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        熱式氣體質量流量計在焙燒爐系統中的應用

        作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
        1.引言
        焙燒鼓風爐流量是焙燒爐控制焙砂質量及安全穩定運行的重要工藝參數之一。它測量的準確與控制的好壞不僅關系到加料量的穩定,而且關系到沸騰層反應溫度的穩定。對優化焙燒質量,測溫元件(熱電偶S)的損耗,疏酸S02煙氣濃度的穩定都將產生直接的影響。因此,要控制好鼓風流量和沸騰層反應溫度以保證焙砂質量,需要對焙燒鼓風流量進行嚴格調控及認真分析。采取合理有效的測量途徑,就能實現焙燒鼓風流量的準確測量。給焙燒鼓風提供精準的風量,使風/料比能夠得到平衡,從而實現準確的控制。
        2.鼓風量測量新技術
        隨著國家節約能源、環境保護等先進理念的推行,這就要求更高水平的空氣流量測量和控制,以降低能耗和減少污染排放量。目前在鼓風量測量中主要應用有通過截流元件取壓的差壓式流量測量裝置和非差壓流量計兩種。差壓式截流裝置主要有靠背管、笛型管、機翼、皮托管、雙文丘里管等;非差壓流量計主要有熱式流量計、氣體超聲波流量計等。通過比較,熱式氣體質量流量計是一種新型的氣體流量測量儀表,是利用傳熱原理,即流動中的流體與熱源(流體中加熱的物體或測量管外加熱體)之間熱量交換關系來測量流量的儀表。在現場應用過程中效果不錯。具有重復性和精度好、紊流狀態的適用性強、傳感器無堵塞、無結垢及免維護、壽命長等優勢。
        我廠109m2新型焙燒爐鼓風流量管道設計工藝管徑為DN1000mm,工作流量為0~64000Nm3/h,工作壓力△P=28kPa,溫度需要控制在30~60℃。因此檢測鼓風量的一次測量元件采用ST98-AFCI熱式氣體質量流量計,以提高焙燒爐使用效率及系統的效率,使焙燒爐較好地減少燃煤鍋爐NOX排放量,從而減少環境污染。
        3.熱擴散式氣體質量流量計工作原理
        3.1質量流量計傳感器工作原理
        本流量計是一種用于空氣和氣體測量應用的熱擴散式質量流量計,本流量計由一個流量元件、一個流量變送器和一個封裝組成。質量流量計的流量元件使用熱擴散的操作原理,該儀表的傳感器由一個低功率加熱器通過加熱一個電阻式溫度探測器(RTD)組成,在兩個RTD之間造成一個溫差。流體的流動將被加熱的RTD上的熱量帶走,造成兩個RTD間的溫度差成比例變化,流量計的流量變送器將RTD間的溫差轉換成一個刻度信號和一個可選擇的顯示值。如圖1所示。
        T1是一個質量速度傳感器,T2是一個測量氣體溫度變化的溫度傳感器。當這兩個RTD置于被測氣體中時,其中傳感器T1被加熱到氣體溫度以上的一個恒定的溫差,另一個傳感器T2用于感應被測氣體溫度。隨著氣體質量流速的增加,氣流帶走更多熱量,傳感器T1的溫度下降,要維持T1、T2恒定的溫度差,T1的加熱功率就要增大。根據熱效應的金氏定律。移動的氣體分子撞擊熱電阻時吸收帶走熱量。流量越大,接觸熱電阻的分子越多,吸收的熱量越多,熱吸收與某種氣體的分子數、熱學特性和流動特性有關。加熱功率P、溫度差△T(T1-T2)與質量流量Q有確定的數學關系式:
        P/△T=K1+K2f(Q)K3
        式中:K1、K2、K3是與氣體物理性質有關的常數。
        如圖1所示,上伴熱器和參考傳感器為兩個帶熱套管保護的電阻式溫度探測器(鉑RTD),當這兩個RTD被置于流體中時,其中一個RTD被加熱,另一個則用于感應過程溫度,兩個RTD之間的溫差△T隨著流量的變化而變化,氣體的質量流量和氣體的熱值簡寫的公式:
        pv=K(Q/△T)1.67
        式中:P-氣體比重;ⅴ-氣體速度;Q-熱流量;K-平衡常數;△T-溫差。
        流體流速的變化直接影響熱擴散的程度,進而影響到兩個RTD之間溫差的大小,通過電子線路將RTD的溫度轉化為DC電壓信號或電流信號,這幾個信號在輸出終端輸出。
        3.2質量流量計工作原理
        流量計的工作原理,如圖2所示。
        流量計內部的電路板主要包括傳感器電路板和數據處理電路板。線路板之間通過內部電路母線B-BUS聯系。傳感器電路板直接與傳感器連接,它為傳感器提供工作電流,同時將傳感器返回的V/I信號通過A/D轉換變為數字信號,通過數據處理后經內部母線IB送人處理器電路板。處理器電路板負責接收由傳感器電路板傳來的數字信號,經處理后轉變為標準V/I輸出,同時通過顯示單元完成各種參數的顯示以及設定。處理器本身采用EEPROM方式,PAL與模擬量輸出、通訊端口間采用光電耦合隔離,以提高抗干擾能力。通訊標準為RS232/RS485,同時提供Hart/Profibus等現場通訊協議。由于兩個RTD之間的溫差與過程流速及過程介質的性質有關,并且流量和冷卻效果間的關系還同氣體應用中的質量流量測量直接有關,因此運用該技術來檢測氣體的質量流量,能夠有較高的精度和較高的重復性。
        3.3
        安裝與信號連接
        流量計使用效果的好壞取決于正確的安裝與信號連接。質量流量計輸出電流信號為有源4~20mA,為了與已有的控制系統連接,需加信號轉換器轉換為無源4~20mA標準信號,如圖3。
        風道的空氣流量由質量流量計測量后,除現場就地顯示瞬時/累積流量,4~20mADC輸出信號經轉換器后被PLC接收、處理,與給定值比較后進行風量調節。有了風量調節就可以實現燃燒空氣流量測量和控制。
        4.熱擴散式氣體質量流量計特點
        本質量流量計區別于其它氣體流量計,直接實現質量流量測量,無需進行溫度壓力補償,響應時間快,零點穩定,重復性好,插人式結構,安裝方便,壓力損失小,無可動部件,抗振動,量程比大,可達1000:1,寬工況溫度壓力范圍(高溫可達500度),智能化現場自適應功能,保證儀表穩定可靠工作,帶通信接口,組網監控方便。
        熱擴散式氣體質量流量計特性及參數如下:
        (1)測量氣體質量流量,無需溫度、壓力補償。
        (2)量程比大,測量流速范圍:0.1~100Nm/s。
        (3)無壓力損失,適用已知截面積的任意形狀管道。
        (4)耐腐蝕型傳感器,適合測量腐蝕性氣體。
        (5)插入式傳感器可以在線安裝和維護。
        (6)全量程段的專家算法,保證了測量的準確度。適于貿易結算或氣體檢漏。
        (7)液晶顯示器:8位字段式+24位提示符。
        (8)測量顯示:質量流量、標況體積流量、累計流量、北京時間、累計運行時間。
        (9)瞬時流量zui大顯示值:999999.9。
        (10)累計流量zui大顯示值:99999999×103。
        (11)信號輸出:4~20mA、RS485。
        (12)采用鋰錳電池供電。
        (13)內置MENU(菜單)、CUS(光標移動)、UP(數值增加)、ENT(確認)四個按鍵,用于參數的設定。
        直接測量氣體質量的流量計,以往采用孔板配差壓測量加壓力和溫度變送器的組合方法來測量溫度和壓力不斷變化的氣體體積流量測量,這種方法需要的部件多,成本高,精度低、故障率高、安裝維護也不方便,熱式質量流量計可以克服上述缺點。具體對比如表1所示。
        每種流量計都有其適用范圍,也都有局限性。這就要求生產操作人員注意:在低流速測量時因受管道內氣體對流的熱流影響,使安裝姿勢顯得重要。因此非常低流速流動時要獲得精確測量,必須遵循制造廠依據儀表設計結構而定的安裝建議。要兼顧考慮其它因素,這樣測量才會準確。
        5.結語
        爐(窯)的風量測量是否準確是爐(窯)機組運行的重要基礎,在國內,目前有很多的設計和實際應用在使用FCI公司的GF系列、ST系列等熱式氣體質量流量計,對爐(窯)的供風、一次風/二次風,送風系統,洗氣系統、煙氣排放系統等進行精確的風量測量,為爐(窯)的操控提供了可靠的依據,同時也因爐(窯)在應用了FCI公司氣體質量流量計后,使之處于較佳的燃燒狀態,從而減少了大量的NOX排放,較好的達到了減少環境污染、減少能耗的目的;為工廠降低成本奠定了較好的基礎。綜上所述,熱式氣體質量流量計是一種新型的氣體測量儀表,能達到理想的測量效果,從而保證生產和控制的準確運行。
         
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