熱式氣體質量流量計在氧氣放散計量上的應用

摘 要：目前制氧機在生產過程中受外部影響會出現放散，越來越多的企業出于求精細化管理，對能源消耗、成本核算等要求對損失的這部分氧氣進行計量。受氧氣放散時壓力、流量不確定性影響傳統流量計難以適應氧氣放散的計量，熱式氣體質量流量計為氧氣放散的計量提供一條新的途徑。

關鍵詞：氧氣放散；熱式氣體質量流量計；計量應用

在鋼鐵行業生產中氧氣是必不可少的載能工質，煉鋼吹氧，煉鐵富氧等工藝應用于整個鋼鐵生產中。制氧機是連續性生產，負荷調整范圍較小，調整耗時長與煉鋼間歇用氧量、煉鐵爐況不順時大量減少富氧等情況造成氧氣供需量產生矛盾，供大于求，為了維持制氧機的正常生產所以經常出現氧氣放散的情況。但是在實際生產過程中氧氣放散量卻很少有計量，大多記錄氧氣放散時間用來參考或是以其他方法間接計量。為了追求精細化管理，對能源消耗、成本核算等能有準確數據做支撐，因此在氧氣放散管路上增加流量計用于統計氧氣放散量成為許多企業新的需要。本文以承德燕山氣體有限公司實際應用為例，介紹一下熱式氣體質量流量計在實際中的使用。

1 熱式氣體質量流量計的工作原理。

熱式氣體質量流量計典型傳感元件包括兩個熱電阻（鉑RTD），一個是速度傳感器，一個是自動補償氣體溫度變化的溫度傳感器。當這兩個RTD被置于介質中時，其中速度傳感器被加熱到環境溫度以上的一個恒定的溫差，另一個溫度傳感器用于感應介質溫度。流經速度傳感器的氣體質量流量是通過傳感元件的熱傳遞量來計算的。氣體速率增加，傳感器傳遞給介質的熱量增多，因此需要供給更多的功率，而電子單元加熱RTD的功率與質量流量成一定的對應關系。熱式氣體質量流量計是氣體流量計量中新型儀表，區別于其它氣體流量計不需要進行壓力和溫度修正，直接測量氣體的質量流量，一支傳感器可以做到量程從極低到高量程。它適合單一氣體和固定比例多組份氣體的測量。它依據的原理是流體吸收熱的速度直接與質量流量相關。移動的氣體分子撞擊熱電阻時吸收帶走熱量，流率越大，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。

二十世紀八十年代，美國、英國等開始制造基于這一原理的熱式氣體質量流量計，開始在各種領域得到廣泛應用，成為最先進的氣體流量計。

2 氧氣放散計量用流量計的選型

實際生產中氧氣放散的量是受用戶制約的，例如鐵行業中煉鐵的高爐富氧是用氧大戶，如果遇到高爐短時間爐況波動需要減少或停止富氧量，與此相配合的煉鋼系統由于缺少鐵水無法繼續生產，加之制氧機制氧能力的限制，往往會造成氧氣大量放散。此種情況下出現了停制氧機氧氣缺口太大、而且制氧機再啟動耗時過長，短時間內無法供應氧氣的尷尬境界，為了維持連續生產就不得不使氧氣放散。由于外部用氧單位的用氧需求不確定性，導致氧氣放散量的不確定。因此氧氣放散量的不確定且變化快是氧氣放散的一大特點。在實際生產中氧氣放散量的計量又受氧氣放散時氧氣工藝生產的制約有如下的特殊要求：

2.1 氧氣放散時由于實際放散量不確定，通常隨管網壓力變化在一個大范圍內波動，變化頻繁。氧氣放散量不確定、變化大的這一特點要求流量計具有大量程比，同時在整個量程范圍內需要保證測量精度，不論是在高流量時或是低流量時均要求能保證測量精度。

2.2 氧氣放散流量計對安裝的要求較高，為了避免在安裝后金屬碎屑在氧氣中燃燒爆炸要求流量計盡可能減少安裝碎屑。

2.3 氧氣放散流量計安裝于放散管道上，緊急情況下氧氣放散管道是制氧機迅速排出氧氣的唯一出口，因此要求流量的壓損盡可能的小，以盡可能減少流量計對氧氣放散時的阻礙。

2.4 氧氣放散過程中流量、壓力變化劇烈，氧氣流速變化劇烈，因此要求流量計有足夠的強度以保證安全。如果在放散過程中出現流量計斷裂后果將不堪設想。

2.5 氧氣放散大多為后改造安裝，受場地、管道等限制因素較多，因此，要求氧氣放散流量計易于安裝，同時對直管段要求不高的流量計。與此同時受放散閥安裝位置的影響，氧氣放散流量計應能滿足適應能放散閥前后不同工作狀態的能力。

在氧氣放散用流量計的選用上我們首先考慮的是傳統的節流式流量計。節流式流量計技術成熟應用最為廣泛，但是其壓損大、安裝工作量大、需要后續溫壓補償、在低流速下精度低等缺陷導致其不易在氧氣放散計量中使用。新一代的威力巴、威錐流量計有著安裝簡單、壓損小的特點，但是其同樣存在在低流速是精度低、流量計屬中空結構形式會出現折斷的情況，出于安全考慮也不能選擇此種流量計。其他容積式、轉子式流量計均因這些流量計在接觸氧氣部分有易損件而不能選擇。經多方面考慮，我們選用熱式質量流量計作為氧氣放散用計量裝置。

與傳統流量計相比熱式氣體質量流量計具有的優勢：

a.量程比寬，熱式氣體質量流量計就其原理來看僅與氣體流速有關，因此其量程比為1000：1，在量程范圍內能保證精度。較傳統流量計相比更能勝任流量變化劇烈的工況。±1%的測量精滿足實際精度要求。

b.安裝簡便，僅需要開一個孔，焊好安裝座即可，工作量小，不要截斷管道。特殊型號支持在線插拔安裝，便于實際使用中維護以及檢定。

c.熱式氣體質量流量計不需要溫壓補償，直接測出氣體流量，能勝任溫度、壓力變化大的工況。特別是可以安裝在放散閥后直接對大氣的管路上，對安裝場地有所限制的情況下，放散后壓力、溫度變化劇烈且不確定的情況下能有良好的表現。

d.熱式氣體質量流量計直接輸出標準信號，不需要額外計算，同時響應時間短，反映靈敏。

e.壓損小，對直徑大于80mm的管道壓損可忽略不計。正式基于上述的原因考慮我們選擇熱式質量流量計用于氧氣放散的計量。

3 熱式氣體質量流量計在實際中的應用

熱式氣體質量流量計在流量、溫度、壓力變化大的場合，同時其可測量大口徑小流量的場合，最大可測量直徑4米的管道，管道壓損小，它適合單一氣體和固定比例多組份氣體的測量，但是對氣體中含有氣液兩相成分的氣體測量對其精度影響較大。流量計本身為不銹鋼材質制成，強度較高，能適用流速變化較大的場合。

需要注意的是熱式質量流量計是基于溫度變化測量流量的，因此其在管道內介質流速高的情況下其精度會受到影響。在實際選型中應考慮管道介質的實際流速，如果流速快應采用將管道擴經來降低流速以保證精度，這樣的要求也同時間接降低了氧氣管道內氧氣的流速，對安全有所保障。在實際使用中，在低流速下表現較好，在外壓縮流程制氧機氧氣放散時十幾個甚至幾個千帕的壓力下能準確的測量。

目前承德燕山氣體有限公司有1*42000m3/h、1*21000m3/h、1*15000m3/h、2*6500m3/h共5套制氧機，2*6500m3/h為外壓縮流程制氧機其余均為內壓流程制氧機。目前各套制氧機均在氧氣放散管道上安裝熱式氣體質量流量計。受實際場地限制，放散用流量計有的安裝在放散閥前有的安裝放散閥后，目前流量計已使用近2年。

熱式質量流量計在實際中使用效果良好，特別是部安裝在放散閥后的流量計表現較為突出，在直接對大氣放散的情況下仍能保證精度以及穩定性。與此同時由于其結構簡單因此易于維護與檢定，連續使用2年未曾出現過任何故障，可見可靠性較高。

氧氣放散計量后，為精細化管理、能源消耗、成本核算等能有準確、可靠的數據支撐，為生產調度調配提供了有效保障，進一步提高了企業管理水平。熱式質量流量計在氧氣放散上的應用可推廣至其他有類似需求的單位使用。