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涡轮流量计在不锈钢退火炉天然气测量中的应用



摘要:涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表, 因其有测量范围度宽、精度高、耐高压、抗干扰能力强、结构紧凑、容易维修等特点, 在冶金、化工等行业流量测量中得到了广泛的应用。通过介绍涡轮流量计的结构、工作原理以及不锈钢厂退火炉天然气测量中涡轮流量计的应用情况、出现的故障和解决办法, 得出使用智能涡轮流量计应注意的几点事项。

  流量测量的方法有很多, 测量仪表的种类也是多种多样。涡轮流量计是一种速度式流量仪表, 它的精度很高, 一般可达到指示值的0.2%~0.5%, 而且在线性流量范围内, 即使流量有所变化也不会降低累计精度。此外, 还具有耐高压、测量范围宽, 数字信号输出, 容易维修等特点, 因而得到了广泛的应用。

1、涡轮流量计的结构:

  涡轮流量计在结构上主要由涡轮、轴承以及前置放大器组成。其结构如图1所示。

图1 涡轮流量计结构示意图

图1 涡轮流量计结构示意图

  其中涡轮是由具有导磁性能的不锈钢材料制成的, 装有螺旋状叶片, 叶片数量根据直径变化而不同, 2~24片不等。通常为了使涡轮对流速变化的响应特性好, 涡轮的质量应该尽可能的小。涡轮流量计的轴承可分为滚珠轴承和滑动轴承两种。滚珠轴承因材料易受腐蚀, 同时在滚珠之间存在异物时会产生急剧磨损等缺点, 因此目前主要采用耐磨性能好的如聚四氟乙烯、石墨碳化钨等材料做成的滑动轴承。前置放大器 (图1中的脉冲信号放大器) 的作用是将涡轮旋转的次数变换成电脉冲输出, 通常采用的都是磁式前置放大器。

  前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成, 示意图见图2所示。

图2 涡轮流量计前置放大器原理图

图2 涡轮流量计前置放大器原理图

  磁电转换器国内一般采用磁阻式, 它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成。当流体通过使叶轮旋转时, 叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小, 两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大, 涡轮旅转, 不断地改变磁路的磁通量, 使线圈中产生变化的感应电势, 送入放大整形电路, 变成脉冲信号。

2、涡轮流量计的工作原理:

  涡轮流量计是一种速度式的流量测量仪表, 其工作原理示意图如图3所示, 流量测量的核心部分是涡轮流量传感器, 它主要是由叶轮和磁电感应线圈两部分组成, 叶轮的轴心与管道中心是一致的, 可以自由转动, 叶轮的叶片与流体流动方向成一定角度。因此, 当流体流过管道时, 涡轮就会在流体冲击下沿管道轴向旋转, 其旋转速率会随着流量不同而变化, 流速越高, 流体的动能就越大, 涡轮的转动速度也就越快。代表着流体流量大小的涡轮转速经磁电感应放大器转换为一定频率的电脉冲, 再通过显示仪表进行积算和显示 (图1) 。

图3 涡轮流量计工作原理示意图

图3 涡轮流量计工作原理示意图

 

  涡轮流量计通常是通过不同的计算方法, 可以分别对瞬时流量和累计流量进行显示。而当仪表壳体内永久磁钢产生的磁力线被旋转的涡轮叶片切割时, 就会引起磁感应线圈磁通量的变化, 进而磁通周期变化信号经过前置放大器的放大、整形, 就会产生与流速成正比的脉冲信号, 脉冲信号经流量积算电路换算后显示累积流量值, 同时经频率电流转换电路转换成模拟电流量, 进而显示瞬时流量值。

3、涡轮流量计的应用情况:

  酒钢不锈钢厂退火炉温度控制燃烧系统中, 天然气的测量采用的是德国制造的DE 250Z100-40B型带电子计数器的涡轮流量计, 它属于Elster Q系列, Elster Q系列涡轮流量计是一种稳定耐用和高精度的是用于所有需求的工业计量仪表。同时还具有自润滑轴承, 使得流量计不需要维护。该流量计配有一个电子计数器, 除了能够记录实际的工况流量 (Vb, m3) 外, 它还可以显示瞬时流量 (Qb, m3/h) 以及某一天的流量和日期。这就方便了用户很容易计算某一段时间内天然气的用量。除此之外, 该流量计还具有结构紧凑、流量测量范围宽、计量精度与流体的物理的特性 (如密度、温度和压力等) 无关的特点。不锈钢厂退火炉天然气测量的范围有两种:分别是32~650m3/h和0~1000m3/h, 它们各自分布在不锈钢热退火和冷退火酸洗线的2#炉膛的7个区上, 流量计的数据接口输出均符合国家标准, E200 Namur输出符合标准DIN EN 50227;光接口符合标准EN 1434-ZVEI;M-BUS接口符合标准EN 1413。

4、存在的问题和解决办法:

  不锈钢退火炉天然气流量测量用涡轮流量计外观如图4所示, 该涡轮流量计与国产涡轮流量计在结构上有些不同, 主要区别是前置放大部分是由机械齿轮传动机构实现, 以及磁感应脉冲转换机构不同, 但工作原理都是将涡轮的转速转换成一定频率的脉冲信号。该涡轮流量计的使用寿命根据现场使用和维护经验看大概是5~6年, 自不锈钢厂2008年年底投产以来, 该涡轮流量计已经全部更换过一次。通常情况下仪表运行稳定无故障发生, 但随着使用年限的增加, 也会发生一些问题和故障。常见的问题和故障有两个:一是天然气流量正常, 但仪表指示不正常, 有卡滞现象;二是天然气流量无增加或减少, 但仪表指示值减小。

图4

图4

  由于该涡轮流量计的整体结构是密闭封装免维护的, 所以对于以上存在问题和故障, 首先检查了连接线路是否断路, 其次是涡轮流量计的内外连接轴位置是否在中心轴线上, 结果发现涡轮转盘支撑轴磨损并出现卡滞现象。经过仔细观察和研究, 调整托盘与齿轮箱底座间隙支撑轴距离长度0.5mm, 同时保证连接轴与托盘平面垂直, 内外连接轴位置在中心轴线上, 一是保证托盘和底座有一定间隙, 不产生摩擦卡滞, 二是保证连接轴转动灵活。这样处理后, 以上的两个问题故障全都解决, 同时经过重新比对校验, 使得涡轮流量计又能正常使用和运转。

5、结语:

  随着科学技术的不断发展, 涡轮流量计不断向着高精度和免维护方向发展, 对于这类流量计, 通过不锈钢退火炉天然气测量涡轮流量计的长期使用维护, 以及在使用中出现的故障和处理经验, 得到以下结论:为了使涡轮流量计正常运行, 一是要保障流量计安装时严格按照安装说明参数和条件精准安装;二是要经常检查和定期校验, 以保证流量计的精准测量和计量;三是严格按照使用说明书操作和使用, 以最大限度的延长使用寿命;四是出现故障时, 仔细检查仪表安装位置、轴承等可见部分是否与最初使用时出现一定偏差, 电源线和信号线是否完好, 流量管道是否堵塞等, 然后研究解决对策, 排除故障;五是为了节约成本、物尽其用, 在寿命周期之内不要轻易给出更换流量计的决定。