1、引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增大，尤其是在夏季電力短缺的現(xiàn)象就更日益突出。為了緩解電力短缺的問題，很多企業(yè)都想出了很多方法，一方面節(jié)約用電，另一方面，有能力的廠家自已發(fā)電解決用電緊張問題。例如污水處理行業(yè)，他們利用在污水處理中產(chǎn)生的沼氣發(fā)電，目前沼氣發(fā)電技術(shù)是在國際上也僅有少數(shù)幾個(gè)國家掌握，國內(nèi)氣體發(fā)電機(jī)組廠家僅有我廠的發(fā)電機(jī)組在高碑店污水處理廠得到了很好的應(yīng)用，高碑店污水廠利用沼氣發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng)，利用余熱回收裝置用于加熱消化污泥使廠的能源消耗達(dá)到了很好的性價(jià)比。機(jī)組自今年3月30日正式使用至今，已累計(jì)連續(xù)運(yùn)行3000余小時(shí)，每天平均發(fā)電1萬kW.h,累計(jì)發(fā)電量約為120萬kW.h,為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)關(guān)注的是效益，關(guān)注的是1m3氣到底能發(fā)出幾度電呢？傳統(tǒng)的計(jì)量的方法有采用渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等，效果都不甚理想。現(xiàn)在我們采用QFM200熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，它的成功運(yùn)用，使長(zhǎng)期困饒我們?cè)谟?jì)量問題上（理論設(shè)計(jì)與實(shí)際消耗相差太大）的難題得到了解決，由于它量程比寬可達(dá)1000：1,這樣我們不同功率的機(jī)組可選用同一中規(guī)格的產(chǎn)品就可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。現(xiàn)就熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)、原理、使用及與其他各款流量計(jì)的性能作一比較。

2、熱式質(zhì)量流量計(jì)與渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等比較

2.1渦街流量計(jì)（氣體）

▲渦街流量計(jì)特點(diǎn)：沒有可移動(dòng)部件、計(jì)量精度高、壓力損失小,檢測(cè)元件不與被測(cè)流體接觸、輸出信號(hào)與流體的溫度、壓力、密度、成分、粘度等參數(shù)無關(guān)。

▲渦街流量計(jì)原理：它是應(yīng)用流體力學(xué)中的卡曼渦街原理來測(cè)量流體流量的。把一個(gè)旋渦發(fā)生體（圓柱體、三角柱等非流線型對(duì)稱體）垂直插在管道中，當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)在旋渦發(fā)生體后方左右兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，形成旋渦列。這兩列旋渦相互形成平行狀，且左右交替出現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)方向相反。旋渦的頻率f(Hz)與流體的平均流速v(/s)及旋渦發(fā)生體的寬度(m)有如下關(guān)系：f=St*V/d(St為斯特勞哈爾系數(shù)，與旋渦發(fā)生體寬度d和流體雷諾數(shù)有關(guān))

▲渦街流量計(jì)的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝也比較方便，它分插入式和管道式兩種。在安裝時(shí)應(yīng)注意流體的流動(dòng)方向應(yīng)同流量計(jì)指示的方向相同。

▲渦街流量計(jì)的缺點(diǎn)：量程比小(15：1)；受震動(dòng)影響大；管道的大小與價(jià)格呈正比；需要溫度壓力補(bǔ)償方可計(jì)量：小量程段不靈敏，不穩(wěn)定，幾乎不可測(cè)量。

2.2超聲波流量計(jì)（氣體）

▲超聲波流量計(jì)特點(diǎn)：沒有壓力損失；安裝簡(jiǎn)單：與流體的溫度、壓力、粘度等本身性質(zhì)無關(guān)：無可動(dòng)部件：可測(cè)量臟污、腐蝕氣體及多組分氣體。

▲超聲波流量計(jì)原理：在管道中測(cè)量測(cè)量順流和逆流方向超聲波的傳播時(shí)間，再經(jīng)過計(jì)算得出流體的流速。流體的流量則可以通過介質(zhì)流速、管徑，以及用雷諾數(shù)對(duì)流體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的校正后得到。

具體來說：在管道中以“Z"型裝一對(duì)超聲波傳感器，兩個(gè)傳感器之間的距離L作為超聲波的傳播行程。超聲波在兩個(gè)傳感器之間的順流和逆流傳播時(shí)間分別表示為：

Ts=L/(C+VcosΘ):Tn=L/(C-VcosΘ)

式中C為聲波在靜止空氣中的速度，它隨氣體性質(zhì)變化的函數(shù)，單位：m/s。V為氣體介質(zhì)流速，單位m/s。日為聲波行程與管道軸線之間的夾角。

▲超聲波流量計(jì)的使用也比較方便。在管道表面以“Z"型安裝，應(yīng)注意應(yīng)把傳感器安裝處打磨光亮并涂敷黃油，用固定裝置把傳感器與管道擰緊即可。

▲超聲波流量計(jì)的缺點(diǎn)：量程比小(15：1)：維護(hù)相對(duì)麻煩：氣體精度高的價(jià)格高：計(jì)量需要溫度、壓力補(bǔ)償；

2.3轉(zhuǎn)子流量計(jì)（氣體）

▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：就地顯示，無須電源：價(jià)格相對(duì)便宜：

它有兩種材質(zhì)，通常用的玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬管質(zhì)量流量計(jì)。就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示皆可，接口有HART、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)、PROFIBUS等形式。

▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的原理：轉(zhuǎn)子流量計(jì)也是一種速度式流量計(jì)。它有兩部分組成，一個(gè)是上大下小的錐形管，另一是放在錐形管中的轉(zhuǎn)子（也稱浮子）。利用流體通過轉(zhuǎn)子與錐形管壁之間的空隙（節(jié)流面積)時(shí)產(chǎn)生的差壓△P來平衡轉(zhuǎn)子的重量。工作時(shí)，被測(cè)流體由錐形管的下端流入，從上端流出。流體對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向上托力的大小F總是等于轉(zhuǎn)子的重量G,即

F=△P*A;G=V*(pt-pf)g

由于F=G故△P*A=V*(pt-pf)g

△P=V*(pt-pf)g/A      (1)

式中V一轉(zhuǎn)子的體積；A一轉(zhuǎn)子的zui大截面積；g一當(dāng)?shù)氐闹丶铀俣龋簆t-pf分別為轉(zhuǎn)子材質(zhì)和被測(cè)流體的密度：△P為轉(zhuǎn)子垂直方向上下流體的壓差。有式(1)可知，在整個(gè)工作過程中，壓差保持不變。在流量增加時(shí)，當(dāng)然通過節(jié)流面積的流速也增加，只有增大節(jié)流面積，減低流速，以維持壓差△P不變。故根據(jù)轉(zhuǎn)子的平衡位置的高低就能讀出流量的大小。可用式(2)表示

Q=k*h(2△P/pf)1/2     (2)

式中k一為儀表常數(shù)：h一為轉(zhuǎn)子浮起的高度。將式(1)代入可得

Q=k*h (2gV (pt-pf)/(pf*A))1/2

▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的使用比較方便，安裝時(shí)擰緊相應(yīng)的螺栓就可以了，但應(yīng)注意流體的流動(dòng)的方向一定垂直向上。

▲轉(zhuǎn)子流量計(jì)的缺點(diǎn)：量程比小10：1：壓力損失相對(duì)大：污物易堵塞；安裝維護(hù)相對(duì)復(fù)雜：

受震動(dòng)影響大：需要溫度、壓力補(bǔ)償?shù)龋汗軓酱笮∨c價(jià)格呈正比，一般在DN200以下。

2.4、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)

▲熱式質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)：量程比寬可達(dá)1000：1；小量程段靈敏：不受溫度、壓力影響，直接測(cè)量氣體的質(zhì)量；壓力損失可忽略：可實(shí)現(xiàn)大口徑小流量高精度測(cè)量；價(jià)格與管道的大小相差不大：高精度可達(dá)1%；溫度范圍寬可達(dá)-70℃~450℃：對(duì)粉塵、顆粒物不敏感。

▲熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理：它是基于熱擴(kuò)散原理的流量計(jì)。通俗的說，放在流體中的熱源，在流體經(jīng)過它時(shí)，熱源本身的熱量將會(huì)損失，流體的質(zhì)量流量越大，熱源損失的熱量越大。這樣流體的流量與熱源損失的熱量在理想的情況下應(yīng)相等。故知道了熱量的大小，我們就可以得出流體的流量。

具體對(duì)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱熱式流量計(jì)）實(shí)現(xiàn)來說，就是：熱式流量計(jì)的探頭有兩個(gè)探針，其中一只是參考點(diǎn)，用來測(cè)量流體的溫度：另一只是加熱源，用來充當(dāng)熱源。根據(jù)前述我們可有下式(3)

P/△T=A+B*(Q)m       (3)

式中P一為電子模塊為加熱源提供的功率；△T一為加熱源與參考點(diǎn)之間的溫差；A、B、一為與流體本身性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；一為與流體本身性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)系數(shù)：Q一為流體的質(zhì)量流量。從式(3)我們可以看出，實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量有兩種方法：P固定就是恒功率法：△T固定就是恒溫差法。通常我們都采用恒溫差法測(cè)量，恒溫差法特點(diǎn)：小量程段特靈敏，反應(yīng)速度也快，目前市場(chǎng)上流通的產(chǎn)品皆是采用此法。

▲熱式質(zhì)量流量計(jì)使用、安裝比較方便，它有插入式、管道式兩種形式。無論是插入式還是管道式，維護(hù)、操作極為簡(jiǎn)單，安裝時(shí)應(yīng)注意流體方向應(yīng)同熱式流量計(jì)指示的方向相同。

▲熱式質(zhì)量流量計(jì)的缺點(diǎn)：不適宜安裝在粘度大的環(huán)境中安裝：不適宜安裝在水珠含量在40%以上的場(chǎng)所。

3、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在氣體發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

整個(gè)系統(tǒng)是按照上圖安裝設(shè)計(jì)的，發(fā)電機(jī)組對(duì)氣源的壓力、組分要求不高，就高碑店污水處理廠而言，沼氣的壓力為氣源壓力2KP,溫度常溫，沼氣脫硫后的成分比：

H2S0.653%C0233.7%CH462.3%O20.47%H20.063%N21.46%

由于成分復(fù)雜，氣源壓力不大，以前采用傳統(tǒng)的流量計(jì)都達(dá)不到我們?cè)O(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)過我們對(duì)傳統(tǒng)流量計(jì)的性能研究后得出的結(jié)論：在測(cè)量組分復(fù)雜，壓力不大的工況條件，傳統(tǒng)的流量計(jì)由于本身的局限性，己無法測(cè)量。因而，經(jīng)過我們調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)完全符合我們的工況條件應(yīng)用。我們采用質(zhì)量流量計(jì)QFM200插入式，流速范圍：0.05~120m/s。在安裝時(shí)在DN150管道上鉆一個(gè)￠20的口，然后焊上一個(gè)M27X1.5的內(nèi)螺紋底座，把帶有鎖緊接頭的QFM200擰入底座中就可以了。安裝也非常方便。由于它輸出的標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，可以直接接入計(jì)算機(jī)的采集卡，依靠專用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的綜合管理，使我們的能源損耗和電能產(chǎn)出有了一個(gè)準(zhǔn)確計(jì)算依據(jù)。

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)：

儀表為QFM200熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，燃?xì)鈮毫?kPa,環(huán)境溫度為33℃，空氣相對(duì)濕度50%。燃?xì)夤軓溅?50。流量計(jì)測(cè)量值為燃?xì)饬魉賁(/s),流量值為計(jì)算值。

計(jì)算公式為：Q=S×nR2×3600,R為管徑0.075m。

流量計(jì)所測(cè)量的流速值是按空氣成分進(jìn)行標(biāo)定的，當(dāng)氣體成份發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正。沼氣組分如下：

成分H2SCO2CH4O2H2N2

百分比%0.65333.762.30.470.0631.46

修正公式：1/Fmix=V1/F1+V2/F2+..Vn/Fn

其中：Fmix為修正系數(shù)，F(xiàn)n為各組分的系數(shù)，Vn為百分比。

各組分系數(shù)如下：

H2S CO2 CH4 02 H2 N2

系數(shù)0.9330.7950.8230.9461.0190.946

經(jīng)以上公式計(jì)算可知：修正系數(shù)為0.827。

從以上計(jì)算可以看出：機(jī)組在450kW時(shí)氣耗率為1.97kW/m3。