渦輪流量計在不銹鋼退火爐天然氣測量中的應(yīng)用
摘要：渦輪流量計是一種速度式流量測量儀表, 因其有測量范圍度寬、精度高、耐高壓、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)緊湊、容易維修等特點, 在冶金、化工等行業(yè)流量測量中得到了廣泛的應(yīng)用。通過介紹渦輪流量計的結(jié)構(gòu)、工作原理以及不銹鋼廠退火爐天然氣測量中渦輪流量計的應(yīng)用情況、出現(xiàn)的故障和解決辦法, 得出使用智能渦輪流量計應(yīng)注意的幾點事項。
流量測量的方法有很多, 測量儀表的種類也是多種多樣。渦輪流量計是一種速度式流量儀表, 它的精度很高, 一般可達到指示值的0.2%~0.5%, 而且在線性流量范圍內(nèi), 即使流量有所變化也不會降低累計精度。此外, 還具有耐高壓、測量范圍寬, 數(shù)字信號輸出, 容易維修等特點, 因而得到了廣泛的應(yīng)用。
1、渦輪流量計的結(jié)構(gòu)：
渦輪流量計在結(jié)構(gòu)上主要由渦輪、軸承以及前置放大器組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 渦輪流量計結(jié)構(gòu)示意圖
其中渦輪是由具有導(dǎo)磁性能的不銹鋼材料制成的, 裝有螺旋狀葉片, 葉片數(shù)量根據(jù)直徑變化而不同, 2~24片不等。通常為了使渦輪對流速變化的響應(yīng)特性好, 渦輪的質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小。渦輪流量計的軸承可分為滾珠軸承和滑動軸承兩種。滾珠軸承因材料易受腐蝕, 同時在滾珠之間存在異物時會產(chǎn)生急劇磨損等缺點, 因此目前主要采用耐磨性能好的如聚四氟乙烯、石墨碳化鎢等材料做成的滑動軸承。前置放大器 (圖1中的脈沖信號放大器) 的作用是將渦輪旋轉(zhuǎn)的次數(shù)變換成電脈沖輸出, 通常采用的都是磁式前置放大器。
前置放大器由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與放大整形電路兩部分組成, 示意圖見圖2所示。
圖2 渦輪流量計前置放大器原理圖
磁電轉(zhuǎn)換器國內(nèi)一般采用磁阻式, 它由磁鋼及外部纏繞的感應(yīng)線圈組成。當流體通過使葉輪旋轉(zhuǎn)時, 葉片在磁鋼正下方時磁阻***小, 兩葉片空隙在磁鋼下方時磁阻***大, 渦輪旅轉(zhuǎn), 不斷地改變磁路的磁通量, 使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢, 送入放大整形電路, 變成脈沖信號。
2、渦輪流量計的工作原理：
渦輪流量計是一種速度式的流量測量儀表, 其工作原理示意圖如圖3所示, 流量測量的核心部分是渦輪流量傳感器, 它主要是由葉輪和磁電感應(yīng)線圈兩部分組成, 葉輪的軸心與管道中心是一致的, 可以自由轉(zhuǎn)動, 葉輪的葉片與流體流動方向成一定角度。因此, 當流體流過管道時, 渦輪就會在流體沖擊下沿管道軸向旋轉(zhuǎn), 其旋轉(zhuǎn)速率會隨著流量不同而變化, 流速越高, 流體的動能就越大, 渦輪的轉(zhuǎn)動速度也就越快。代表著流體流量大小的渦輪轉(zhuǎn)速經(jīng)磁電感應(yīng)放大器轉(zhuǎn)換為一定頻率的電脈沖, 再通過顯示儀表進行積算和顯示 (圖1) 。
圖3 渦輪流量計工作原理示意圖
渦輪流量計通常是通過不同的計算方法, 可以分別對瞬時流量和累計流量進行顯示。而當儀表殼體內(nèi)磁鋼產(chǎn)生的磁力線被旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片切割時, 就會引起磁感應(yīng)線圈磁通量的變化, 進而磁通周期變化信號經(jīng)過前置放大器的放大、整形, 就會產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號, 脈沖信號經(jīng)流量積算電路換算后顯示累積流量值, 同時經(jīng)頻率電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬電流量, 進而顯示瞬時流量值。
3、渦輪流量計的應(yīng)用情況：
酒鋼不銹鋼廠退火爐溫度控制燃燒系統(tǒng)中, 天然氣的測量采用的是德國制造的DE 250Z100-40B型帶電子計數(shù)器的渦輪流量計, 它屬于Elster Q系列, Elster Q系列渦輪流量計是一種穩(wěn)定耐用和高精度的是用于所有需求的工業(yè)計量儀表。同時還具有自潤滑軸承, 使得流量計不需要維護。該流量計配有一個電子計數(shù)器, 除了能夠記錄實際的工況流量 (Vb, m3) 外, 它還可以顯示瞬時流量 (Qb, m3/h) 以及某一天的流量和日期。這就方便了用戶很容易計算某一段時間內(nèi)天然氣的用量。除此之外, 該流量計還具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量測量范圍寬、計量精度與流體的物理的特性 (如密度、溫度和壓力等) 無關(guān)的特點。不銹鋼廠退火爐天然氣測量的范圍有兩種:分別是32~650m3/h和0~1000m3/h, 它們各自分布在不銹鋼熱退火和冷退火酸洗線的2#爐膛的7個區(qū)上, 流量計的數(shù)據(jù)接口輸出均符合標準, E200 Namur輸出符合標準DIN EN 50227;光接口符合標準EN 1434-ZVEI;M-BUS接口符合標準EN 1413。
4、存在的問題和解決辦法：
不銹鋼退火爐天然氣流量測量用渦輪流量計外觀如圖4所示, 該渦輪流量計與國產(chǎn)渦輪流量計在結(jié)構(gòu)上有些不同, 主要區(qū)別是前置放大部分是由機械齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn), 以及磁感應(yīng)脈沖轉(zhuǎn)換機構(gòu)不同, 但工作原理都是將渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖信號。該渦輪流量計的使用壽命根據(jù)現(xiàn)場使用和維護經(jīng)驗看大概是5~6年, 自不銹鋼廠2008年年底投產(chǎn)以來, 該渦輪流量計已經(jīng)全部更換過一次。通常情況下儀表運行穩(wěn)定無故障發(fā)生, 但隨著使用年限的增加, 也會發(fā)生一些問題和故障。常見的問題和故障有兩個:一是天然氣流量正常, 但儀表指示不正常, 有卡滯現(xiàn)象;二是天然氣流量無增加或減少, 但儀表指示值減小。
圖4
由于該渦輪流量計的整體結(jié)構(gòu)是密閉封裝免維護的, 所以對于以上存在問題和故障, 首先檢查了連接線路是否斷路, 其次是渦輪流量計的內(nèi)外連接軸位置是否在中心軸線上, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)盤支撐軸磨損并出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。經(jīng)過仔細觀察和研究, 調(diào)整托盤與齒輪箱底座間隙支撐軸距離長度0.5mm, 同時保證連接軸與托盤平面垂直, 內(nèi)外連接軸位置在中心軸線上, 一是保證托盤和底座有一定間隙, 不產(chǎn)生摩擦卡滯, 二是保證連接軸轉(zhuǎn)動靈活。這樣處理后, 以上的兩個問題故障全都解決, 同時經(jīng)過重新比對校驗, 使得渦輪流量計又能正常使用和運轉(zhuǎn)。
5、結(jié)語：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 渦輪流量計不斷向著高精度和免維護方向發(fā)展, 對于這類流量計, 通過不銹鋼退火爐天然氣測量渦輪流量計的長期使用維護, 以及在使用中出現(xiàn)的故障和處理經(jīng)驗, 得到以下結(jié)論:為了使渦輪流量計正常運行, 一是要保障流量計安裝時嚴格按照安裝說明參數(shù)和條件精準安裝;二是要經(jīng)常檢查和定期校驗, 以保證流量計的精準測量和計量;三是嚴格按照使用說明書操作和使用, 以***大限度的延長使用壽命;四是出現(xiàn)故障時, 仔細檢查儀表安裝位置、軸承等可見部分是否與***初使用時出現(xiàn)一定偏差, 電源線和信號線是否完好, 流量管道是否堵塞等, 然后研究解決對策, 排除故障;五是為了節(jié)約成本、物盡其用, 在壽命周期之內(nèi)不要輕易給出更換流量計的決定。