热式质量流量计在空压站房改造中的运用

罗 尧 何维廉 朱 财

（1.上海交通大学，上海200030；2.阿特拉斯·科普柯（上海）贸易有限公司，上海200000）

引言

气体质量流量计可以对气体的质量流量进行精密测量和控制。它在多个领域的科研和生产中有着重要而广泛的运用；本次要介绍一种热式质量流量计，它具有精度高，重复性好，响应速度快，软启动，稳定可靠，工作压力范围宽等特点。操作使用起来方便，可以任意位置安装，配合流量显示仪或其他流量控制显示仪使用，相对其他流量计来说，热式质量流量计能胜任大流量和高温介质的测量工作要求。

1 热式质量流量计测量原理及流量计算

热式质量流量计是利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量的仪表，目前主要用于测量气体。热式质量流量计一般根据测量方式不一样分为两种：一是利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布式流量计；另外一种是利用冷却效应的金氏定律，又由于结构上监测元件伸入测量管内，也称为插入型或侵入型。后一种的流量计算如下：

如图1所示，插入式热式气体质量流量计由两个电阻温度计组成传感器，一个测温探头，感受流体温度T2；另一个电阻温度计由电路加热到温度T1，用来测量流体带走的热量变化，亦称测速探头。T1高于T2，并保持ΔT恒定，即ΔT＝T1－T2。当流体流经传感器时，由于测速探头的自身温度T1高于测温探头感受的温度即流体温度T2，流体便带走了测速探头上的一部分热量（高温向低温传递），使T1下降。电路为保持ΔT恒定，便增加对测速探头的加热功率，使ΔT＝T1－T2恒定。流体带走测速探头上多少热量，电路便增加相应数量的电功率，两者之间存在着一个函数关系［1］。设对测速探头的加热功率为P，流体的质量流量为Q，则根据流体流过测速探头时所带走的热量与对测速探头的加热功率相对应的原理，得到下列关系式：

（注：式中B、A为常数）

可以从式（1）中看出P与Q具有一定的关系，因此，可以通过测量加热功率P，来测量带走这部分热量的流体的质量流量。由于带走着部分热量的是流体的分子，所以，测速探头直接测量的是流体的质量流速ρν，此时，只要乘上管道的横截面积，就可以得到流体的质量流量了。由于气体流过探头时带走热量和气体的质量流量成比例关系，也和探头间温差有关，流量越大，两探头之间温差越小，气体质量流量与温差之间的联系通过质量流速ρν建立［1］

式中：Qm—质量流量，kg/s；

Κv—测量头仪表系数；

α—速度分布系数；

β—阻塞系数；

γ—干扰系数；

Α—仪表表体（测量管道）的内横截面积，m2；

ρν—质量流速，kg/（m2·S）。

图1 热式质量流量计测量原理Fig.1 Measuring Principle of Thermal Mass Flowmeter

2 空压站房设备情况和问题介绍

本次改造工程是某一电解铝厂内空压站房，站房压缩空气运用在氧化铝各个生产环节，例如：氧化铝粉末吹送，真空出铝抬包，部分仪表供气等；由于站房内的设备使用年限已经超过了15年，机组存在漏油、漏气等现象，相对于设备运转初期，由于机组效率持续下降，导致产气量不足，已经给生产过程造成严重影响；本次改造共涉及两个空压站房，站房一中有一台某国产单轴离心空气压缩机，站房二中有三台某国产活塞空气压缩机。

表1 各空压机的铭牌主要参数Table1 Main Parameters of the Compressor Nameplate

在改造前期，由于生产厂无法较准确估计实际用气量大小，同时由于设备运行时间过长，效率下降，直接按照老机组铭牌额定气量来进行升级改造，可能会造成新机组选用过大，增加不必要的初期投资和运行成本，所以，建议生产厂对每台压缩机的流量进行测量。但是，在实际测量过程中，由于活塞压缩机的排气温度超过150摄氏度，第一次采用板孔式流量计测量时，由于流量计橡胶圈无法耐高温，导致流量测量失败。

3 质量流量计选型

由于第一次采用板孔流量计测量方案失败，考虑到现场实际使用情况，第二次采用热式质量流量计方案，本次采用的是TY－I热式气体质量流量计，它采用热扩散原理，即流过热源的流体分子多少与热量散失的多少成正比。产品使用进口原装传感器，在流体测量方面拥有独特的特点，能够在恶劣的条件下对气体进行测量，在可靠性、重复性和精确性方面设立了新的标准，并能够在危险的地区安装使用。根据现场工况，特选用以下两种仪表，选型数据如下：

表2 空压机流量测试选用仪表Table2 Instruments for the Compressor flow test

4 流量计的安装与测量

经过与流量计厂家沟通，流量计的安装主要要注意两个问题：一个是对仪表前后的直管段的要求，按照流量计厂家建议，如图2所示，L至少为8D，其中D为管路直径，流量计安装位置前直管段长度不少于5D，后直管段长度不少于3D；经过现场尺寸测量，4台空气压缩机的排气管路上都有合适的位置和开孔供热式质量流量计安装；另外一个问题是安装时要注意流量计探头的插入深度不少于25mm，如图3所示，改尺寸为仪表厂家建议深度；仪表按照安装要求被正确安装以后，接通仪表电源；做前期调试校核以后进行满负荷开机测量。

图2 质量流量计安装位置Fig.2 Installation location for Mass flowmeter

图3 质量流量计安装深度Fig.3 Installation depth for Mass flowmeter

由于流量计出厂时是采用氮气标定，质量流量的单位规定为标准立方每分钟，标准状态规定为：温度0摄氏度；气压为101325Pa，在对空气流量进行测量以后需要通过气体质量流量转换系数进行换算，将质量控制器显示出的流量读数，乘以转换系数1.006，即可得到被测气体在标准状态下的质量流量。空压机单台测试数据如下：

5 新型空压机的选型

从以上测试数据可知空压站在满负荷时的总最大流量为：Q＝207.5＋55.3＊3＝373.5Nm3/min；考虑在测试过程中的偏差，在此气量的基础上乘以5%的系数得到最终的总气量为393Nm3/min，压力采用5.5barA.所以可以选用两台额定气量220 Nm3/min，额定排气压力为5.5barA的多轴离心空压机作为替代机型。

表3 流量计测试数据Table3 Flowmeter tests data

多轴离心式空气压缩机整机效率高，适合大气量，低、中压工况。用户现场为6KV电压，按照电费每度0.6元计算一年电费运行成本：

表4 运行成本分析Table4 Operation costs analysis

由此可见一年运行下来，新的多轴离心空压机将节省电费412万元，那么也就意味着一年之后即可收回此次投资成本。

6 结语

本文讨论了热式质量流量计的工作原理，安装，选型，测量过程中的问题，结合流量测量对空压站房的设备升级工程做了分析，通过运行费用对比，我们可知多轴离心式空压机在此类空压站房升级改造工程中具有良好的经济效益。

［1］ 林晓毅.插入式热式气体质量流量计在环保领域中的应用.医药工程设计，2012（2）.