摘要：某冶(ye)煉企業每(mei)年用氧氣(qi)量約4億立(li)方米，流量(liang)計量稍有(you)⁉️偏差，每年(nian)可能造成(cheng)上百萬的(de)損失。故對(dui)幾種可應(ying)用于大口(kou)徑管道氣(qi)體流量計(ji) 進行了對(dui)比分析，發(fa)現 平衡流(liu)量計 有良(liang)好的正确(que)率和穩定(ding)性，項目最(zui)終采用了(le)平衡流量(liang)計作爲貿(mao)易計量器(qi)具。
國内冶(ye)煉企業配(pei)套空分項(xiang)目大多是(shi)企業内部(bu)運營管理(li)。随着🐅制氧(yang)技術的發(fa)展和人力(li)物力成本(ben)的上升，冶(ye)煉🌂企業🔞越(yue)來越傾向(xiang)于将制氧(yang)系統通過(guo)BOO(Building-Owning-Operation)的方式交(jiao)給專業✉️團(tuan)隊來建設(she)運營，再通(tong)過購買氣(qi)體的方式(shi)獲得氧氣(qi)，這就涉及(ji)到供氣方(fang)與用氣方(fang)之💃🏻間的貿(mao)易計量。企(qi)業正常生(sheng)産時對純(chun)度爲99．6%的高(gao)純🙇‍♀️氧需量(liang)爲47000Nm3/h，最大需(xu)量爲54000Nm3/h，最小(xiao)需量爲10000Nm3/h，氧(yang)氣輸送管(guan)道🐆通徑達(da)1200mm。通過對杭(hang)氧等國内(nei)空分廠家(jia)調查發現(xian)，其⚽計量儀(yi)表多采用(yong) 标準孔闆(pan)流量計 ，少(shao)量采用巴(ba)類等均速(su)管流量計(ji)。而法國液(ye)化空氣、德(de)國林德等(deng)國外廠家(jia)中熱式氣(qi)體質量流(liu)量計也廣(guang)泛📞使用，并(bing)開始嘗🏃‍♂️試(shi)使用新型(xing)平衡流量(liang)計用于貿(mao)易結算。
　　雖(sui)然巴類流(liu)量計采用(yong)的子彈頭(tou)截面傳感(gan)器，實驗室(shi)測量精度(du)提高到0．72%，但(dan)工業現場(chang)影響其測(ce)量精度的(de)因素過多(duo)，此處隻對(dui)标準孔闆(pan)流量計、熱(re)式氣體質(zhi)量流量計(ji)和平衡流(liu)💋量計進❄️行(hang)比較。
1流量(liang)計的特點(dian)
1．1标準孔闆(pan)流量計
　　标(biao)準孔闆流(liu)量計是一(yi)種廣泛使(shi)用的流量(liang)計，孔闆的(de)特⛱️征尺🈲寸(cun)🎯和加工工(gong)藝按照國(guo)家标準GB/T2624．2-2006執(zhi)行，檢定按(an)JJG640-2016執行。标準(zhun)孔闆流量(liang)計的優點(dian)是制造簡(jian)單，一般🎯不(bu)需要🚶實流(liu)标定就可(ke)直接投入(ru)使用。缺點(dian)較多，标準(zhun)孔闆有☀️一(yi)個銳角，長(zhang)期使用存(cun)在“銳角磨(mo)損”問題，測(ce)量精度随(sui)🍉時間推移(yi)越來越低(di)。其次計量(liang)院對标準(zhun)孔闆一般(ban)采用物理(li)檢定，也就(jiu)是測量幾(ji)何尺寸和(he)銳角偏差(cha)，有特✊殊要(yao)求時才用(yong)水💛進行實(shi)流檢定，測(ce)量誤差在(zai)±(1%～5%)之間。同🌈時(shi)标準孔闆(pan)壓損🈲大，量(liang)程比小(爲(wei)3∶1)，安裝要求(qiu)直管段滿(man)足前10D後5D［1］。

　　盡(jin)管标準孔(kong)闆有如此(ci)多的缺點(dian)，但其制造(zao)、檢定過程(cheng)均💃🏻按國家(jia)❤️标準執行(hang)，故在貿易(yi)計量中仍(reng)被大量❓使(shi)用。要求量(liang)程比至少(shao)達到6∶1，标準(zhun)孔闆流量(liang)計無法滿(man)足使用要(yao)求。
1．2熱式氣(qi)體質量流(liu)量計
　　熱式(shi)氣體質量(liang)流量計 是(shi)基于金氏(shi)定律的一(yi)種插入式(shi)流量計，适(shi)合大管道(dao)💚流體測量(liang)，FCI、Sierra、Kurz這3個品牌(pai)的熱式氣(qi)體質量流(liu)量計已有(you)幾十年的(de)曆史。熱式(shi)氣體質量(liang)流量計理(li)論模型爲(wei):
H=ΔTCpM(1)
式中
Cp———定壓(ya)比熱容，與(yu)氣體種類(lei)有關;
H———加熱(re)電功率;
M———質(zhi)量流量;
ΔT———兩(liang)個探頭的(de)溫差。
　　式(1)可(ke)以引出兩(liang)種類型的(de)産品:恒溫(wen)差型和恒(heng)功率型✔️。兩(liang)類傳感器(qi)都由兩個(ge)并排的 熱(re)電阻 組成(cheng)，其中一個(ge)普通熱電(dian)阻測量管(guan)道内氣體(ti)的溫度☎️，另(ling)一個熱電(dian)阻帶加熱(re)絲由電流(liu)進行加熱(re)，當氣體流(liu)經熱電阻(zu)，就會有冷(leng)卻效應帶(dai)走熱量。由(you)式(1)可知，對(dui)于恒溫差(cha)型流量計(ji)溫差ΔT恒定(ding)，當質量流(liu)量M增加時(shi)，冷卻效應(ying)就增加，爲(wei)保持🔆兩個(ge)熱電阻的(de)溫差⁉️恒定(ding)所需的加(jia)熱功率H增(zeng)加，而加在(zai)加熱電阻(zu)上的功率(lü)H與質量流(liu)量M成正比(bi)，測量功率(lü)H的大小可(ke)🛀以計算出(chu)流過管道(dao)的氣體質(zhi)量。對于恒(heng)功率型，加(jia)在加☀️熱電(dian)阻上的功(gong)率H始終保(bao)持恒定，在(zai)介⭐質靜止(zhi)時溫差最(zui)大，随着介(jie)質流動⭐溫(wen)差減小，溫(wen)差ΔT與質量(liang)流量M成反(fan)比，通過測(ce)量溫差的(de)🛀🏻變化來獲(huo)取流🈲量的(de)變化［2］。恒溫(wen)差型響應(ying)速度快，在(zai)流速低到(dao)0．1Nm/s時都能保(bao)持很☂️好的(de)🌈線性，随着(zhe)速度增大(da)，精度降低(di)。而恒功率(lü)型适合高(gao)速介質，流(liu)速高達400Nm/s以(yi)上還可測(ce)量👅，但兩種(zhong)類型的熱(re)式流量計(ji)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻對于導熱(re)性極好的(de)氫氣等介(jie)質都🌐不适(shi)用。
熱式氣(qi)體質量流(liu)量計測量(liang)的是質量(liang)流量，無需(xu)溫壓補償(chang)，響♊應快［3］，高(gao)性能型号(hao)實驗室測(ce)量誤差爲(wei)±0．1%ＲS±0．5%FS，在要求高(gao)精🔞度時多(duo)采用網✏️格(ge)法來确認(ren)安裝的最(zui)佳插入深(shen)度，同時😄可(ke)在管道同(tong)一截面不(bu)同位置安(an)裝💛多支傳(chuan)感器取平(ping)均值作爲(wei)最終流體(ti)流量，現在(zai)FCI某系列的(de)流量計上(shang)帶有2～3對傳(chuan)感器。
1．3平衡(heng)流量計
　　A+K平(ping)衡流量計(ji)最早是NASA針(zhen)對航天飛(fei)機的主發(fa)動機液💃🏻氧(yang)測量而發(fa)明的一種(zhong)流量計。它(ta)相當于一(yi)個帶整流(liu)器😘的多孔(kong)孔闆，每個(ge)孔🆚的尺寸(cun)和分布基(ji)于獨特的(de)公式和測(ce)試數據定(ding)制，數量一(yi)般爲4～26個，開(kai)孔數量📧、分(fen)布及大小(xiao)等參數❄️都(dou)在美國計(ji)算，國内按(an)照計算結(jie)果加工制(zhi)作。當流體(ti)從多個孔(kong)中流過時(shi)，渦流明顯(xian)減少，形成(cheng)🈲的🙇‍♀️是平衡(heng)穩定的流(liu)場，通過取(qu)壓🚩裝置🤟可(ke)獲得穩定(ding)的壓差信(xin)号，根據伯(bo)努利方程(cheng)計算出體(ti)積流量，溫(wen)壓補償後(hou)得到最終(zhong)流量。常規(gui)量程比爲(wei)10∶1～7∶1，最大可以(yi)做到30∶1，無銳(rui)角，可雙💃🏻向(xiang)測量，永久(jiu)壓👄力損失(shi)爲标準孔(kong)闆的1/3～1/2，由于(yu)降低了渦(wo)流、振動和(he)信号噪聲(sheng)，流場穩定(ding)，測量精度(du)比标準孔(kong)闆流量計(ji)高5～10倍，穩定(ding)性更好［4］。缺(que)點是爲非(fei)标産品。爲(wei)🈲保證現場(chang)測量精度(du)和便于計(ji)量院檢定(ding)，一般采用(yong)👣管道式平(ping)衡流量計(ji)，質量大，安(an)裝🙇‍♀️運輸🔞不(bu)方便。
2流量(liang)計檢定
2．1标(biao)準孔闆流(liu)量計
　　标準(zhun)孔闆流量(liang)計的檢定(ding)在第1．1節已(yi)提及，此處(chu)不再贅述(shu)。
2．2熱式氣體(ti)質量流量(liang)計
　　熱式氣(qi)體質量流(liu)量計出廠(chang)時要進行(hang)實溫實壓(ya)實流标定(ding)，可溯源到(dao)NIST。目前隻有(you)美國本土(tu)有實流标(biao)定實驗室(shi)。在㊙️國内省(sheng)級♊計量院(yuan)一般進行(hang)N2、O2、CO及NO等接近(jin)理想氣體(ti)雙原子氣(qi)體檢🔆定時(shi)，不💚進行實(shi)流檢定，而(er)是直接用(yong)空氣作爲(wei)介質，根據(ju)下式進行(hang)計算:
H=ΔTCpM=ΔTCpρVt(2)
式中(zhong)
t———時間;
V———流速(su);
ρ———密度。
　　根據(ju)式(2)可知測(ce)量出某一(yi)時間段t内(nei)管道的空(kong)氣平均流(liu)速V，得到空(kong)氣的質量(liang)流量，再通(tong)過空氣和(he)氧氣♋定壓(ya)比熱容關(guan)系換算爲(wei)氧氣的質(zhi)量流量。轉(zhuan)換過程中(zhong)一般有±1%ＲS±1%FS的(de)💋誤差。
2．3平衡(heng)流量計
　　平(ping)衡流量計(ji)不是标準(zhun)件，使用前(qian)需要送至(zhi)計量院🧡對(dui)測量精度(du)和重複性(xing)進行檢定(ding)，流通介質(zhi)爲水，送檢(jian)前設備廠(chang)家會以氧(yang)氣⚽和水的(de)雷諾數爲(wei)橋梁出一(yi)份介質爲(wei)水的計算(suan)書，給計量(liang)院作爲參(can)考。爲避免(mian)安裝過程(cheng)對測量精(jing)度造成過(guo)大幹擾，選(xuan)用管道式(shi)平衡流量(liang)計，通徑1200mm，在(zai)東南地區(qu)能實流檢(jian)定1000mm以上㊙️孔(kong)闆的計量(liang)院僅有開(kai)封市的國(guo)家水大流(liu)量計量站(zhan)和常州市(shi)計量👄測試(shi)技術研究(jiu)所🏃🏻，而且檢(jian)定周期長(zhang)。
　　檢定過程(cheng)遵照JJG640-2016［5］采用(yong)标定流出(chu)系數的方(fang)法，流出系(xi)數公式爲(wei)㊙️:

式中
Cij———第i檢(jian)定點第j次(ci)檢測的流(liu)出系數值(zhi);
D———管道内徑(jing)，mm;m———節流面積(ji)比;
(qs)ij———第i檢定(ding)點第j次檢(jian)測标準流(liu)量值，m3/h;
Δpij———第i檢(jian)定點第j次(ci)檢測标準(zhun)壓差值，kPa;
ρ1———水(shui)的密度，kg/m3。
　　根(gen)據式(3)可知(zhi)，隻要測出(chu)第i檢定點(dian)第j次标準(zhun)流量值和(he)第i檢定點(dian)第j次壓差(cha)值就可得(de)到流出系(xi)數，标準流(liu)量🐉值可通(tong)過标準🐉電(dian)磁流量計(ji)讀出，壓差(cha)值可通過(guo)平衡🈚流量(liang)計上安裝(zhuang)的标準差(cha)壓變送器(qi)讀出。檢定(ding)過程中選(xuan)取Qmax、3/4Qmax、1/2Qmax、1/4Qmax、Qmin共計5個(ge)點，每個點(dian)測量4次。标(biao)準流量❓值(zhi)和壓差值(zhi)♍由計算機(ji)系統自動(dong)采集，得到(dao)平衡流量(liang)計的Cij。
各檢(jian)測點流出(chu)系數Ci爲:

3對(dui)比結論
　　從(cong)功能特點(dian)對比3種類(lei)型的流量(liang)計可以發(fa)現，标準孔(kong)闆✨流量計(ji)爲标準件(jian)，精度不高(gao)、重複性差(cha)、價格低，量(liang)程比3∶1，不能(neng)滿足目的(de)要求。熱式(shi)氣體質量(liang)流量計⭕量(liang)程比可達(da)100∶1，直接測量(liang)🚶‍♀️氣體質量(liang)流量，無需(xu)溫壓補償(chang)，但是對測(ce)量氣體組(zu)分要求較(jiao)高，氣體内(nei)不能含水(shui)，且組分不(bu)能有變化(hua)，否🌈則會嚴(yan)重影🐇響測(ce)量精度。同(tong)時直管段(duan)要求較高(gao)，一般爲前(qian)20D後5D，對于前(qian)方有兩個(ge)不同向的(de)彎頭時，要(yao)求前50D後5D。A+K平(ping)衡流量計(ji)基于壓差(cha)測量流量(liang)原理，可💃靠(kao)性高，量程(cheng)比在10∶1左右(you)，重複性🌈和(he)長期穩定(ding)性好，所需(xu)前後直管(guan)段短(前2D後(hou)2D)，永久壓損(sun)較低，節約(yue)能源。但需(xu)要溫壓補(bu)償，計量精(jing)度爲整個(ge)系統的精(jing)度，價格也(ye)随㊙️管⚽徑的(de)增大而增(zeng)大，大管🌈徑(jing)流量計價(jia)格更是成(cheng)倍增加。
　　從(cong)檢定角度(du)對比，标準(zhun)孔闆流量(liang)計一般進(jin)行幾何檢(jian)定❄️，可信度(du)低。熱式氣(qi)體質量流(liu)量計省級(ji)計量院可(ke)用标流速(su)的方法🍉進(jin)行檢定，拆(chai)下檢修或(huo)标定期間(jian)可不停氣(qi)，不影響生(sheng)産，但是計(ji)量院🏃🏻檢定(ding)誤差較大(da)。A+K平衡流🧡量(liang)計需通水(shui)進行檢定(ding)，檢定結論(lun)可信度高(gao)，但大管徑(jing)流量計檢(jian)定比較困(kun)難，東南地(di)區僅兩家(jia)計量院可(ke)檢定。綜上(shang)所述，除檢(jian)定困難以(yi)外，A+K平衡流(liu)量計更能(neng)滿足企業(ye)對計量準(zhun)确性和長(zhang)期穩定性(xing)的需求，加(jia)上檢定🥰周(zhou)期爲兩年(nian)甚至更長(zhang)，不需要🎯頻(pin)繁檢定。
4結(jie)束語
　　兩套(tao)同批次同(tong)類型的平(ping)衡流量計(ji)分别安裝(zhuang)在供氣方(fang)和用氣🧑🏽‍🤝‍🧑🏻方(fang)廠區交界(jie)處，計量院(yuan)檢定結果(guo)顯示，其中(zhong)一套平衡(heng)流量計精(jing)确度爲±0．6031%，另(ling)一套精度(du)爲±0．5538%，重複性(xing)均⛱️優于0．01%。實(shi)際運行過(guo)程中，兩套(tao)流量計最(zui)大示☁️值偏(pian)差遠㊙️低于(yu)1%，優于合同(tong)中商定的(de)允許最大(da)3%的偏差。

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