但隨著其被壓縮，體積縮小到原來的幾 分之一后，水蒸氣分壓會相應(yīng)升高，也有可能進人飽和狀態(tài)而析出水滴。

用來測量壓縮空氣流量的較大口徑孔板流量計，孔板前常有積水，要影響測量準確度。 引壓管線中常有一段水，導(dǎo)致差壓變送器測到的差壓同節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓不一致。這些 都是空氣帶水引起誤差的常見原因。除此之外，由于城區(qū)大氣中氮氧化物含量較高，使得壓 縮空氣所含水滴呈酸性，引起環(huán)室表面腐蝕、管道內(nèi)壁腐蝕，使其表面變得粗糙。腐蝕產(chǎn)生 的氧化鐵在一定條件下變干燥時，很容易從管內(nèi)壁脫落而被氣流帶到孔板前，這也會對流量 示值產(chǎn)生影響。所以在停車檢修時，應(yīng)將這些粉狀和塊狀的垃圾予以清除。

③脈動流。壓縮機和鼓風(fēng)機出口流體多數(shù)包含一定的脈動。例如往復(fù)式壓縮機，表現(xiàn) 為半波脈動，如圖3. 14所示。在現(xiàn)場可觀察到壓縮機和鼓風(fēng)機的出口壓力有明顯擺動。其 中正（定）排量鼓風(fēng)機出口脈動頻率較高，一般有幾十赫茲，而往復(fù)式壓縮機出口脈動頻率 較低，一般為幾赫茲。流動脈動引起差壓式流量計、渦街流量計等多種流量計示值偏高，.引 起浮子式流量計中的浮子上下跳動。消除和減弱流動脈動對流量計示值影響的常用方法有兩 個：一是在壓縮機出口設(shè)置一只緩沖罐濾除脈動，而將流量計安裝在緩沖器后面，實際上往 復(fù)式壓縮機的系統(tǒng)都是這樣設(shè)計的；二是將流量計安裝在遠離脈動源的地方，這樣可利用工 藝管道的氣容同其管阻構(gòu)成低通濾波器衰減脈動。

(2)儀表選型能夠用來測量空氣流量的儀表有多種，但是在現(xiàn)場實際使用的空氣流量 計，按其原理分，種類并不多。zui主要的有玻璃浮子流量計、節(jié)流式差壓流量計、渦街流量計和均速管流量計等。

①浮子流量計。浮子流量計在中型和小型實驗裝置上使用很廣泛，這是因為浮子式流 量計簡單、直觀、價格低廉，適合作一般指示。浮子流量計有玻璃錐管型和金屬錐管型兩大 類，玻璃錐管型的不足之處是耐壓不高和玻璃錐管易碎，另外，流體溫度壓力對示值影響 大。一般可根據(jù)流體實際溫度和壓力按式（3. 31)進行人工換算。式中由于引入化，.在被測 氣體不為空氣時，也可利用該公式進行換算。

式中qv——實際體積流量，m3/h; 

     qvf——儀表示值，m3/h;

      pn——被測氣體在標準狀態(tài)下的密度，kg/m3;

    pan——空氣在標準狀態(tài)下的密度，kg/m3;

Tn、Pn——氣體在標準狀態(tài)下的溫度、壓力；

Tf、Pf——氣體在工作狀態(tài)下的溫度、壓力。

②節(jié)流式差壓流量計。節(jié)流式差壓流量計在空氣流量測量中有著悠久的歷史。節(jié)流式 差壓流量計盡管有范圍度窄、安裝維護麻煩以及壓力損失大等重大缺點，但在振動較明顯的 壓縮機房、鼓風(fēng)機房，它仍然是可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的儀表。

用節(jié)流式差壓流量計測量空氣流量zui重要的是要處理好節(jié)流件前積水、變送器高低壓室 內(nèi)積水以及引壓管線中積水問題。

a. 節(jié)流件前積水問題。解決節(jié)流件前積水zui簡單的方法是在節(jié)流件的下部開疏液孔。 但是空氣管道不像蒸汽管道那樣清潔。在蒸汽管道中因為與管道內(nèi)壁接觸的是水蒸氣，而水 蒸氣在發(fā)生過程中一般都經(jīng)過除氧工序，因此蒸汽中基本不含氧，經(jīng)長期使用的蒸汽管，其 內(nèi)壁可能僅沉積微量的灰色粉末，除此之外不會有鐵銹。而空氣管道內(nèi)則全然不同，灰塵和 氧化鐵難以避免，有時疏液孔被堵死。在停車檢修時拆下節(jié)流裝置，發(fā)現(xiàn)節(jié)流件正端平面上 有積水的痕跡，就是證據(jù)。

*消除節(jié)流件前積水的方法是將節(jié)流裝置安裝在垂直工藝管上，或改用圓缺孔板或偏心孔板。其中，偏心孔板不確定度較小，優(yōu)于圓缺孔板。

b. 差壓變送器高低壓室內(nèi)積水問題。圖3. 15U)所示是典型的節(jié)流式差壓流量計信號 管路安裝圖，在被測流體為濕氣體時，冷凝液理應(yīng)不會進入差壓變送器高低壓室，但從現(xiàn)場 反饋信息來看，實際情況是有時還會有微量水滴進入高低壓室。變送器差壓范圍較低時，此 微量水滴會引起儀表零點的明顯漂移。有些差壓變送器設(shè)計有兩個排放口，打開下排放口就 可將凝液順利排出。但是早期變送器只有中部的一只排放口，打開此口無法將高低壓室內(nèi)的凝液排凈，zui后只得將變送器拆下，將凝液從信號輸入口中傾倒出來。

高低壓室內(nèi)積液的現(xiàn)象，經(jīng)進一步分析，應(yīng)該是變送器上方的一段管路由于環(huán)境溫度變 化將信號管中的水蒸氣冷凝而沿著信號管往下流入高低壓室。

防止冷凝液流人高低壓室zui簡單易行的方法是消除變送器上方的一段信號管路，將信號 管路從下方引人變送器，如圖3. 15(b)所示，這樣，即使高低壓室內(nèi)有微量冷凝液，也能 依靠其自身重力沿著管路自動流回母管或沉降器。實踐證明，這一方法是有效的。

c.引壓管路內(nèi)積水問題。在測量濕氣體時，雖然安裝信號管路已按照規(guī)程的要求保持 坡度，可以避免冷凝液在信號管路內(nèi)聚集，但在某些情況下，積水現(xiàn)象仍難以避免，其原因如下所述。

圖3. 16是環(huán)室取壓節(jié)流裝置安裝在垂直工藝管道上時信號管路的規(guī)定安裝方法。假定 工藝管道中氣體自下而上流動，那么負壓信號管路中可以保證沒有凝液，因為信號管路內(nèi)的 凝液能暢通無阻地流回工藝管道，而正壓信號管情況就不同了。因為正壓信號是從均壓環(huán)引出的，被測濕氣體中的凝液充滿節(jié)流裝置的正端均壓環(huán)空腔是毫無問題的（如圖3. 17所 示），在正壓管內(nèi)氣體壓力同節(jié)流件正壓端*相等時，U形管兩邊液位高度相等。在此基 礎(chǔ)上，如果節(jié)流件正端壓力上升，則將均壓環(huán)空腔中的水壓向信號管路，按照體力學(xué)關(guān)系 式可知，正壓管內(nèi)的壓力比節(jié)流件正端壓力低一些，其數(shù)值同U形管兩邊液位高度差相等， 從而引起差壓信號的傳遞失真。

清除信號管內(nèi)積水的臨時方法是掃線，依靠工藝管中的壓力足夠高的氣體將積水沖走排到管外。但不久又依然如此。

*清除上面所述管路內(nèi)積水的方法是將節(jié)流裝置取壓方法改為法蘭lin (lin = 0. 0254m)取壓或I>D/2徑距取壓。

圖3. 18所示的信號管路連接方法也是有關(guān)資料中推薦的用于濕氣 體流量測量的典型連接方法。但是在大管徑孔板流量計中，也存在一 些問題。尤其是在雨天、霧天和大氣濕度高的季節(jié)，空氣中夾帶的水 較多，水滴自下而上撞擊在節(jié)流件上，其中一部分進人均壓環(huán)的空腔， 進而流入沉降器，于是沉降器很容易被裝滿。現(xiàn)場巡回檢查時，每天 都可以排出很多水，如果遇上假日無人排污，就極有可能水滿為患。

③渦街流量計。在無振動或無明顯振動的場所，用渦街流量計測 量空氣流量，顯著的優(yōu)勢是壓損小、度較高、范圍度較寬、維修 工作量小。壓電式渦街流量計能耐受0.2_g•的振動。在常壓條件下，可 測流速下限為6m/s。電容式渦街流量計，能耐受（0. 5?l)g•振動，在 常壓條件下，可測流速下限為4m/s。因此在振動大的場所兩種渦街流 量計都不適用。近幾年來，一些公司在渦街流量計制造中引人了數(shù)字 信號處理（DSP)技術(shù)，使儀表的抗振動性能有了大幅度提高，可測 流速下限也有了顯著改善。但應(yīng)用中仍需注意現(xiàn)場的振動問題。

與蒸汽流量測量一樣，受渦街流量計zui大口徑、zui大工作壓力和 zui高工作溫度的制約，當口徑大于400mm或流體壓力高于4MPa (有的公司產(chǎn)品為6. 4MPa)或流體溫度咼于420UC時，只能改用具他突型流重TT。

④差壓式均速管流量計。均速管流量計對大口徑空氣流量測量具有其*的優(yōu)勢，價 格便宜、簡單可靠、安裝維修方便是其顯著的優(yōu)點，是渦街流量計和節(jié)流式差壓流量計的補 充。其檢測桿選擇、阻塞系數(shù)計算等將在3. 5節(jié)中討論。

(3)濕空氣干部分流量測量問題

濕空氣干部分流量測量的必要性。在化工生產(chǎn)的氧化反應(yīng)過程中，一般是將空氣送 人反應(yīng)器，而真正參與反應(yīng)的僅僅是空氣中的氧。由于空氣中的氮和氧保持恒定比例，所以 測量得到進人反應(yīng)器的氮氧混合物流量，也就可以計算出氧的流量。但是壓縮機和鼓風(fēng)機從 大氣中吸人的空氣除了氮氧成分之外（微量成分忽略不計），總是包含一定數(shù)量的水蒸氣， 而且水蒸氣的飽和含量是隨著其溫度的變化而變化的。為了將氧化反應(yīng)控制在理想狀態(tài)，須 對進人反應(yīng)器的氮氧混合氣流量進行測量，也即將進入反應(yīng)器的空氣中的水蒸氣予以扣 除，得到濕空氣的干部分流量。這是濕氣體中需要測量干部分流量的一個典型例子。