孔板流量计应用中的问题

摘要：孔板流量计广泛应用于工业生产中，其测量值是生产控制的重要依据。但是受某些因素影响，会出现严重的计量失真。通过对某型孔板流量计在某浮法玻璃池炉使用中的问题跟踪，并结合流量计原理，对计量异常的特殊表现、原因以及解决方案进行了讨论分析。

0、引言：孔板流量计，是工业生产常用的流量计之一，它基于孔板对流体的节流原理，利用流体经过孔板时产生的压力差而实现流量测量[1]。根据流体的连续性方程和伯努利（Bernoulli）方程，可推导出流量基本公式[2]：

计算公式

式中：Qv——工况下的体积流量，

m3/s；α——流量系数，无量纲，与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比m、雷诺数 Re、孔口边缘锐度、管道粗糙度等因素有关；ε——可膨胀系数，无量纲，与孔板前后压力的相对变化量、流体的等熵指数、孔口截面积与管道截面积之比m等因素有关；F0——孔板孔口截面积，m2；Δp ——孔板前后的压力差，Pa；ρ1——孔板前的流体密度，kg/m3。

一般地，流体的成分、流量范围、工作压力和温度确定后，可据此选择流量计型号；型号一经确定，则 α、ε、F0值也确定下来；因流体及其工况已知，故ρ1也已基本确定。此时， Δp 即与Qv在一定范围内呈线性对应关系。

实际应用中，一般采用差压变送器将压力差Δp 转换为电信号传至控制计算机，开方后代入程序中的计算公式，即可得出相应的流量值。另外，工况会在一定范围内变化，因此公式中会加入温压补偿；生产中的流量多要求为标准状态，故需再将 Qv换算为标准状态下的流量，这些都可直接编入公式，从而直接得出所需要的流量值。

孔板流量计结构简单，本身无运动部件，主要是相关参数的确定，所以其性能稳定可靠。流量计的结构、尺寸、加工要求、安装要求、使用条件等，都已实现标准化，使得其应用范围比较广。但是，受一些异常因素干扰，孔板流量计也会出现数据失真，当流量值作为重要的控制参数时，就会对生产过程造成较大影响。下面以某浮法玻璃池炉为例，对其助燃空气流量计异常时的表现、原因排查和分析进行讨论。

1、流量计的具体应用：
某浮法玻璃池炉，以天然气为燃料，用空气助燃。根据天然气与氧气反应的方程式 CH4+2O2＝CO2+2H2O，可以计算出天然气完全燃烧时所需助燃空气（含氧量按 20.947%计算）理论体积流量约为同状态下天然气的9.5倍，通常称该数值为空燃比或风气比。助燃空气量不足，天然气不完全燃烧，火焰气氛为还原气氛，火焰发浑、发飘，池炉能耗增加；助燃空气过剩，火焰气氛为氧化气氛，火焰发亮、刚性好，但过多的烟气也会带走更多的热量，能耗也会增加。该池炉共有 6 对小炉，由于使用芒硝碳粉作为熔制时的澄清剂，故各小炉要求气氛各不相同，即各小炉的空燃比有差异。
该池炉蓄热室为全分隔式，每对小炉的助燃空气量单独计量，共有 6 个流量计，以对各小炉的助燃空气量分别进行测量。助燃风管直径650mm，流量计选用的是某型平衡流量计，其孔板与普通孔板不同，如图1。流量计压差信号由差压变送器转换为 4～20m A 电信号传至控制室，再由控制计算机经过一系列运算得标准状态下的体积流量。各小炉所需助燃空气目标流量，以小炉天然气流量为基础，乘以相应的空燃比，流量测量值作为控制系统的被控变量，而操纵变量是相应的流量阀执行器开度。一旦流量测量值出现偏差，控制系统就会据此进行调整。但如果测量值严重失真，就会造成助燃空气流量出现异常，导致火焰状态和气氛的变化，进而影响池炉的温度和玻璃的熔制质量。

图1 流量孔板示意图

2、流量异常及相关变化：
该池炉投产初期的一段时间内，多个小炉助燃空气执行器开度相继出现了较大变化，查看历史曲线，发现首先是流量值较目标值出现较大偏差，然后执行器开度在控制要求下调整至新的状态，但是执行器开度变化幅度明显超出日常变化范围。这种开度变化又分为两种情况，一类是开度明显变小，另一类是开度明显变大，具体情况如下。

2.1、现象1：
1#、2#小炉执行器开度分别出现两次较明显的变化，其变化方向相同，都是开度大幅变小，如表 1。查看助燃空气历史曲线，执行器开度变化前，流量值都有跳跃性升高，然后执行器开度逐步减小，检查执行器工作状态基本正常，其现场开度与计算机显示值也基本一致。

表1 助燃空气执行器开度变化情况

但是，玻璃池炉其他方面的一些变化，表明助燃空气流量发生了变化。首先，相对应的小炉火焰状态发生了变化，火焰变浑、发飘，这些都是助燃空气不足的表现，测量烟气含氧量也有所降低。其次，相对应的支烟道温度都突然大幅升高，表 2，分别为两个小炉异常时的支烟道温度变化。支烟道温度主要受烟气流量、烟气温度、助燃空气流量和温度影响，综合各参数变化情况，上述支烟道温度升高很有可能是助燃空气量减少所致。

表2 支烟道温度变化情况（℃）

表2 支烟道温度变化情况（℃）
由上述这两项变化都推测出实际助燃空气流量减少了，可初步判断流量测量系统出现了异常。因此首先对差压变送器进行了校准，但未发现明显异常；然后对两根取压管进行了检查和反吹，以防止其出现堵塞，也未发现明显异常，流量显示值都无明显变化。而这些流量计都没有设计旁通管路，无法将流量计拆下检查和校准。

鉴于相关参数的变化，以及流量计问题的不确定性，决定先人为恢复执行器开度。理由是，在外界条件变化不大的情况下，执行器开度与实际流量值有明确对应关系。具体做法是逐步调大空燃比值，以升高助燃空气目标值，执行器随之逐步升高。1#小炉空燃比逐步由9.0→13.0→17.0，2#小炉逐步由9.0→11.0→13.0，都远高于正常值。但无论从火焰状态，还是从支烟道温度降低情况，都可看出实际助燃空气流量较原状态还有一定差距，因一时找不出症结所在，只得将此问题暂行搁置。

2.2、现象2：
***后一次是 5#小炉助燃空气出现问题，但情况较 1#、2#有所不同，其流量持续低于目标值（11000 Nm3/h），尽管执行器开度逐步开大至100%，但空气流量仍在逐步下降，较低降至 4400Nm3/h。

表3 5＃小炉助燃空气异常时相关情况
针对此情况，首先检查了执行器现场开度指示，也在 100%位置；然后对差压变送器进行了校准，未发现明显异常；接着又对两取压管进行反吹，也未发现明显异常。现场观察火焰状态，变短、变亮、刚性好，支烟道温度有所降低。

3、问题排查及相关变化：
由于 5#小炉助燃空气流量与目标值相差太大，所以对其助燃风管路进行全面检查。首先在执行器旁管道上开孔检查，执行器叶片在全开位置，而且叶片无明显松动。然后在流量计前方管道上开孔检查，结果发现孔板上部被一块纸板遮挡，遮挡面积约为管道的 1/3，取出该纸板后，显示流量突升至 20000 Nm3/h，将执行器开度降到原数值后，助燃风流量也基本恢复至正常值。
解决了5#小炉问题后，联系到1#、2#小炉曾出现过的情况，遂对其余各助燃空气流量计进行检查，发现了类似问题：1#小炉助燃空气流量计孔板处有 4 块纸板，孔板大部被纸板遮挡；2#小炉助燃空气流量计处有两块纸板，孔板约 1/2 被纸板遮挡。但是，将1#、2#助燃空气流量计孔板前纸板取出后，它们的助燃风流量变化与5#情况不一致，如表 4。对比前期 1#、2#小炉的调整情况，逐步恢复了空燃比，即恢复助燃空气流量目标值，火焰发亮、刚性变好，支烟道温度也基本恢复。

表4 纸板取出后流量显示变化（N/m3）

表5 纸板取出后前后状况对比
流量计前和风箱内纸板全部取出后，各小炉助燃空气流量恢复正常，天然气燃烧状况大幅改善，天然气用量随之下降，同时玻璃质量也有一定改善，尤其是生产超白玻璃时的气泡明显减少，表5 为纸板取出前后各方面状况对比。由于对助燃空气系统管路进行了全面清理，之后各流量计没再发生类似事故。

4、原因分析：
4.1、纸板来源分析：
流量计前纸板取出后，又对其前管路进行全面检查，以判断纸板来源。助燃风机进风口处安装有 30mm×20mm 菱形孔钢丝网，以阻挡较大杂物，本次取出的纸板为 350mm×200mm 长方形状，因此不可能从风机进风口吸入。检查助燃空气风箱时，发现死角处有两块纸板，另外风箱底部还有许多焊条头和焊渣。

从助燃风箱内取出的纸板与流量计取出的是同一类纸板，为某型包装的垫板。结合风箱底部的焊条头和焊渣，可初步推断曾在风箱内进行过电焊作业，而这些纸板为施工人员便于作业带入的，作业人员完成后遗忘在风箱内。起初这些纸板都在死角位置，对各管道系统基本没有影响。但是，受风箱内气流影响，纸板状态是不稳定的，

尤其是气流有较大波动时，比如风机异常停机又启动，或者池炉燃烧换向过程，某块纸板就会被吹入小炉助燃空气管道内。如果是普通流量计孔板，孔口径较大，纸板通过的可能性比较大；而这种平衡式流量计孔板为多孔式，如图 1 所示，***大孔直径为200mm，纸板就会被阻挡在孔板前，从而影响空气的正常通过。

4.2、计量变化分析：
由上述孔板流量计工作原理可知，流量与孔板前后压力差 Δp（Δp＝p前－p后）的开方值成正比。对于1#、2#助燃空气来说，纸板仅遮挡了孔板的通气孔，使得实际空气流量变小，孔板后压力p后降低，

Δp＝p前－p后就会增大，系统按原公式计算出的流量值变大。但是，纸板遮挡孔板后，使得孔板孔口面积 F0减小，α、ε 也相应变化，相当于流量计型号发生了变化，即原计算公式已不再适用。这时尽管Δp有所增大，但F0减小幅度更大，故流量是减小的。

由于流量数据失真，控制系统据此关小执行器开度，这又会造成实际风量进一步降低。助燃风空气降低后，天然气因燃烧不完全而导致火焰发挥、发飘，因通过的空气量减少，支烟道温度升高。而纸板取出后，其变化情况与此正好相反。其中，1#流量计孔板被遮挡的面积较大，所以其情况表现更加明显。
对于 5#助燃空气来说，纸板遮挡位置比较特殊，一方面部分遮挡了孔板通气孔而导致实际空气流量降低，并造成p后降低，另一方面因纸板停留位置靠上，正好将孔板前的取压孔遮挡住，造成p前更大幅度降低，导致Δp＝p前－p后降低，系统计算出的流量值降低，控制系统据此开大执行器，***终结果是助燃空气实际流量略偏高，故支烟道温度降低。纸板取出后，流量显示值大幅升高。

4.3、计量异常对生产的影响分析：
由于纸板分次进入管道而遮挡流量计，每次对火焰状态、池炉温度和玻璃熔制质量的影响程度相对较小，有一个逐步累加的过程。而纸板的取出比较集中，天然气燃烧状态几乎同时恢复，故对池炉温度影响比较大，池炉的单位能耗明显降低。

1#、2#小炉助燃空气孔板被相继多次遮挡后，实际空气量大幅下降，使得1#、2#小炉火焰气氛呈过还原性。作为澄清剂的硫酸钠，在强还原性气氛影响下，发生如下反应：Na2SO4＋2C＝Na2S＋2CO2Na2SO4＋Na2S＋2Si O2＝2Na2Si O3＋SO2＋S这两个反应可造成玻璃中出现含单质硫的气泡，显微镜下可观察到泡壁有液珠状硫[3]。纸板取出后，1#、2#小炉火焰恢复为弱还原状态，这类气泡相应大幅降低。

5、结语：
孔板流量计结构简单、稳定可靠，但管路中的杂物可造成孔板或取压管堵塞，从而导致测量数据失真。因此，安装施工过程中，要对流量计前的管路进行认真清理，以免杂物堵塞孔板或测压管。系统设计时，流量计前加装适当的过滤装置，尽量为流量计设计旁通管路，以便于检查和校准；如有可能，可在流量计前方管道上设计观察窗或检查口，便于对流量计进行在线检查。孔板流量计在使用中，一旦发现计量异常，可综合相关工艺参数的变化情况，判断计量偏差方向，并据此对流量进行恢复，流量计正常后再进行管理。

孔板流量计应用中的问题

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