煤气流量的测量
在煤气生产、输送和分配各个环节有大量的煤气表，有的用于一般监视，有的用于贸易结算，其中用于贸易结算的计量系统，国家标准GB 17167规定了其精确度要求。
(1)煤气流量测最的特点
a.流体静压低、流速低，允许压报小，一般不允许用缩小管径的方法提高流速。
b.流体湿度高，有的测量对象还带少量水。在管道底部作分层流动。
c.有的测量对象氢含蟹高，流体密度小，用涡街流量计测量时，信号较弱。
d.煤气发生炉、焦炉等产出的煤气一般带焦油之类粘稠物，有的还带一定数量尘埃。
e.测量点位于压气机出口时，存在一定的流动脉动。
f.流体属易燃易爆介质，仪表有防爆要求。
g.从小到大各种管径都有。
h.最小流量与最大流量差异悬殊。
i.用于贸易结算的系统，计量精确度要求高；作为一般监视和过程控制的系统，精确度要求则低一些。
(2)国家标准规定的主要内容 2000年国家质量技术监督局发布了GB/T 18215.1《城镇人工煤气主要管道流量测量》第一部分采用标准孔板节流装置的方法，对煤气流量测量中的有关技术问题做了规定，其中：
①对流体的要求：“应是均匀的和单相(或可以认为是单相)的流体”。
②煤气在净化过程中都经过洗涤，因此一般水分含量都呈饱和状态，相对湿度100%。
③用于贸易结算的测最系统准确度一般应优于2.5级。基本误差限以示位的百分比表示。
④煤气流量定义为湿气体中的干部分。
⑤测量结果以体积流量表示，并换算到标准状态。标准状态的定义除了一般取101.325kPa、20℃之外，还兼顾煤气行业的传统，也可取供需双方协商的其他温压和湿度。
⑥节流装置采用多管并联形式。
⑦在存在流动脉动的情况下，对测量平均流量提出了以下措施。
a.在管线上采用衰减措施，安装滤波器(由容器及管阻组成)。
b.仪表检测件尽量远离脉动源。
c.采用尽最大的β和Δp，在测量处减小管道直径。
d.管线、仪表支架安装牢固。
e.两根差压引压管阻力对称。
(3)仪表的类型与使用 可以用来测量气体的流量计有很多种，但测量煤气流量的理想仪表却几乎找不到，这主要是由煤气的特点所决定的。由于有焦油等黏稠物存在，旋转型的流量计使用困难。由于密度小、流速低、涡街流量计使用困难。由于富含水气以及气体组分有变化，热式流量计也不理想。最后还是已经使用几十年的差压式流量计唱主角。
①孔板差压流量计
a.可换孔板节流装置。国标GB/T 18215-2000规定的是标准孔板。如果测量点流体较脏，需采用可换孔板节流装置。这样在不停气的条件下，可对节流件进行清洗、检修、更换。可换孔板节流装置典型结构如图3.20所示。
b.圆缺孔板。圆缺孔板是专为脏污流体流量测量而设计的特殊孔板。其开孔是一个圆的一部分(圆缺部分)，这个圆的直径为管道内径的98%。开孔的圆弧部分应精确定位，使其与管道同心，如图3.21所示。
当被测介质为湿气体而且管道水平布置时，管道底部有可能存在微量分层流动的液体，这时选用圆缺孔板能使液体从下半部的圆缺部分顺利通过节流件，而不会像标准孔板那祥将液体阻挡在节流件前，以致积液，影响测量精确度。同样道理，当被测气体中含有粉尘时，由于粉尘密度比气体大得多，其中有些颗粒容易贴近管道底部被气流带走，选用圆缺孔板，颗粒也能顺利通过节流件，而不会像标准孔板那样颗粒在节流件前堆积。
在冶金行业，煤气流量测量对象较多，而且因为煤气含粉尘和水滴的情况也很普遍，所以圆缺孔板使用得十分普遍。
c.多管并联形式。多管(两管、三管或四管)并联形式的作用有三个，其一是扩大测量系统的范围度。由于管道中煤气流速一般都很低，因此，一台孔板流量计的范围度能达到3：1，那么，用一台大口径孔板与一台小口径孔板相配合，就能将范围度扩大为10：1。其二是实现在总管不停气的情况下拆洗节流装置，从而避开价格昂贵的可换孔板节流装置。当然，节流装置上下游必须装切断阀。其三是解决DN>1000管道的流量测量问题。例如用4副DN1000的节流装置并联使用，解决DN2000总管的流量测量。多管并联形式的缺点是设备数量和投资成倍增加。
d.煤气管排水和防冻。水平敷设的煤气管道，有时发现管道底部有水流动，必须在节流装置前装排水设施.简单又可靠的方法是利用水封实现自动排水，如图3.22所示。图中的液位差与压力有如下关系。
在寒冷季节，排水设施内甚至地上敷设的煤气管道的水都有可能会结冰，为防冻害，应采取防冻措施。
②均速管差压流量计。标准孔板差压流量计在煤气流量测量中有极为重要的地位，有悠久的使用历史。由于这一方法有丰富的实验数据，设计加工已经标准化，只要按标准进行设计、加工、安装、检验和使用，无需进行实流标定，就能达到规定的准确度，因而非常方便，并获得广泛应用。但是在管径较大时，一套可换孔板式节流装置价格相当可观，所以如果测量数据仅用于过程监测，精确度要求也不高，那么就可选用均速管差压流量计。
均速管差压式流量计在气体流量测量中应用成败的关键是引压管不要被水滴堵住。由于定型的均速管产品所带的切断阀多半为针型阀，通径较小而流体中的水气经冷凝变成水滴，如果针型阀处理得不好或引压管坡度欠合理，此液滴极易将通路封死。
差压式均速管输出的差压信号一般都很小。当流体为常温常压的空气时，如果流速为10m/s，只能达到62.5Pa的差压
[15]。这样，一滴水滴将差压传送通道封住，就足以将此差压全部抵消掉。有的制造商将正负压切断阀改为通径较大的直通闸阀，为保证仪表的可靠使用创造了条件。均速管典型安装位置以及同差压计的连接如图3.23所示。
(4)用差压式流量计测量湿煤气干部分所用的公式
式(3. 1)和图3.1所示的方法同样适用于煤气流量的测量。只是由于流体的性质不同，基本公式中ρ
1的求法不同。由于测量任务的不同，要从基本公式中的质量流量q
m进一步计算湿煤气的干部分流量还必须补充其他公式
[17]。
表3.6 
饱和水蒸气的压力和密度表[19]
|
t/℃ |
p(据对压力)/Pa |
ρ/(Kg/m3) |
|
0 |
611 |
0.004847 |
|
2 |
706 |
0.005558 |
|
4 |
813 |
0.006358 |
|
6 |
935 |
0.007258 |
|
8 |
1073 |
0.008267 |
|
10 |
1228 |
0.009396 |
|
12 |
1403 |
0.01066 |
|
14 |
1599 |
0.01206 |
|
16 |
1818 |
0.01363 |
|
18 |
2064 |
0.01536 |
|
20 |
2339 |
0.01729 |
|
22 |
2644 |
0.01942 |
|
24 |
2985 |
0.02177 |
|
26 |
3363 |
0.02437 |
|
28 |
3782 |
0.02723 |
|
30 |
4245 |
0.03037 |
|
32 |
4758 |
0.03382 |
|
34 |
5323 |
0.03759 |
|
36 |
5945 |
0.04172 |
|
38 |
6630 |
0.04624 |
|
40 |
7381 |
0.05116 |
|
42 |
8198.1 |
0.05652 |
|
44 |
9099.6 |
0.06236 |
|
46 |
1008.6 |
0.06869 |
|
48 |
11161.9 |
0.07551 |
|
50 |
12334.8 |
0.08302 |
|
52 |
13612.6 |
0.09108 |
|
54 |
15002.2 |
0.09979 |
|
56 |
16510 |
0.1044 |
|
58 |
18147.2 |
0.1142 |
|
60 |
19920.2 |
0.1247 |
(5)孔板设计计算举例(节流件为标准孔板)。
(6)管道内壁积灰及其对测量的影响
①积灰普迫存在
a.上海某钢厂采用孔板流量计测量煤气发生炉出口煤气流量，由于煤气中粉尘含里较高，数年后，管道内壁生成一层沉积物，结垢如同沥青路面，质地坚韧、不易清理，是煤气中的煤焦油和粉尘在管道内壁日积月累形成的。
b.上海的另一家钢厂用差压式流量计测量煤气流量，由于担心孔板积灰后影响测量精确度，所以节流装置选用文丘里管，使用半年多后，发现流量示值逐渐偏高，于是在停车检修时对文丘里管拆开检查，发现文丘里管内壁积了一层含灰尘的焦油，就连流速最高的喉部也未幸免。但每年一次停车检修时，用溶液清洗干净后仍可继续使用。
c.重庆钢铁集团公司采用圆缺孔板侧量高炉煤气流量，在使用数年将节流装置拆下清洗时发现，孔板圆缺部分高度的1/8~1/6被堆积物占据
[18]。
d.徐州某化工厂用均速管差压流量计测量煤气发生炉出口管(DN700 )流量。使用一段时间后，发现流量示值逐渐升高，比物料平衡计算结果高百分之几。经检查发现，管道内壁结了一层厚度不等的沥青砂，水平管道下部内壁结得较厚，约30mm厚，管道上部内壁结得较薄，约10mm厚。
②处理方法之一。清除沉积物或更新管道能将沉积在流量计前后一定长度的管段内的沉积物和节流件表面的沉积物清除掉而又不损坏仪表，当然能恢复仪表的应有测量精确度。但是沉积物往往既硬又韧，不易清理，因此，如果有停车机会可将节流件前30D、节流件后15D的管道局部更新，当然是个好办法。
③处理方法之二。对沉积物引入的误差进行修正。
a.标准孔板差压式流量计。煤气中的焦油和粉尘在标准孔板表面及什道内壁的沉积可分两种情况。第一种情况是煤气中粉尘经彻底洗涤过滤的测量对象，孔板端面和管道内壁只薄薄地结了一层焦油。第二种情况是煤气中含有较多粉尘的测量对象，管道内壁结了一层厚度达数厘米的“沥青砂”。
对于前一种情况，钢管内壁被焦油沾污后，对流动的煤气有一定的钻附作用，此作用引入多大的误差尚无标准规定，很难做出估算，但影响值肯定微小，以致可以忽略不计。管道内壁上的一层焦油虽然可能有2mm厚，但因煤气管道直径一般较大，例如公称直径为1000mm，因此对测量影响也很微小。
b.文丘里管差压式流量计。文丘里管前后直管段内壁结沉积物，可以认为对测量结果无影响，因为其流出系数可看作与直径比无关，但喉部结垢引起的误差要比标准孔板大。例如有一副文丘里管，其DN为1000mm，喉部直径为700mm，喉部内壁结垢5mm后，其流通截面积约比原来减小2/70，则流量示值增大约2.86%R。
c.圆缺孔板差压式流量计。圆缺孔板前后直管段内壁沉积物对流量测量的影响主要包括两个部分，其一是使节流件开孔面积与管道截面积之比m发生变化对流量测量的影响，其二是圆缺孔有效面积变小对流量测量的影响。前者影响与标准孔板相似。但在管道截面积缩小的同时，圆缺孔有效面积也缩小一些。因此m变化不大。例如有一副DN1000的圆缺孔板，m为0.49，管道内壁被均匀结了一层20mm厚的沉积物后，管道截面积减小为0.7238m
2，而圆缺孔面积约减小为0.3547m
2(将圆缺孔圆弧看作与管道圆弧相切)，所以，β
2仍为0.49。后者的影响较大，因为无沉积物时，开孔面积为0.3848m
2，而沉积物厚度为20mm时，开孔有效面积为0.3547m
2，约为无沉积物时的92.18%，因此仪表示值约偏高8.5%R。
实际计算时，因为圆缺孔半径为管道半径的0.98，20mm厚的沉积层仅有10mm阻挡了圆缺孔，所以实际影响只有8.5%的一半。
d.均速管差压式流量计
均速管流量计是由均速管测量管道内的平均流速，然后乘流通截面积，并扣除均速管插入管道部分的阻塞影响。均速管前后直管段内壁沉积物对流量测量的影响，如果忽略阻塞系数的微小变化，就可简单地看作流通截面积减小对流量示值的影响。
例如有一副均速管，管道内径为1000mm，管道内壁被均匀结了一层厚度为20mm的沉积物后，流通截面积从0.7854m
2减小为0.7238m
2，在实际流量不变的情况下，流速增大，因而仪表显示值相应增大，增大值为(0.7854-0.7238)/0.7238=8.5%R。
以上的分析和计算都是理想化的，实际情况要复杂得多，管内壁沉积物厚度不可能是均匀一致的，总是上面薄下面厚。但方法可以使用。
④对沉积物影响进行预测。由于大口径流量计拆开检查修理周期较长，如果第一次拆开检查时发现沉积物结得比较严重，而且未清除，可根据沉积物厚度计算流量影响值。如果流体条件不变，则未来一段时间沉积物继续增厚，流量影响值相应增大是必然的，于是就可从拆开检查时测得的沉积层厚度和沉积时间计算沉积速率，并令以后以相同的速率继续沉积，从而对未来的流量影响值进行预测。
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