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采用一體化熱式氣體質量流量計測量自來水的氨


文章日期:2018-07-18|閱讀數:


    1.引言:眾所周知,自來水廠在制水過程中,為了使自來水的水質達到一定的要求,常常加入微量的氨氣和一定量的氯氣。顯然,這兩種氣體的流量的大小,將對自來水水質優劣產生較大的影響。過去自來水廠大多采用傳統的玻璃轉子流量計來測量這兩種氣體的流量。由于轉子流量計只測量體積流量,而氨、氯氣在供氣過程中,其工作壓力是不斷地變化的,顯而易見,這種無溫度壓力補償的流量測量,其測量準確度是不高的。另外,轉子流量計無輸出遠傳電信號,供計算機處理控制。因此,無法實現控制室對現場管理監控的自動化過程。
    如上所述,利用無須溫度、壓力補償的PBF型熱式氣體質量流量計(以下簡稱PBF型流量計),來測量氨、氯氣的質量流量,是***合理的、***先進的方案。特別是對氯氣流量的測量,由于其腐蝕性強,使許多流量計望而生畏,但對PBF型流量計卻是輕而易舉的事。我們在上海某自來水廠,使用了3臺PBF型流量計,測量氨氣流量。使用了4臺PBF型流量計(防腐型),測量氯氣流量。通過一年多的運行,獲得了相當滿意的結果:流量測量數據準確、測量響應速度快:結構簡單、安裝方便和防腐性特好等。

   2.PBF型流量計的結構及其工作原理


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    圖1是PBF型流量計的結構及工作原理示意圖。它利用流體(氣體)與固體(傳感探頭)之間 的熱傳導原理,使氣體流量的變化,以溫度變化的形式檢測出來,再轉換成電信號,經放大線性處理后,輸出與瞬時流量相對應的4~20mA電流信號、3- I/2 LCD瞬時流量顯示和六位LcD累積流量顯示。圖1中,流量計由傳感探頭和電子組件組成。傳感探頭由兩個傳感器組成,一個是流體速度傳感器,另一個是流體 溫度傳感器。測量時,傳感探頭插入流體中,感受流體的流速和溫度。它們同時是電子組件橋路的兩個橋臂,形成一個不平衡電橋。
    通電時,橋臂電流將速度傳感器加熱到高于流體溫度T2一個溫差△T的T1,即T1-T2=△T。不平衡電橋就變成平衡電轎。此時電橋便輸出一個對應零流量的電壓,經放大電路處理, 輸出流量計的F限信號4mA:瞬時流量顯示為000:且累積流量無累積動作發生,累積顯示保持著原來的累積數字不變。
    當流體流經加熱的速度傳感器時,根據熱傳導原理,將會帶走速度傳感器的一部分熱量,使其溫度T1下降,而且流量越大,帶走的熱量越多,其溫度T1下降也越大,電橋又變成一 個不平衡電橋。由于橋路的反饋控制作用,總要回到平衡電橋狀態。為此,電橋必須在速度 傳感器上流過與流量大小成正比的電流,使速度傳感器回到平衡狀態時的溫度TI.這時橋路 便輸出一個正比于流量大小的電壓信號。經電路放大、線性化處理,使輸出與流量成正比的 4~20mA之間的一個電流信號、瞬時流量顯示為直到***大刻度流量的一個值、累積動作將以與瞬時流量成正比的速度進行累積。
    按上所述,設速度傳感器的加熱功率為p,速度傳感器與流體的溫差為TI-T2=△T,流 體的質量流速為pV。根據L.V King定理,即流體流經加熱的速度傳感器時所帶走的熱量Q,與對速度傳感器加熱到溫度Tl的電功率P相等。得下列關系式:
    Q=[B+A√pV]x(T1-T2)
    P=[B+Ax√pV]x(T1-T2)
    式中,A、B是取決于速度傳感器和流體性質的常數。p為標準狀態下流體的密度。由于橋路的反饋控制作用T1-T2=-AT為一恒定的常數。所以橋路的輸出(決定流量計輸出的量)與流體的質量流速pV成單值函數關系。特別要指出的是由于速度傳感器的熱量是被流體中的分子所帶走的,所以速度傳感器測量的是流體的質量流速pv。因此只要乘以流體管道的截面積S,便可得到流體的質量流量Qm。即Qm=S x pV。
    3.氯氣和氯氣質量流量的測量
    3.1氯氣流量的測量
    3.1.1測量流程圖
    圖2 供氯管理系統示意圖  
   

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    圖2是自來水廠的供氨管路系統示意圖。圖中FZ1和FZ2是廠里原先采用過的轉子流量計的安裝位置,其旁邊的V1和V2是測量氨氣工作壓力的真空壓力表。氨氣是通過預先加滿液態氨的鋼瓶汽化后獲得,然后流經PBF型流量計,測量其流量,再加入半成品的自來水中去的。氨氣在流動管道中是處于負壓狀態的,大約為Pa=60~92kPa的壓力,由于在輸氨氣過程中,鋼瓶內的液態氨重量越來越輕,因此氨氣的工作壓力,也越來越接近大氣壓。也就是說,氨氣的工作壓力是不斷地發生變化的,于是氨氣的密度也是不斷地發生變化的。在這種流體工況不斷變化的情況下,要測得準確的氨氣流量,必須采用PBF型流量計,測量其質量流量。我們認為這樣的流量測量方法才是一種***科學、***合理的流量測量方法。
 
    3.1.2測量結果
    表l是四個液態氨鋼瓶使用后,其重量的減少量的總和(由吊秤稱得)和流量計A、流量計B累積流量總和兩者之間的對比數據記錄。這里用來稱出氨氣重量的吊秤 是一種精度較高的電子吊秤(日產),其精度為±0.1%,因此可作為計量標準。表中的數據表明,流量計測得氨氣的累積流量數據與吊秤稱出的氨氣重量的數據非常接近,而且每次測試得到的兩者之間的比例系數k幾乎是相等的。根據表1中的每次的比例系數k的值,求得它們的平均比例系數為:kp=(0.903+0.905+0.898+0.895+0.904+0.900+0.903+0.902)/8=0.901。比例系數與平均比例系數之間的 ***大誤差max={(0.895-0.901)/0.901)×100%=-0.67%。可見的值是很小的,顯然越小,說明PBF型流量計的測量結果越準確、可靠。

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    圖3 是液態氨鋼瓶的吊瓶稱量減少量總和與兩個流量計累積流量總和的折線比較圖。兩條折線的變化情況非常相似。幾乎是平行的,即在每兩次檢測點之間不相交。為什么兩條折線不能完全重合呢?我們認為,引起這種現象的主要原因是,由于氨氣工況的變化,引起氨氣密度變化所致。一句話,在變化的負壓工況下,質量流量與重量流量是不會完全相等的。

    圖4是安裝在現場PBF型流量計與管理監控室計算機連接.記錄下來的加氨與時間關系曲線圖,這里摘錄的是其中一段時間(Sep.-17-99到Sep-19-99)的記錄曲線.觀察曲線的形狀,我們得到下面3個結論:1)輸出曲線從零流量到工作流量的變化是垂直的矩形脈沖狀。這說明流量計的輸出響應速度是很快的,完全滿足自來水廠加氨工藝的要求。2)工廠的管理者和工程技術人員,隨時可以調用查看某月其日車間的加氨記錄,對車間加氨氨的歷史一目了然。例如,我們可以清楚地了解99年9月8日加氨的情況:上午6:30分開始加氨,流量計A的流量為2.5kg/h,流量計B的流量為2.2kg/h.到8:40分時停止了自氨.直到10:15分又開始加氨......。這樣,既為工程技術人員改善加氨質量提供原始可靠的資料,又有利于萬一出現異常情況時,為工廠管理者分析事故,提供原始可靠的依據。3)由于流量計靈敏度高,檢測微小流量的能力強,記錄曲線可幫助檢查送氨管道是否完全關死。例如,由曲線可知,直到9月18日6:30分加氨之前,還有大約5kg/h×0.01=0.05kg/h的微小流量通過流量計,說明送氨管道沒有關死。可是原使用的某外國公司的“ON/OFF”流量指示器的“NO FLOW”紅燈卻已亮著。轉子流量計的浮子也死死地停在較低位置上。當排除管道上安裝閥門的微漏后,流量計的瞬時指示值才為零顯然。PBF型流量計的靈敏度要比“ON/OFF”流量指示器和轉子流量計的靈敏度高得多。

    3.2氯氣流量的測量
    3.2.1氯氣流量測量的難度
    雖然百分之百的干氯氣,不存在腐蝕性的問題。但由鋼瓶中的液態氯獲得的氯氣卻并非是完全的干氯氣,因此自來水廠中的氯氣是一種相當強的腐蝕性的氣體。其它一些流量計因結構上的原因,無法勝任對氯氣的測量。據反映有的流量計僅使用了三個月左右,就或被腐蝕掉、或顯示誤差大得嚇人,僅當參考流量而己。而PBF型流量計由于結構上的特點,測量腐蝕性氣體,卻是輕而易舉的事。

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    圖1的結構可知,流量計只有傳感探頭保護罩部分接觸腐蝕性氣體,即使保護罩受到輕微的腐蝕也無害于覃內的傳感體的正常工作.更何況保護罩可根據具體氣體的腐蝕類型來選擇適合的防腐材料制造。經過一年多的連續使用,PBF型流量計無任何故障。***近我們拆下一臺流量計.觀察處在氯氣中的傳感探頭,沒有發現它受到腐蝕的任何痕跡,依舊充滿著金屬的光澤一這充分證明了PBF型流量計,是***適臺用來測量各種腐蝕性氣體流量的流量計。

    3.2.2測量流程圖
    圖5是自來水廠的供氯管路系統圖。在8個鋼瓶內.加滿液態氯,液態氯流出鋼瓶后汽化得到氯氣,氯氣流經PBF型流量計,測量其流量,再加入自來水中去。氯氣在管道中流動時,處于可變的負壓工作狀態。所以.質量流量和重量流量.在數值上是不相等的。
    3.2.3測量結果             
    表2是8個鋼瓶液態氯重量的減少量之和(由吊秤稱得)與流量計A、流量計B累積流量的總和的對比數據記錄。表中的數據表明,與氨氣流量測量的情況一樣。流量 計的數據與吊秤稱重值是非常接近的。而且比例系數幾乎是相等的。比例系數的平均值為:k=0.895。比例系數間的***大誤差為max={(O.900.0.895)/0.89s}X 100%=0.56%。由此說明,PBF型流量計的測量結果是準確的,可靠的。
      

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    圖6是液態氯鋼瓶的吊稱減少總量與流量計累積流量的折線比較圖。兩條折線的情況比較與氨氣的情況一樣,非常相似。兩折線不能重合的原因,請參見氨氣一段的分析,這里不再重述。
    圖7是安裝在現場的流量計與管理監控室計算機連接,記錄下來的加氯與時間關系曲線,觀察這兩條記錄曲線,得到的3個結論,也如氨氣的情況一樣。

    4.結束語

    由于加氨加氯量的準確度,對自來水質有很大的影響。筆者認為測量它們的質量流量比測量它們的重量流量更有實質性的意義。而就我國自來水廠目前使用自動化儀表的現狀來說,采用無須溫度、壓力補償就能測量質量流量的;具有輸出電流信號,瞬時流量顯示和累積流量顯示功能的;一體化的PBF型熱式氣體質量流量計來測量氨、氯氣的質量流量,是***佳的設計.這一設計,同樣適臺于對其它腐蝕性氣體的流量測量。


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