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针对孔板流量计的计量失真提出相应的解决方案


文章日期:2018-07-18|阅读数:


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。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:

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。

 流量孔板示意图
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。

助燃空气执行器开度变化情况

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。

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。

小炉助燃空气异常时相关情况
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。

纸板取出后流量显示变化(N/m3)
表4 纸板取出后流量显示变化(N/m3)

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。


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