挿入型ガス流量計の設計と応用

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この投稿は最終的にliaifengによって2020年6月4日18時49分に編集されました。要約：ガスの流量を測定する際に生じるスロットル式流量計の問題を解決するため、圧力取り出し部、圧力導通装置、および密封固定装置の3つの部分から構成される挿入型ガス流量計が開発されました。挿入型ガス流量計を山鋼株式会社莱芜支社のコークス炉ガス、高炉ガス、混合ガスなどのガス流量測定に導入して以来、ガスの計量データがより正確になり、生産が安定し、製造コストが削減されました。 1 序論 現在、ガスの流量を測定するために使用されている装置は、主に節流式流量計であり、例えば孔板や内蔵型、V字コーンなどがある。このような流量測定装置には、停止して取り付ける必要がある、圧力損失が大きい、詰まりやすい、清掃が困難といった多くの欠点がある。コークス炉ガスを例にとると、ガスの精製能力が不十分で不純物が多く、低温時にナフタレンが生成するなどの理由でストリーム制御装置が詰まり、ガス流量の計測に深刻な影響を及ぼし、場合によってはストリーム制御装置付近の配管が詰まることもある。スロットル装置が詰まった場合、工程を停止させた時にのみ清掃を行うことができ、メンテナンスの機会は少なく、作業も困難です。特に大口径の配管の場合、取り外しや組み立てには大型のリフト機器が必要で、時間と労力がかかります。このため、閉塞を防ぎ、低圧損で、オンラインでの取り付け・メンテナンスが可能な挿入型ガス流量計を開発する必要がある。 2 挿入型流量計の動作原理　插入型流量計とは、ピトー管の原理を利用して配管内の中心部の流速を測定し、それを流体の体積流量や質量流量に換算する差圧式流量計です。この装置は、媒体が流れる配管の中心部の流速を測定するために使用されます。構造としては、圧力測定用の管と圧力測定用のヘッドがあり、圧力測定用の管内には全圧用のチャネルと静圧用のチャネルが設けられています。圧力測定用のヘッドの流れが当たる側には全圧用の孔があり、流れが反対側にある部分には静圧用の孔があります。作業時には、挿入型流量計の圧力取り出し部を配管の中心に挿入し、全圧孔を流体の流入方向に、静圧孔を流体の流出方向に合わせます。全圧と静圧の差が配管中心での実測差圧となり、この圧力取り出し部の風洞校正曲線を用いてその点の標準差圧を算出します。そして、この標準差圧に基づいて流体の流量を計算します；同時に、圧力変換器を用いて流体の圧力を測定し、熱抵抗を用いて流体の温度を測定する必要がある。標準差圧信号、圧力信号、温度信号を流量積算計またはDCSシステムに同時に入力し、一方で取圧部の流量式を計算し、もう一方で流体の圧力や温度を補正することで、測定精度を保証する。 3 挿入型流量計の設計と取り付け 3.1 圧力取り出し部 圧力取り出し部は、插入型流量計の重要な構成要素であり、流体が生み出す圧力差信号を取得するために使用される。圧力取り出し部は曲面形状を採用しており、管の中心に挿入する際、前面壁および全圧孔は流体の流入方向に、後面壁および静圧孔は流体の流出方向に対応している。遮断部は全圧孔側の曲面に位置し、この遮断部によって流体は後面壁から離れた方向へ流れるようになり、後面壁に流れる流体が減少する。つまり、管内で静圧孔に流れる流体が減少し、圧力差が大きくなり、測定の安定性と精度が向上する。全圧孔が来流方向に正対しているため、孔内には高圧領域が形成され、その圧力は管内の圧力よりわずかに高くなります。これにより、ガス中の不純物が全圧孔に入るのを防ぎ、圧力取り出し部が詰まるのを避けることができます。 3.2 圧力取り出し導通装置　電磁流量計のオペレーターによると、圧力取り出し導通装置とは、圧力取り出し部が生み出す圧力差を圧力差変換器に伝達し、それによって物理的な信号へと変換する装置である。圧力取り出し部は2本の圧力導管を介して上方にある三弁ユニットに接続され、その三弁ユニットがさらに圧力差変換器に接続されることで、圧力取り出し部の両側の標準的な圧力差が測定される。三弁ユニットは3051型を採用しており、市場に出回っているほとんどの圧力差変換器と直接接続できます。誘導管は小断面設計で、外径はわずか30mmであり、使用中に管内のガス流れをほとんど妨げず、管内のガス圧力損失も少ない。 3.3 密封固定装置　密封ベースは、挿入型流量計の固定および密封に主に使用される。配管内のガスが有毒ガスである可能性があり、ガスが漏れると重大な事故を引き起こす恐れがあるため、流量計の密封は非常に重要である。シール固定装置は、主に配管溶接ベース、ボールバルブ、弾性シールリング、およびシール圧縮装置で構成されており、その構造は図1に示されている。その中で、配管溶接ベースは配管に直接溶接され、流量計と配管の機器接続が実現される；ボールバルブは、配管内のガスを遮断するために使用され、流量計を挿入する前および抜き取った後の配管内のガスを密封します；弾性シールリングは、耐腐食性と耐高温性を持つ弾性グラファイト製であり、その内径は圧力伝達管の外径と同じ寸法です。流量計を挿入した後、シール圧縮装置によって弾性シールリングに圧力が加えられ、その力によって弾性シールリングが変形し、圧力伝達管に密着することで、ガスの漏れを防ぎます。 http://www.jssanchang.com/d/file/jishu/d8de62bdf1791e4cca5c868cafdd4ed6.jpg 3.4 計算方法 挿入型流量計は出荷前に風洞を用いて校正が行われ、標準流量と標準圧力差からその流量計の流量倍率Kが算出される。実際の使用時には、流体の密度、圧力、温度に応じて補正が必要であり、流量の計算には差圧モデルが用いられる。その計算式は次の通りである。ここで、Mは質量流量で、単位はkgである； Kは流量倍率です；ΔPは圧力差で、単位はkPaです； ρは媒体の密度で、単位はkg/m³です ； ρは媒体の標準状態での密度を示し、単位はkg/m³です。 3.5 設置方法　挿入型流量計は、流れを止めて設置することも、加圧状態での開孔ツールを用いてオンラインで設置することもできる。取り付ける際は、配管に直径30mmの円孔を開け、その円孔の上にシール固定装置を溶接し、流量計を挿入するだけです。オンラインでの取り外しが可能なため、供給停止による生産への影響を避け、製造工程上供給停止ができない一部の計量ポイントに設置することができます。配管に挿入する前に、挿入寸法を計算し、圧力取り出し孔の全圧孔と静圧孔の向きを確認する必要があります。これは、取り付け後に2つの圧力取り出し孔の端が配管の中心線上、すなわち配管の中央に位置し、全圧孔が流体の流入方向に、静圧孔が流体の流出方向に向くようにするためです。全体の取り付け方法は図2に示されています。 http://www.jssanchang.com/d/file/jishu/f61276622ee67925cacc6689bdd7cc0b.jpg 4 結語 挿入型ガス流量計は、山鋼株式会社莱芜支社においてコークス炉ガス、高炉ガス、混合ガスなどのガス流量測定に使用されており、孔板などの流量制御要素が持つ設置・測定・メンテナンス上の欠点を完全に解消している。測定データの精度が高く、詰まりを防ぎ、低圧損失であり、オンラインでの設置・メンテナンスが可能などの利点があり、従来の流量計に代わる理想的な測定装置である。挿入型流量計を用いてガスの計量を行うことで、ガスの計量データがより正確になり、生産が安定し、コストも削減される；企業の生産経営に正確で信頼性の高い監視・計測データを提供し、ガスの適切な調達、コスト計算の強化、エネルギー消費の削減、効率向上に寄与します。