CN107990945A - 一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，包括外套管、内套管、第一多孔板、温度传感器、速度传感器以及信号变送器；第一多孔板设置在外套管内，且第一多孔板所在平面与外套管的轴向垂直；内套管设置在外套管内，内套管一端为上端口、另一端为下端口，内套管的下端口穿过第一多孔板；温度传感器和速度传感器安装在内套管内，温度传感器和速度传感器均与信号变送器连接。本发明尤其适用于DN100以上大口径管道不均匀流场的气体流量测量，具有灵敏度高、精确度高、量程比宽、节流损失小等显著优势，同时对于测量气体中存在部分组份遇冷会冷凝、结晶等问题场合，也能适用。

Description

一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计
技术领域
本发明涉及一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，属气体流量测量技术领域。
背景技术
气体流量是工业生产过程、科学实验计量的重要参数，流量计是一种对气体流量进行计量和测试的工具。气体流量测量是能源计量的重要组成部分，对于保证产品质量、提高生产效率、节约能源、促进科技发展都具有很重要的作用。
气体流量测量非常依赖于应用条件，影响因素包括气体种类、流动状况以及现场应用工况条件等。在实验室，流量计可以获得极高的精度，但现场应用一旦气体条件或环境条件有大的变化，不仅精度无法保证，甚至无法进行正常使用，例如大口径管道内气体流量测量还存在较多问题，在大口径管道内气体流速分布不均，单点测量不具有代表性，导致测量值与实际值偏差过大。
常见的气体流量计按原理分类，大致可分为差压式流量计、热式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声波流量计等。其中，以差压式流量计的应用最为广泛，具体的结构型式也较多。
节流孔板流量计是差压式流量计中常见的一种，其利用流体流经节流孔板时产生的静压差作为一次测量信号，由引压管引出，经差压变送器转换成电信号，再经组态转换成对应的流量值显示。节流孔板一般分单孔设计和多孔设计，多孔节流孔板对测量气体的均匀性要求相对较低，即对测量截面上游的直管段要求较短。
多孔板气体流量计由于其对不均匀流场的适应性较强，在工业生产中正扮演着越来越重要的角色。多孔板气体流量计基于节流原理设计，为保证其准确度，设计足够的差压非常必要，但在工业上某些工艺要求下并不允许，同时节流损失过大，运行也不经济。此外，多孔板气体流量计提供的一次差压信号与流速的平方成正比，当流速下降时，一次差压信号大幅减小，因此难以兼顾宽量程比设计和低压损设计。
包括多孔板气体流量计在内的差压式流量计，均须把测量的一次差压信号经引压管引出至差压变送器上，对于测量气体部分组份存在冷凝、结晶等现象时，很容易造成引压管堵塞，进而导致流量计无法正常使用。
虽然传统多孔板气体流量计在不均匀流场的气体流量测量领域具有优势，但也不是所有工况条件下都适用，如上述所提及的工艺要求不允许过大的节流损失以及测量气体部分组份存在冷凝、结晶等现象。针对这些测量难点，热式气体流量计可以部分甚至完全克服，但又不具备对不均匀流场的良好适应能力。
热式气体流量计基于热扩散原理设计，其典型传感元件包括两个热电阻，一个是速度传感器，另一个是用于自动补偿气体温度变化的温度传感器。当两个热电阻置于被测气体中时，速度传感器被加热到环境温度以上的一个恒定温度，相应气体流量是通过其热传递量计算的。气体流速增加，所带走的热量增加，为了使流速传感器维持在恒定的温度，则必须增加通过传感器的工作电流，其增加的电流与气体的流速成正比。
热式气体流量计所造成的流动阻力损失较小，且量程比较宽，可测量流速较低的气体流量。此外，热式气体流量计可测温度高达500℃的气体流量，其电信号产生的核心部件置于热气体中，能避免某些应用工况下使用差压式流量计存在的冷凝、结晶等问题。
综上，气体流量的准确可靠测量，需根据应用条件针对性设计才能获取。各种气体流量测量技术均有其适用的环境，有其优点，也有其缺点。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，克服大口径管道内气体流量测量面临的低流速、流场不均匀等难点，以及还可能存在的测量气体中部分组份遇冷发生冷凝、结晶的难点，本发明提供一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，包括外套管、内套管、第一多孔板、温度传感器、速度传感器以及信号变送器；第一多孔板设置在外套管内，且第一多孔板所在平面与外套管的轴向垂直；内套管设置在外套管内，内套管一端为上端口、另一端为下端口，内套管的下端口穿过第一多孔板；温度传感器和速度传感器安装在内套管内，温度传感器和速度传感器均与信号变送器连接。
本申请应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，呈套管结构，优选，第一多孔板所在平面与气体流通截面平行，内套管的长度方向与气体流动方向平行。内套管有两端，分别定义为上端口和下端口，内套管的上端口和下端口分别位于第一多孔板的上游和下游；内套管的下端口穿过第一多孔板，也即内套管穿过第一多孔板，且第一多孔板位于内套管的上端口和下端口之间。
本申请上游和下游指所测气体沿着外套管流动方向的上游和下游。上游到下游的方向与上端口到下端口的方向一致。
采用上述技术方案，外套管内流通测量气体，测量气体流经第一多孔板，产生节流损失，上游和下游之间产生静压差，驱使内套管内气体流速加大，速度传感器获得更大的一次测量信号，且信号强弱反映外套管整个流通截面的平均流速大小。
本发明流量计经实验室标准流量计进行标定，获得速度传感器和温度传感器一次测量信号与气体流量之间的换算关系式，在信号变送器中，一次信号进行计算处理与传送或直接显示。
为了提高测量的准确性，温度传感器和速度传感器安装在内套管内的下端口；信号变送器设在外套管外。
为了进一步提高测量的准确性，速度传感器上游内套管长度与直径或当量直径的比值大于10。
优选，内套管流通截面小于外套管流通截面的1/10。从而易于保证速度传感器上游的内套管长度与直径或当量直径的比值大于10，进而提高速度传感器一次测量信号的准确性。
进一步优选，速度传感器上游内套管长度与直径或当量直径的比值大于15。
为了提高本发明流量计测量的准确性，内套管的上端口上设有流线型或锥型的封端帽，与封端帽相接的内套管上设有一个以上的进气口。
为了加强结构的稳定性，优选，应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，还包括第二多孔板，第二多孔板设在第一多孔板的下游，与第一多孔板平行布置；内套管的下端口同时穿过第一多孔板和第二孔板。
为了提高流量测量的准确性，优选，第二多孔板与内套管的下端口距离大于内套管直径或当量直径的5倍。
优选，第一多孔板和第二多孔板上设置的通孔数量均大于10个，沿周向均匀布置。
优选，外套管和内套管均为圆管，两者同轴布置。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，尤其适用于DN100以上大口径管道不均匀流场的气体流量测量，具有灵敏度高、精确度高、量程比宽、节流损失小等显著优势，同时还能保证全程高温测量，从高温气体处直接传送电信号给外部低温处的信号变送器，对于测量气体中存在部分组份遇冷会冷凝、结晶等问题场合，也能适用。
附图说明
图1为本发明实施例1结构特征的主视图。
图2为本发明实施例1结构特征的右视图。
图3为本发明实施例2结构特征的主视图。
图4为本发明实施例2结构特征的右视图。
图5为本发明实施例3结构特征的主视图。
图6为本发明实施例3结构特征的右视图。
图中，1为外套管，2为内套管，3为第一多孔板，4为温度传感器，5为速度传感器，6为信号变送器，7为第二多孔板，8为内套管上端口，9为内套管下端口。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
600MW等级燃煤机组采用SCR脱硝工艺，以液氨作为还原剂，采用常温空气稀释为5％以下的混合气体，为克服流动阻力，输送管路系统配备稀释风机。脱硝系统进行分区喷氨改造，需实测各分区分配混合气体流量，但由于稀释风机压头提升幅度有限、改造空间有限，各分区母管(公径DN250)流量测量截面上流速较低且分布不均匀，测量难度较大。
采用如图1-2所示的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，包括外套管、内套管、第一多孔板、温度传感器、速度传感器以及信号变送器；第一多孔板设置在外套管内，且第一多孔板所在平面与外套管的轴向垂直；内套管设置在外套管内，内套管一端为上端口、另一端为下端口，内套管的下端口穿过第一多孔板；外套管和内套管均为圆管，两者同轴布置；温度传感器和速度传感器安装在内套管内的下端口，温度传感器和速度传感器均与信号变送器连接；速度传感器上游内套管长度与直径或当量直径的比值大于15，内套管流通截面小于外套管流通截面的1/10；第一多孔板上设置的通孔数量均大于10个，沿周向均匀布置。
上述流量计使用时，测量气体流经第一多孔板，产生节流损失，上游和下游之间产生静压差，驱使内套管内气体流速加大，速度传感器获得更大的一次测量信号，信号强弱反映外套管整个流通截面的平均流速大小，具有灵敏度高、精确度高、量程比宽、节流损失小等显著优势，能准确获取各分区分配混合气体流量。
实施例2
1000MW等级燃煤机组采用SCR脱硝工艺，以尿素作为还原剂，采用热解法制氨，以300℃左右的热一次风作为稀释风，把氨气浓度稀释至5％以下。脱硝系统进行分区喷氨改造，需实测各分区分配混合气体流量，但改造空间受限，各分区母管(公径DN250)流量测量截面上流速分布不均匀，同时还存在遇冷尿素冷凝、结晶的问题。根据尿素的特性，尿素在160℃以上不稳定，发生分解，但分解后的NH3与CO2在200℃以下又会合成尿素，沉积在管道内，因此所有差压式流量计均不适用。
尿素热解法制氨工艺流程是：尿素粉末储存于储仓，由螺旋给料机输送到溶解罐里，用去离子水将干尿素溶解成40％～50％质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液给料泵输送到尿素溶液储罐；尿素溶液经由供液泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入热解室内分解，生成NH3、H2O和CO2；分解产物与稀释空气(一般使用热一次风或热二次风或冷空气加热，温度300℃左右)混合后进入SCR喷氨系统。
为解决上述问题，所用流量计如图3-4所示，与实施例1中所用流量计基本相同，所不同的是：内套管的上端口上设有流线型的封端帽，与封端帽相接的内套管上设有一个以上的进气口。上述测量装置能避免因冷凝、结晶引起的堵塞问题，可长期稳定使用；相对于实施例1，由于采用了封端帽设计，测量值的精度更高。
实施例3
300MW等级燃煤机组采用SCR脱硝工艺，以尿素作为还原剂，采用水解法制氨，以300℃左右的热一次风作为稀释风，把氨气浓度稀释至5％以下。脱硝系统进行分区喷氨改造，需实测各分区分配混合气体流量，但改造空间受限，各分区母管流量测量截面上流速分布不均匀，同时还存在遇冷尿素冷凝、结晶的问题。根据尿素的特性，尿素在160℃以上不稳定，发生分解，但分解后的NH3与CO2在200℃以下又会合成尿素，沉积在管道内，因此所有差压式流量计均不适用。
尿素水解法制氨工艺流程是：将尿素颗粒送入尿素溶解槽，用水解器出来的液体进行溶解，不足时用除盐水补充，将干尿素溶解成40％～50％浓度的尿素溶液，然后用泵送入尿素水解器，尿素水解器采用2.5MPa左右的蒸汽进行直接加热，尿素在水解器内水解为NH3、H2O和CO2。水解器出口混合气体温度在190℃左右，混合物中气体氨成分为25％～35％(体积比)，混合气体减压到0.3MPa左右进入缓冲罐，作为脱硝的氨源，然后再进入到氨/空(热空气)混合器中稀释至一定5％左右浓度后进入SCR喷氨系统。
为解决上述问题，所用流量计如图5-6所示，与实施例1中所用流量计基本相同，所不同的是：内套管的上端口上设有锥型的封端帽，与封端帽相接的内套管上设有一个以上的进气口，流量计还包括第二多孔板，第二多孔板设在第一多孔板的下游，与第一多孔板平行布置；内套管的下端口同时穿过第一多孔板和第二孔板；第二多孔板与内套管的下端口距离大于内套管直径或当量直径的5倍；第一多孔板和第二多孔板上设置的通孔数量均大于10个，沿周向均匀布置，这样不仅进一步增强了流量计的结构稳定性，且提高了测量的准确性，防止了因冷凝、结晶引起的堵塞问题，且具有灵敏度高、精确度高、量程比宽、节流损失小等显著优势，同时还能保证全程高温测量，从高温气体处直接传送电信号给外部低温处的信号变送器。

Claims (10)

1.一种应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：包括外套管、内套管、第一多孔板、温度传感器、速度传感器以及信号变送器；第一多孔板设置在外套管内，且第一多孔板所在平面与外套管的轴向垂直；内套管设置在外套管内，内套管一端为上端口、另一端为下端口，内套管的下端口穿过第一多孔板；温度传感器和速度传感器安装在内套管内，温度传感器和速度传感器均与信号变送器连接。
2.如权利要求1所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：温度传感器和速度传感器安装在内套管内的下端口；信号变送器设在外套管外。
3.如权利要求1或2所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：速度传感器上游内套管长度与直径或当量直径的比值大于10。
4.如权利要求3所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：内套管流通截面小于外套管流通截面的1/10。
5.如权利要求3所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：速度传感器上游内套管长度与直径或当量直径的比值大于15。
6.如权利要求1或2所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：内套管的上端口上设有流线型或锥型的封端帽，与封端帽相接的内套管上设有一个以上的进气口。
7.如权利要求1或2所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：还包括第二多孔板，第二多孔板设在第一多孔板的下游，与第一多孔板平行布置；内套管的下端口同时穿过第一多孔板和第二孔板。
8.如权利要求7所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：第二多孔板与内套管的下端口距离大于内套管直径或当量直径的5倍。
9.如权利要求7所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：第一多孔板和第二多孔板上设置的通孔数量均大于10个，沿周向均匀布置。
10.如权利要求1或2所述的应用于不均匀流场的热式多孔板气体流量计，其特征在于：外套管和内套管均为圆管，两者同轴布置。
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