Thread Content
На промышленных предприятиях существует множество мест, где необходимо измерять расход газа. Типичными примерами таких ситуаций являются использование воздуха, газа, природного газа, хлора, кислорода, газов, выделяемых при сгорании, а также выхлопных газов автомобилей и т. д. В ситуациях, когда необходимо контролировать процесс сгорания, измерение расхода газа имеет огромное значение для оптимизации соотношения воздуха и топлива. Правильное регулирование подачи воздуха напрямую влияет на стабильность и экономичность процесса сгорания. В процессах гидроразложения в нефтехимической промышленности измерение и контроль расхода водорода имеют большое практическое значение для повышения эффективности процессов. В связи с быстрым развитием промышленности в нашей стране и активным продвижением новых видов энергии в соответствии с требованиями охраны окружающей среды, измерение газа приобретает все большее значение. Но в настоящее время проблема измерения расхода газа довольно серьезна. Например, у расходомеров газа с большим диаметром и высоким расходом существует множество проблем ； Измерение смесей газов, у которых значительно меняются такие параметры, как температура, давление и состав, также является серьезной проблемой, требующей решения. 1.1 Особенности смешанных газов. Смешанные газы являются распространенными средами, используемыми на промышленных предприятиях; к таким газам относятся природный газ, городской газ, газы, выделяющиеся при работе факелов, дым от котлов и т. д. Смешанные газы обычно имеют следующие характеристики: а. сильная загрязненность. В смешанных газах обычно присутствуют некоторые «грязные» компоненты; например, в газе для отопления содержатся каменноугольный тар, пыль и вода – все это является такими «грязными» компонентами ； В дымовых газах присутствует пыль. б. Изменение состава. Компоненты смеси претерпевают определенные изменения, проявляя временную зависимость. Например, в газе содержатся такие компоненты, как CO2, O2, H2, CO, CH4 и другие. С изменением процессов производства или состава сырья меняется и состав газа. Кроме того, газы, используемые в качестве пламенегасителей, содержат углеводороды, водород, сульфид водорода, углекислый газ, азот и другие компоненты. Изменения в процессах переработки нефти или утечки клапанов также могут привести к изменению относительного процента различных газов в составе газов, используемых в качестве пламенегасителей. в. Изменения температуры и давления. Например, температура газа факела сильно варьируется: от отрицательных десятков градусов до высоких температур в 300–400 градусов. Изменения температуры и давления в исследуемой смеси газов приводят к значительным погрешностям измерений. Поэтому измерение массового потока смеси газов будет гораздо более целесообразным, чем измерение объемного потока. д. Диапазон изменений расхода велик. У смешанных газов, таких как природный газ, горючий газ и газ из факелов, существует довольно большой диапазон значений расхода. Например, у торцевых струй на нормально работающих нефтеперерабатывающих заводах скорость потока обычно невысока; в условиях низкого расхода газа типичный диапазон скорости составляет 0,01–15 м/с. Однако в случае аварии скорость потока торцевой струи может достигать 60 м/с в течение короткого времени. Подобная проблема существует и с природным газом и газом промышленного назначения: разница между расходом газа в периоды пикового спроса и в периоды спада может составлять более 20 раз. 1.2 Обсуждение методов измерения расхода газа. Большинство существующих методов измерения расхода газа имеют те или иные недостатки при измерении его расхода, что затрудняет полное решение проблемы измерения расхода газа. Методы измерения расхода газа могут быть реализованы только с помощью специальных расходомеров. Ниже приведен анализ наиболее распространенных измерителей расхода газа, а также проблем, возникающих при их использовании для измерения расхода газа. 1.2.1 Датчик расхода с вихревыми струями. Датчик расхода с вихревыми струями – это новый тип измерительного устройства, разработанный в 1970-х годах. В настоящее время он уже считается одним из распространенных видов датчиков расхода. Широко используется для измерения расхода газов, жидкостей и паров. Расходомеры с вихревым потоком развиваются быстро, особенно в плане методов обнаружения сигнала и обработки сигналов. Использование таких расходомеров имеет ряд преимуществ: например, простота монтажа и небольшие потери давления ； Можно измерять множество видов жидкостей: жидкости, газы, пар ； Высокая точность ； Широкий диапазон измерений, до 10:1~20:1 ； В определенном диапазоне чисел Рейнольдса выходной сигнал не зависит от физических свойств жидкости (плотности, вязкости) и ее состава; другими словами, коэффициенты прибора зависят только от формы и размеров устройства для создания вихрей и трубопровода ； Достаточно калибровать в одном типичном средстве, чтобы он был применим ко всем средам. Однако у датчиков расхода с вихревыми струями также имеются некоторые недостатки при практическом использовании: они не подходят для измерения потоков жидкостей с низким числом Рейнольдса ； Стабильность процесса разделения потока на вихри связана с искажением распределения скорости потока и наличием вращающегося потока. Поэтому необходимо использовать достаточно длинные участки прямых труб или устанавливать регуляторы потока для компенсации различных видов сопротивления на верхнем участке трубопровода ； Раздувной расходомер с использованием датчика, чувствительного к силе, чувствителен к механическим вибрациям в трубопроводах, поэтому его не рекомендуется использовать в условиях сильных вибраций ； По сравнению с турбинными расходомерами у него более низкий коэффициент измерения и меньшая разрешающая способность. При использовании вихревых расходомеров для измерения газа на точность измерений влияют вибрация трубопровода, вызванная оборудованием для повышения давления, ударные нагрузки газа в трубопроводе, а также случайные пульсации давления газа. Кроме того, на практике обеспечить скорость потока газа выше 5 м/с бывает сложно, из-за чего у расходомеров с вихревыми струями наблюдается очень заметная ошибка измерения при низких скоростях потока. 1.2.2 Раздельносопловый расходомер. Раздельносопловый расходомер рассчитывает расход жидкости на основе разницы давлений, возникающей из-за установленного в трубопроводе сужающего элемента, известных характеристик жидкости, параметров самого сужающего элемента, а также геометрических размеров трубопровода. Его объем использования занимает первое место среди приборов для измерения расхода. В последние годы, по мере распространения использования различных новых типов расходомеров, доля рынка расходомеров на основе разности давлений постепенно снижается, однако они по-прежнему остаются самым важным классом расходомеров. Дифференциальные расходомеры широко используются для измерения расхода газов и являются наиболее распространенным типом расходомеров при измерении количества газа и природного газа в настоящее время. По оценкам недавних исследований, среди приборов для измерения расхода природного газа стандартные диафрагмы составляют около 55% на международном уровне и около 80% внутри страны. Дифференциальный расходомер состоит из первичного и вторичного устройств. Обычно дифференциальные расходомеры классифицируются по типу сужающего устройства: диафрагмовые расходомеры, расходомеры Вентури, расходомеры с равномерной трубкой и т. д. Узел ограничения потока в дифференциальных расходомерах (узел ограничения потока стандартного типа) является довольно универсальным и признан международными стандартизационными организациями. Экспериментальные исследования стандартных узлов сужения для дифференциальных расходомеров ведутся на международном уровне; другие типы расходомеров не могут достичь такой глубины и обширности. Стандартный дифференциальный расходомер — единственный тип расходомера, который можно использовать без необходимости калибровки с использованием реального потока. У дифференциальных расходомеров также существуют определенные ограничения при использовании: повторяемость измерений и точность находятся на среднем-низком уровне, к тому же их сложно улучшить ； Диапазон измерений довольно узкий, обычно составляет всего 3:1–4:1 ； Его нельзя использовать в ситуациях с сильными колебаниями расхода. В некоторых источниках также предлагаются способы расширения диапазона измерений дифференциального расходомера; при этом предъявляются высокие требования к его установке на месте ； Трубопроводы для измерения давления склонны к таким неисправностям, как утечки, засорение, замерзание и искажение сигнала ； Потери давления велики. Дифференциальные расходомеры не подходят для использования с грязными смесями газов, такими как угольный газ, природный газ и дымовые газы. Основные причины этого следующие: а) у угольного газа и природного газа существуют периоды высокой и низкой нагрузки, что приводит к значительным колебаниям расхода газа. У дифференциальных расходомеров коэффициент полезной ширины диапазона невелик, что ведет к большим погрешностям при использовании. На практике для увеличения диапазона измерений дифференциального расходомера обычно используется способ подключения вспомогательных трубок параллельно главной трубе. Однако это приводит к усложнению системы измерений, повышению затрат на её создание и увеличению объемов технического обслуживания. б. В смешанных газах, таких как газопроводный газ, природный газ и дымовые газы, присутствуют грязные примеси, которые часто приводят к засорению трубопроводов для измерения давления и изменению характеристик регулирующих элементов. В связи с этим некоторые компании разработали очищаемые пробки с удобным способом чистки, которые подлежат регулярной или периодической очистке для обеспечения нормальной работы приборов и точности измерений. Однако на практике все еще трудно решить проблемы, возникающие из-за загрязнений. в. Большие потери давления, что затрудняет транспортировку газа по трубопроводам. Кроме того, дифференциальные расходомеры нельзя использовать с жидкостями кислорода и в условиях низкого давления. 1.2.3. Роторный расходомер. Роторный расходомер, также называемый поплавковым расходомером, представляет собой расходомер с изменяемой площадью прохода. Роторный расходомер имеет простую конструкцию; его использование уступает только расходомерам с дифференциальным давлением. Он играет важную роль при измерении очень малых расходов. У однороторных расходомеров есть недостатки, такие как малый диаметр трубопровода и многочисленные ограничения при монтаже. Точность измерения роторного расходомера низкая; для калибровки необходимо использовать реальный газ, поэтому его можно применять только в тех случаях, когда требуется меньшая точность (ниже 2,5 класса). Газы вроде угольного газа и природного газа часто сталкиваются с проблемами, связанными с расчетами за торговлю; поэтому необходима определенная точность измерений. Кроме того, изменения состава смеси газов влияют на сигнал, выдаваемый расходомером. Поэтому роторные расходомеры не очень подходят для использования с смешанными газами, а также в случаях, когда требуется большой диаметр трубопровода и высокая точность измерений. 1.2.4 Турбинные расходомеры. Турбинный расходомер состоит из датчика и устройства для преобразования и отображения данных. В качестве датчика используется ротор с несколькими лопастями, который определяет среднюю скорость потока жидкости, на основе чего и вычисляется расход. Скорость потока в роторе можно определять с помощью методов, основанных на магнитном полях или фотоэлектрических сенсорах. Полученные данные затем отображаются, передаются и записываются с помощью устройств, расположенных сзади. Турбинные расходомеры широко применяются для измерения таких сред, как нефть, органические жидкости, неорганические жидкости, сжиженный газ, природный газ, угольный газ и жидкости при низких температурах. За рубежом на станциях сбора и транспортировки сжиженного нефтяного газа, готовой нефти и легкой сырой нефти, а также на начальных и конечных станциях крупных трубопроводов для транспортировки сырой нефти в больших объемах для целей коммерческого учета широко используются турбинные расходомеры. В Европе и США турбинные расходомеры являются приборами для измерения расхода природного газа, после которых по популярности идут расходомеры с дымчатыми клапанами. Турбинные расходомеры обладают следующими преимуществами: высокая точность, которая обычно составляет 0,5%~0,2% ； Диапазон измерений средний, соотношение максимального и минимального расхода обычно составляет 6:1–10:1 ； Хорошая воспроизводимость ； Небольшая потеря давления ； Выход цифрового сигнала ； Удобно в установке и обслуживании. Ограничения турбинных расходомеров заключаются в следующем: они не способны долгосрочно сохранять свои калибровочные характеристики, поэтому требуют регулярной калибровки ； Как правило, не подходит для измерения расхода сред с высокой вязкостью ； Физические свойства жидкости (плотность, вязкость) сильно влияют на характеристики расхода ； Распределение скорости потока и деформации сильно влияют на расход ； К чистоте исследуемого материала предъявляются высокие требования. Как видно, хотя турбинные расходомеры обладают высокой точностью, их диапазон измерений ограничен по сравнению с другими типами приборов. Кроме того, они подвержены загрязнению и износу. Стоимость производства турбинных расходомеров большого диаметра также довольно высока. Поэтому он занимает важное место в измерении расхода чистых газов с малым и средним диаметром труб (менее DN300), но не может быть использован для измерения расхода загрязненных газов, таких как городской газ и природный газ. 1.2.5. Ультразвуковой расходомер. Ультразвуковой расходомер — это прибор, предназначенный для измерения объемного расхода жидкости путем регистрации воздействия потока жидкости на ультразвуковой луч. У него нет потерь давления; это один из измерителей расхода, быстро развивающихся в последние годы. Он обладает выдающимися преимуществами при измерении расхода в трубопроводах большого диаметра. Ультразвуковые измерители расхода, используемые в закрытых трубопроводах, по принципу измерения делятся на: метод времени прохождения волны, метод Доплера, метод смещения луча, метод корреляции и метод шума. Применение ультразвуковых расходомеров началось в 1990-х годах. Благодаря своим значительным преимуществам — высокой точности измерений, большому диапазону измерений, отсутствию потерь давления и отсутствию подвижных частей — они пользуются популярностью среди пользователей и используются для измерения расхода газа. На сегодняшний день 12 стран, включая США, Нидерланды и Великобританию, одобрили использование ультразвуковых расходомеров в качестве официальных измерительных приборов для целей торговых расчетов. Но он подходит только для средних и крупных калибров, да и стоит дорого. В настоящее время в стране небольшое количество пользователей использует импортные ультразвуковые расходомеры для измерения расхода. 1.2.6. Газовый роторный расходомер. Газовый роторный расходомер представляет собой объемный расходомер с высокой точностью измерения и надежностью. При его установке не требуется наличие прямых участков трубопровода до и после расходомера. Диапазон измерений довольно велик – он может достигать 10:1. Однако по структурным причинам при монтаже газового регулятора потока корпус не может выдерживать различные нагрузки, возникающие в трубопроводе, к тому же требуется, чтобы среда была крайне чистой (в противном случае вращающиеся части могут заедать). Поэтому его применение при измерении расхода смешанных газов сталкивается с определёнными ограничениями. Кроме того, поскольку расходомеры с шестеренчатым механизмом большого диаметра являются крайне громоздкими, их редко используют в трубопроводах большого диаметра; на практике они применяются в основном для измерения расхода газа в трубопроводах малого диаметра. Другие объемные расходомеры, такие как влажные расходомеры и расходомеры Рота, также из-за ограничений по монтажу трудно применять для смешанных газов. 1.2.7. Термический расходомер массы газа. Термический расходомер массы газа – это прибор, который использует принцип теплообмена для измерения скорости потока газа, то есть определяет расход газа на основе взаимодействия газа, проходящего через прибор, с источником тепла. В 1960-х годах США впервые разработали тепловые расходомеры для аэрокосмической промышленности, после чего они получили широкое распространение в полупроводниковой индустрии. Термический расходомер массы газа обладает следующими особенностями: способен измерять очень малые расходы при крайне низких скоростях потока ； Отсутствуют подвижные части, высокая надежность ； Потери давления очень малы, их практически можно игнорировать ； Прямое измерение массового расхода без необходимости корректировки под давление и температуру ； Выходной электрический сигнал, большое значение выхода ； Очень высокое соотношение диапазонов (1000:1) ； Цена не сильно зависит от диаметра трубы; установка происходит легко ； Хорошая воспроизводимость. В настоящее время термические расходомеры массы газа широко используются для измерения расхода газов в различных промышленных сферах: при измерении расхода природного газа, газа, используемого в качестве топлива, воздуха, газов, выделяющихся при сгорании, водорода, кислорода. Они также применяются в автомобильной промышленности для измерения выбросов от автомобилей, в системах CEMS, в медицинской сфере для измерения расхода кислорода и других лекарственных веществ, а также в энергетике для регулирования процесса сгорания. Кроме того, они используются в системах отопления и вентиляции, а также в коммунальных службах для измерения расхода таких газов, как хлор и озон. 1.3. Измерение массового расхода газа. Из анализа измерительных приборов для измерения расхода, проведенного ранее, следует, что большинство таких приборов предназначены для измерения объемного расхода. В промышленных измерениях температура, давление и состав среды постоянно меняются, что приводит к значительным погрешностям в результатах измерения объемного расхода и лишает такие измерения смысла. В этих случаях измерение массового расхода среды имеет гораздо большую практическую ценность, чем измерение объемного расхода. К таким ситуациям относятся расчеты и контроль качества в промышленном производстве, баланс материалов и энергии, а также расчеты в торговле. Благодаря более чем 20 годам исследований и практической работы были созданы расходомеры массы, обладающие практической ценностью. Основными методами измерения массового расхода являются косвенный и прямой методы. 1.3.1. Косвенное измерение массового расхода. Метод косвенного измерения массового расхода является одним из методов измерения массового расхода, который используется в промышленности с давних времен. Метод косвенного измерения массового расхода часто используется в тех случаях, когда требования к точности измерений не высоки, диапазон изменений температуры и давления невелик, или существует линейная зависимость между температурой и плотностью среды. Однако для сред с довольно сложной зависимостью между температурой, давлением и плотностью трудно обеспечить автоматическую и точную коррекцию. В то же время такой метод измерения подразумевает измерение ряда промежуточных параметров; большое количество этапов измерений затрудняет обеспечение и повышение точности измерения массового потока. 1.3.2. Прямое измерение массового расхода. За время развития методов прямого измерения массового расхода было создано множество различных типов измерительных устройств для этой цели. Среди них некоторые измерители массового потока были разработаны на основе измерителей объемного потока. Например, расходомер массы с дифференциальным давлением, состоящий из пористой пластины и насоса постоянного расхода, двухтурбинный расходомер массы, состоящий из двух турбин, и так далее. По конструктивным причинам эти расходомеры трудно применять широко. В настоящее время при практическом использовании для прямого измерения массового расхода жидкости или смешанных потоков, в которых преобладает жидкая фаза, в основном используются кориолисовы расходомеры массы, тогда как для прямого измерения массового расхода газа чаще применяются термические расходомеры массы газа. В настоящее время у кориолисовых расходомеров массы существуют некоторые проблемы и недостатки в практическом применении; они в основном используются для измерения однофазных жидкостей, особенно подходя для измерения однофазных жидких сред. Также существуют исследования, показывающие возможность применения этого метода для измерения расхода в газах с высокой плотностью, однако эти результаты ещё не достигли уровня практического применения. Тепловой расходомер для измерения массового расхода газа произошел от «теплового анемометра». По мере осознания преимуществ термических методов измерения, термические расходомеры газа начали быстро развиваться. Термические расходомеры газа делятся на два типа: с балансом энергии и конвективные. Термический расходомер с балансировкой энергии также называется термодистрибутивным расходомером или калориметрическим расходомером. Расходомеры конвективного типа основаны на законе Кинда, связанном с эффектом рассеяния тепла (охлаждения); их также называют проникающими или вставными расходомерами. Термические расходомеры с балансом энергии чаще используются для измерения малых расходов, тогда как для измерения больших расходов обычно применяются термические расходомеры конвективного типа. Тепловые расходомеры конвективного типа делятся на два вида: с постоянной энергией (постоянный расход) и с постоянной температурой (постоянная температура среды). Скорость работы термических расходомеров с постоянной температурой выше, чем у аналогичных устройств с постоянной энергией, что делает их основным направлением развития современных термических расходомеров. Традиционные термические расходомеры массы газа требуют, чтобы измеряемый газ имел однородный состав или фиксированный набор компонентов, кроме того, они предъявляют довольно строгие требования к условиям процесса. Однако несколько международных профессиональных производителей термических приборов, таких как американская компания SIERRA, уже разработали передовые технологии в области термических измерителей расхода газа. Эти приборы позволяют получать точные результаты измерений в условиях сложных технологических процессов и при измерении газов, состоящих из нескольких компонентов. К тому же срок службы продукта может составлять до 10 лет при сохранении высоких характеристик. 1.4. Анализ возможностей методов измерения расхода смешанных газов. Из предыдущего анализа следует, что ультразвуковые и термические расходомеры наиболее подходят для измерения расхода смешанных газов. Однако ультразвуковые расходомеры имеют высокую стоимость, поэтому их сложно использовать в масштабах больших объемов. Термические расходомеры газа имеют разумную цену, просты в использовании и обладают определенными преимуществами при измерении смешанных газов, поэтому исследования термических расходомеров газа имеют хорошие перспективы. Поверхность контакта пробойника термического расходомера газа с газом изготавливается из различных металлов или сплавов, обладающих стойкостью к коррозии и высоким температурам, а также позволяющих легко удалять загрязнения с поверхности. Как правило, они разрабатываются для встраиваемой установки с шаровым клапаном, что позволяет без прерывания подачи газа осуществлять ввод, извлечение и очистку датчика в режиме онлайн. Это позволяет устранить влияние загрязнений, возникающих в смешанном газе. Термический расходомер газа напрямую измеряет массовый расход газа, что позволяет в значительной степени устранить влияние изменений температуры и давления газа. Термический расходомер имеет минимальное сопротивление потока жидкости и практически не создает потерь давления. Диапазон измерений термического расходомера очень широк, что делает его идеальным для ситуаций, когда происходят значительные изменения расхода смешанных газов.