壓縮空氣流量測量

壓縮空氣是企事業單位重要的二次能源，大多由電能或熱能經壓縮機轉化而來。當空氣 壓力值要求較低時，則由鼓風機產生。

在化工等生產過程中，有一種重要的工藝過程——氧化反應，它是以空氣作原料，和另 外某種原料在規定的條件下進行化學反應。空氣質量流量過大和過小，都會對安全生產、產 品質量和貴重原料的消耗產生關鍵影響。在這種情況下，空氣流量測量度要求特別高， 多半還配有自動調節。

鍋爐和各種工業爐窯中的燃燒過程，其本質也是氧化反應，對助燃空氣流量的測量，雖然準確度要求不像化工生產中的氧化反應那樣高，但對環境保護和經濟燃燒、節約燃料也有重要意義。

(1)壓縮空氣流量測量的特點

①振動大。安裝在壓縮廠房和鼓風機房的空氣流量計都得考慮振動問題。這種振動主 要來自壓縮機和鼓風機，機器的振動通過空氣管道或風管可以傳到很遠的地方。其中振動zui 大的要數往復式壓縮機，大型往復式壓縮機運行時產生的振動往往帶動廠房和周圍地面一起 振動，對相關空氣流量計的準確而可靠的運行帶來威脅。它引發杠桿式差壓變送器支點移動 而使儀表產生示值漂移。振動導致渦街流量傳感器產生同振動頻率相對應的干擾信號，引起 流量示值大幅度偏高。

②氣體帶水。壓縮空氣取自大氣，而大氣中總是含有一定數量的水蒸氣。水蒸氣的含 量用水蒸氣分壓A表示。大氣中的水蒸氣飽和分壓是大氣溫度的函數（見表3. 5)。在雨天 和霧天，室外大氣中的水蒸氣分壓達到飽和程度，即相對濕度達到100%，這時將大氣壓縮 就如同壓迫吸足水的海綿，隨著體積的縮小，就有相應數量的水析出。這是壓縮空氣所以帶 水的簡單原理。在晴好的天氣，大氣相對濕度較低，但隨著其被壓縮，體積縮小到原來的幾 分之一后，水蒸氣分壓會相應升高，也有可能進人飽和狀態而析出水滴。

用來測量壓縮空氣流量的較大口徑孔板流量計，孔板前常有積水，要影響測量準確度。 引壓管線中常有一段水，導致差壓變送器測到的差壓同節流裝置所產生的差壓不一致。這些 都是空氣帶水引起誤差的常見原因。除此之外，由于城區大氣中氮氧化物含量較高，使得壓 縮空氣所含水滴呈酸性，引起環室表面腐蝕、管道內壁腐蝕，使其表面變得粗糙。腐蝕產生 的氧化鐵在一定條件下變干燥時，很容易從管內壁脫落而被氣流帶到孔板前，這也會對流量 示值產生影響。所以在停車檢修時，應將這些粉狀和塊狀的垃圾予以清除。

③脈動流。壓縮機和鼓風機出口流體多數包含一定的脈動。例如往復式壓縮機，表現 為半波脈動，如圖3. 14所示。在現場可觀察到壓縮機和鼓風機的出口壓力有明顯擺動。其 中正（定）排量鼓風機出口脈動頻率較高，一般有幾十赫茲，而往復式壓縮機出口脈動頻率 較低，一般為幾赫茲。流動脈動引起差壓式流量計、渦街流量計等多種流量計示值偏高，.引 起浮子式流量計中的浮子上下跳動。消除和減弱流動脈動對流量計示值影響的常用方法有兩 個：一是在壓縮機出口設置一只緩沖罐濾除脈動，而將流量計安裝在緩沖器后面，實際上往 復式壓縮機的系統都是這樣設計的；二是將流量計安裝在遠離脈動源的地方，這樣可利用工 藝管道的氣容同其管阻構成低通濾波器衰減脈動。

(2)儀表選型能夠用來測量空氣流量的儀表有多種，但是在現場實際使用的空氣流量 計，按其原理分，種類并不多。zui主要的有玻璃浮子流量計、節流式差壓流量計、渦街流量計和均速管流量計等。

①浮子流量計。浮子流量計在中型和小型實驗裝置上使用很廣泛，這是因為浮子式流 量計簡單、直觀、價格低廉，適合作一般指示。浮子流量計有玻璃錐管型和金屬錐管型兩大 類，玻璃錐管型的不足之處是耐壓不高和玻璃錐管易碎，另外，流體溫度壓力對示值影響 大。一般可根據流體實際溫度和壓力按式（3. 31)進行人工換算。式中由于引入化，.在被測 氣體不為空氣時，也可利用該公式進行換算。

式中qv——實際體積流量，m3/h; 

     qvf——儀表示值，m3/h;

      pn——被測氣體在標準狀態下的密度，kg/m3;

    pan——空氣在標準狀態下的密度，kg/m3;

Tn、Pn——氣體在標準狀態下的溫度、壓力；

Tf、Pf——氣體在工作狀態下的溫度、壓力。

②節流式差壓流量計。節流式差壓流量計在空氣流量測量中有著悠久的歷史。節流式 差壓流量計盡管有范圍度窄、安裝維護麻煩以及壓力損失大等重大缺點，但在振動較明顯的 壓縮機房、鼓風機房，它仍然是可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強的儀表。

用節流式差壓流量計測量空氣流量zui重要的是要處理好節流件前積水、變送器高低壓室 內積水以及引壓管線中積水問題。

a. 節流件前積水問題。解決節流件前積水zui簡單的方法是在節流件的下部開疏液孔。 但是空氣管道不像蒸汽管道那樣清潔。在蒸汽管道中因為與管道內壁接觸的是水蒸氣，而水 蒸氣在發生過程中一般都經過除氧工序，因此蒸汽中基本不含氧，經長期使用的蒸汽管，其 內壁可能僅沉積微量的灰色粉末，除此之外不會有鐵銹。而空氣管道內則全然不同，灰塵和 氧化鐵難以避免，有時疏液孔被堵死。在停車檢修時拆下節流裝置，發現節流件正端平面上 有積水的痕跡，就是證據。

*消除節流件前積水的方法是將節流裝置安裝在垂直工藝管上，或改用圓缺孔板或偏心孔板。其中，偏心孔板不確定度較小，優于圓缺孔板。

b. 差壓變送器高低壓室內積水問題。圖3. 15U)所示是典型的節流式差壓流量計信號 管路安裝圖，在被測流體為濕氣體時，冷凝液理應不會進入差壓變送器高低壓室，但從現場 反饋信息來看，實際情況是有時還會有微量水滴進入高低壓室。變送器差壓范圍較低時，此 微量水滴會引起儀表零點的明顯漂移。有些差壓變送器設計有兩個排放口，打開下排放口就 可將凝液順利排出。但是早期變送器只有中部的一只排放口，打開此口無法將高低壓室內的凝液排凈，zui后只得將變送器拆下，將凝液從信號輸入口中傾倒出來。

高低壓室內積液的現象，經進一步分析，應該是變送器上方的一段管路由于環境溫度變 化將信號管中的水蒸氣冷凝而沿著信號管往下流入高低壓室。

防止冷凝液流人高低壓室zui簡單易行的方法是消除變送器上方的一段信號管路，將信號 管路從下方引人變送器，如圖3. 15(b)所示，這樣，即使高低壓室內有微量冷凝液，也能 依靠其自身重力沿著管路自動流回母管或沉降器。實踐證明，這一方法是有效的。

c.引壓管路內積水問題。在測量濕氣體時，雖然安裝信號管路已按照規程的要求保持 坡度，可以避免冷凝液在信號管路內聚集，但在某些情況下，積水現象仍難以避免，其原因如下所述。

圖3. 16是環室取壓節流裝置安裝在垂直工藝管道上時信號管路的規定安裝方法。假定 工藝管道中氣體自下而上流動，那么負壓信號管路中可以保證沒有凝液，因為信號管路內的 凝液能暢通無阻地流回工藝管道，而正壓信號管情況就不同了。因為正壓信號是從均壓環引出的，被測濕氣體中的凝液充滿節流裝置的正端均壓環空腔是毫無問題的（如圖3. 17所 示），在正壓管內氣體壓力同節流件正壓端*相等時，U形管兩邊液位高度相等。在此基 礎上，如果節流件正端壓力上升，則將均壓環空腔中的水壓向信號管路，按照體力學關系 式可知，正壓管內的壓力比節流件正端壓力低一些，其數值同U形管兩邊液位高度差相等， 從而引起差壓信號的傳遞失真。

清除信號管內積水的臨時方法是掃線，依靠工藝管中的壓力足夠高的氣體將積水沖走排到管外。但不久又依然如此。

*清除上面所述管路內積水的方法是將節流裝置取壓方法改為法蘭lin (lin = 0. 0254m)取壓或I>D/2徑距取壓。

圖3. 18所示的信號管路連接方法也是有關資料中推薦的用于濕氣 體流量測量的典型連接方法。但是在大管徑孔板流量計中，也存在一 些問題。尤其是在雨天、霧天和大氣濕度高的季節，空氣中夾帶的水 較多，水滴自下而上撞擊在節流件上，其中一部分進人均壓環的空腔， 進而流入沉降器，于是沉降器很容易被裝滿。現場巡回檢查時，每天 都可以排出很多水，如果遇上假日無人排污，就極有可能水滿為患。

③渦街流量計。在無振動或無明顯振動的場所，用渦街流量計測 量空氣流量，顯著的優勢是壓損小、度較高、范圍度較寬、維修 工作量小。壓電式渦街流量計能耐受0.2_g•的振動。在常壓條件下，可 測流速下限為6m/s。電容式渦街流量計，能耐受（0. 5?l)g•振動，在 常壓條件下，可測流速下限為4m/s。因此在振動大的場所兩種渦街流 量計都不適用。近幾年來，一些公司在渦街流量計制造中引人了數字 信號處理（DSP)技術，使儀表的抗振動性能有了大幅度提高，可測 流速下限也有了顯著改善。但應用中仍需注意現場的振動問題。

與蒸汽流量測量一樣，受渦街流量計zui大口徑、zui大工作壓力和 zui高工作溫度的制約，當口徑大于400mm或流體壓力高于4MPa (有的公司產品為6. 4MPa)或流體溫度咼于420UC時，只能改用具他突型流重TT。

④差壓式均速管流量計。均速管流量計對大口徑空氣流量測量具有其*的優勢，價 格便宜、簡單可靠、安裝維修方便是其顯著的優點，是渦街流量計和節流式差壓流量計的補 充。其檢測桿選擇、阻塞系數計算等將在3. 5節中討論。

(3)濕空氣干部分流量測量問題

濕空氣干部分流量測量的必要性。在化工生產的氧化反應過程中，一般是將空氣送 人反應器，而真正參與反應的僅僅是空氣中的氧。由于空氣中的氮和氧保持恒定比例，所以 測量得到進人反應器的氮氧混合物流量，也就可以計算出氧的流量。但是壓縮機和鼓風機從 大氣中吸人的空氣除了氮氧成分之外（微量成分忽略不計），總是包含一定數量的水蒸氣， 而且水蒸氣的飽和含量是隨著其溫度的變化而變化的。為了將氧化反應控制在理想狀態，須 對進人反應器的氮氧混合氣流量進行測量，也即將進入反應器的空氣中的水蒸氣予以扣 除，得到濕空氣的干部分流量。這是濕氣體中需要測量干部分流量的一個典型例子。