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Aplication of Thermal Gas Mass Flowmeter in Gas Electrical machine.
刘庆海 李贺
（胜利石油管理局动力机械厂内燃机研究所，257032）
平之
（达诚盛业（北京）科技有限公司100085）
摘要：本文介绍了热式气体质量流量计与几款流量计的性能对比，并着重介绍了它在沼气发电机组的具体应用。
关键词： 热式气体质量流量计 计量 修正公式
Abstract: The article introduce performance balance with thermal gas mass flowmeter and several flowmeter.also emphasizing introduce practical application in miasma electrical machine.
Key words: Thermal gas mass folowmeter Measure Modificatory formula
1、 引言
随着国民经济的飞速发展，对电力的需求日益增大，尤其是在夏季电力短缺的现象就更日益突出。为了缓解电力短缺的问题，很多企业都想出了很多方法，一方面节约用电，另一方面，有能力的厂家自己发电解决用电紧张问题。例如污水处理行业，他们利用在污水处理中产生的沼气发电，目前沼气发电技术是在国际上也仅有少数几个国家掌握，国内气体发电机组厂家仅有我厂的发电机组在高碑店污水处理厂得到了很好的应用，高碑店污水厂利用沼气发电与厂内供电并网，利用余热回收装置用于加热消化污泥使厂的能源消耗达到了很好的性价比。机组自今年3月30日正式使用至今，已累计连续运行3000余小时，每天平均发电1万kW·h，累计发电量约为120万kW·h，为企业创造了可观的经济效益。企业关注的是效益，关注的是1m3气到底能发出几度电呢？传统的计量的方法有采用涡街流量计、超声波流量计、转子流量计等，效果都不甚理想。现在我们采用DCSY公司的QFM200热式气体质量流量计，它的成功运用，使长期困饶我们在计量问题上（理论设计与实际消耗相差太大）的难题得到了解决，由于它量程比宽可达1000：1，这样我们不同功率的机组可选用同一中规格的产品就可实现高精度测量。现就热式气体质量流量计的特点、原理、使用及与其他各款流量计的性能作一比较。
2、 热式质量流量计与涡街流量计、超声流量计、转子流量计等比较
2．1涡街流量计（气体）
▲ 涡街流量计特点：没有可移动部件、计量精度高、压力损失小
检测元件不与被测流体接触、输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。
▲ 涡街流量计原理：它是应用流体力学中的卡曼涡街原理来测量流体流量的。把一个旋涡发生体（圆柱体、三角柱等非流线型对称体）垂直插在管道中，当流体在管道中流动时，会在旋涡发生体后方左右两侧交替产生旋涡，形成旋涡列。这两列旋涡相互形成平行状，且左右交替出现，旋转方向相反。旋涡的频率f（Hz）与流体的平均流速v（m/s）及旋涡发生体的宽度（m）有如下关系： f=St*v/d （St为斯特劳哈尔系数，与旋涡发生体宽度d和流体雷诺数有关）
▲ 涡街流量计的使用相对简单，安装也比较方便，它分插入式和管道式两种。在安装时应注意流体的流动方向应同流量计指示的方向相同。
▲ 涡街流量计的缺点：量程比小（15：1）；受震动影响大；管道的大小与价格呈正比；需要温度压力补偿方可计量；小量程段不灵敏，不稳定，几乎不可测量。
2．2、超声波流量计（气体）
▲超声波流量计特点：没有压力损失；安装简单；与流体的温度、压力、粘度等本身性质无关；无可动部件；可测量脏污、腐蚀气体及多组分气体。
▲超声波流量计原理：在管道中测量测量顺流和逆流方向超声波的传播时间，再经过计算得出流体的流速。流体的流量则可以通过介质流速、管径，以及用雷诺数对流体进行动力学方面的校正后得到。
具体来说：在管道中以“Z”型装一对超声波传感器，两个传感器之间的距离L作为超声波的传播行程。超声波在两个传感器之间的顺流和逆流传播时间分别表示为：
Ts=L/（C+Vcosθ）；Tn= L/（C-Vcosθ）
式中C为声波在静止空气中的速度，它随气体性质变化的函数，单位：m/s。V为气体介质流速，单位m/s。θ为声波行程与管道轴线之间的夹角。
▲超声波流量计的使用也比较方便。在管道表面以“Z”型安装，应注意应把传感器安装处打磨光亮并涂敷黄油，用固定装置把传感器与管道拧紧即可。
▲超声波流量计的缺点：量程比小（15：1）；维护相对麻烦；气体精度高的价格高；计量需要温度、压力补偿；
2．3 转子流量计（气体）
▲转子流量计的特点：就地显示，无须电源；价格相对便宜；
它有两种材质，通常用的玻璃管转子流量计和金属管质量流量计。就地显示和远传显示皆可，接口有HART、标准电流信号、PROFIBUS等形式。
▲转子流量计的原理：转子流量计也是一种速度式流量计。它有两部分组成，一个是上大下小的锥形管，另一是放在锥形管中的转子（也称浮子）。利用流体通过转子与锥形管壁之间的空隙（节流面积）时产生的差压△P来平衡转子的重量。工作时，被测流体由锥形管的下端流入，从上端流出。流体对转子产生向上托力的大小F总是等于转子的重量G，即
F=△P*A；G=V*（ρt-ρf）g
由于 F=G 故 △P*A= V*（ρt-ρf）g
△P= V*（ρt-ρf）g/A （1）
式中V—转子的体积；A—转子的最大截面积；g—当地的重加速度；ρt-ρf分别为转子材质和被测流体的密度；△P为转子垂直方向上下流体的压差。有式（1）可知，在整个工作过程中，压差保持不变。在流量增加时，当然通过节流面积的流速也增加，只有增大节流面积，减低流速，以维持压差△P不变。故根据转子的平衡位置的高低就能读出流量的大小。可用式（2）表示
Q=k*h（2△P/ρf）1/2 （2）
式中k—为仪表常数；h—为转子浮起的高度。将式（1）代入可得
Q= k*h（2gV（ρt-ρf）/（ρf*A））1/2
▲转子流量计的使用比较方便，安装时拧紧相应的螺栓就可以了，但应注意流体的流动的方向一定垂直向上。
▲转子流量计的缺点：量程比小10：1；压力损失相对大；污物易堵塞；安装维护相对复杂；受震动影响大；需要温度、压力补偿等；管径大小与价格呈正比，一般在DN200以下。
2．4、热式气体质量流量计
▲热式质量流量计的特点：量程比宽可达1000：1；小量程段灵敏；不受温度、压力影响，直接测量气体的质量；压力损失可忽略；可实现大口径小流量高精度测量；价格与管道的大小相差不大；高精度可达1%；温度范围宽可达-70℃～450℃；对粉尘、颗粒物不敏感。
▲热式质量流量计的原理：它是基于热扩散原理的流量计。通俗的说，放在流体中的热源，在流体经过它时，热源本身的热量将会损失，流体的质量流量越大，热源损失的热量越大。这样流体的流量与热源损失的热量在理想的情况下应相等。故知道了热量的大小，我们就可以得出流体的流量。
具体对热式气体质量流量计（以下简称热式流量计）实现来说，就是：热式流量计的探头有两个探针，其中一只是参考点，用来测量流体的温度；另一只是加热源，用来充当热源。根据前述我们可有下式（3）
P/△T=A+B*（Q）m （3）
式中P—为电子模块为加热源提供的功率；△T—为加热源与参考点之间的温差；A、B、—为与流体本身性质有关的常数；m—为与流体本身性质有关的指数系数；Q—为流体的质量流量。从式（3）我们可以看出，实现流量测量有两种方法：P固定就是恒功率法；△T固定就是恒温差法。通常我们都采用恒温差法测量，恒温差法特点：小量程段特灵敏，反应速度也快，目前市场上流通的产品皆是采用此法。
▲热式质量流量计使用、安装比较方便，它有插入式、管道式两种形式。无论是插入式还是管道式，维护、操作极为简单，安装时应注意流体方向应同热式流量计指示的方向相同。
▲热式质量流量计的缺点：不适宜安装在粘度大的环境中安装；不适宜安装在水珠含量在40%以上的场所。
3、热式气体质量流量计在气体发电机组的应用
框图
传输电缆
整个系统是按照上图安装设计的，发电机组对气源的压力、组分要求不高，就高碑店污水处理厂而言，沼气的压力为气源压力2KPa，温度常温，沼气脱硫后的成分比：
H2S 0.653% CO2 33.7% CH4 62.3% O2 0.47%H2 0.063% N2 1.46%
由于成分复杂，气源压力不大，以前采用传统的流量计都达不到我们设计指标，经过我们对传统流量计的性能研究后得出的结论：在测量组分复杂，压力不大的工况条件，传统的流量计由于本身的局限性，已无法测量。因而，经过我们调研后，发现热式气体质量流量计完全符合我们的工况条件应用。我们采用DCSY公司的QFM200 插入式，流速范围：0.05～120m/s。在安装时在DN150管道上钻一个￠20的口，然后焊上一个M27X1.5的内螺纹底座，把带有锁紧接头的QFM200拧入底座中就可以了。安装也非常方便。由于它输出的标准的电流信号，可以直接接入计算机的采集卡，依靠专用软件实现对系统的综合管理，使我们的能源损耗和电能产出有了一个准确计算依据。
实际测试数据：
仪表为QFM200热式气体质量流量计，燃气压力为2kPa，环境温度为33℃，空气相对湿度50%。燃气管径φ150。
流量计测量值为燃气流速S（m/s），流量值为计算值。
计算公式为：Q＝ S×πR2×3600,R为管径0.075m。
流量计所测量的流速值是按空气成分进行标定的，当气体成份发生变化时，应进行修正。沼气组分如下：
成分 H2S CO2 CH4 O2 H2 N2
百分比% 0.653 33.7 62.3 0.47 0.063 1.46
修正公式：1/Fmix=V1/F1+V2/F2+……Vn/Fn
其中：Fmix为修正系数，Fn为各组分的系数，Vn为百分比。
各组分系数如下：
H2S CO2 CH4 O2 H2 N2
系数 0.933 0.795 0.823 0.946 1.019 0.946
经以上公式计算可知：修正系数为0.827。
从以上计算可以看出：机组在450kW时气耗率为1.97kW/m3。
4、结论
通过我们在高碑店污水处理厂的实际应用的情况看，热式气体质量流量计在气体测量方面的优势特别明显，尤其是在压力小、气体成分复杂的情况下。热式气体质量流量计同其他流量计相比有着压力损失小、量程比宽、小量程段灵敏等优点，更利于节约能源。它的成功应用，为今后气体发电机组提供了精确计量的设备。
参考文献
1、《流量计基础知识》流量网
2、《热式流量计基础知识》工控网
3、QFM200系列气体质量流量计指导手册----达诚盛业（北京）科技有限公司
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刘庆海 李贺
（胜利石油管理局动力机械厂内燃机研究所，257032）
平之
（达诚盛业（北京）科技有限公司100085）
摘要：本文介绍了热式气体质量流量计与几款流量计的性能对比，并着重介绍了它在沼气发电机组的具体应用。
关键词： 热式气体质量流量计 计量 修正公式
Abstract: The article introduce performance balance with thermal gas mass flowmeter and several flowmeter.also emphasizing introduce practical application in miasma electrical machine.
Key words: Thermal gas mass folowmeter Measure Modificatory formula
1、 引言
随着国民经济的飞速发展，对电力的需求日益增大，尤其是在夏季电力短缺的现象就更日益突出。为了缓解电力短缺的问题，很多企业都想出了很多方法，一方面节约用电，另一方面，有能力的厂家自己发电解决用电紧张问题。例如污水处理行业，他们利用在污水处理中产生的沼气发电，目前沼气发电技术是在国际上也仅有少数几个国家掌握，国内气体发电机组厂家仅有我厂的发电机组在高碑店污水处理厂得到了很好的应用，高碑店污水厂利用沼气发电与厂内供电并网，利用余热回收装置用于加热消化污泥使厂的能源消耗达到了很好的性价比。机组自今年3月30日正式使用至今，已累计连续运行3000余小时，每天平均发电1万kW·h，累计发电量约为120万kW·h，为企业创造了可观的经济效益。企业关注的是效益，关注的是1m3气到底能发出几度电呢？传统的计量的方法有采用涡街流量计、超声波流量计、转子流量计等，效果都不甚理想。现在我们采用DCSY公司的QFM200热式气体质量流量计，它的成功运用，使长期困饶我们在计量问题上（理论设计与实际消耗相差太大）的难题得到了解决，由于它量程比宽可达1000：1，这样我们不同功率的机组可选用同一中规格的产品就可实现高精度测量。现就热式气体质量流量计的特点、原理、使用及与其他各款流量计的性能作一比较。
2、 热式质量流量计与涡街流量计、超声流量计、转子流量计等比较
2．1涡街流量计（气体）
▲ 涡街流量计特点：没有可移动部件、计量精度高、压力损失小
检测元件不与被测流体接触、输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。
▲ 涡街流量计原理：它是应用流体力学中的卡曼涡街原理来测量流体流量的。把一个旋涡发生体（圆柱体、三角柱等非流线型对称体）垂直插在管道中，当流体在管道中流动时，会在旋涡发生体后方左右两侧交替产生旋涡，形成旋涡列。这两列旋涡相互形成平行状，且左右交替出现，旋转方向相反。旋涡的频率f（Hz）与流体的平均流速v（m/s）及旋涡发生体的宽度（m）有如下关系： f=St*v/d （St为斯特劳哈尔系数，与旋涡发生体宽度d和流体雷诺数有关）
▲ 涡街流量计的使用相对简单，安装也比较方便，它分插入式和管道式两种。在安装时应注意流体的流动方向应同流量计指示的方向相同。
▲ 涡街流量计的缺点：量程比小（15：1）；受震动影响大；管道的大小与价格呈正比；需要温度压力补偿方可计量；小量程段不灵敏，不稳定，几乎不可测量。
2．2、超声波流量计（气体）
▲超声波流量计特点：没有压力损失；安装简单；与流体的温度、压力、粘度等本身性质无关；无可动部件；可测量脏污、腐蚀气体及多组分气体。
▲超声波流量计原理：在管道中测量测量顺流和逆流方向超声波的传播时间，再经过计算得出流体的流速。流体的流量则可以通过介质流速、管径，以及用雷诺数对流体进行动力学方面的校正后得到。
具体来说：在管道中以“Z”型装一对超声波传感器，两个传感器之间的距离L作为超声波的传播行程。超声波在两个传感器之间的顺流和逆流传播时间分别表示为：
Ts=L/（C+Vcosθ）；Tn= L/（C-Vcosθ）
式中C为声波在静止空气中的速度，它随气体性质变化的函数，单位：m/s。V为气体介质流速，单位m/s。θ为声波行程与管道轴线之间的夹角。
▲超声波流量计的使用也比较方便。在管道表面以“Z”型安装，应注意应把传感器安装处打磨光亮并涂敷黄油，用固定装置把传感器与管道拧紧即可。
▲超声波流量计的缺点：量程比小（15：1）；维护相对麻烦；气体精度高的价格高；计量需要温度、压力补偿；
2．3 转子流量计（气体）
▲转子流量计的特点：就地显示，无须电源；价格相对便宜；
它有两种材质，通常用的玻璃管转子流量计和金属管质量流量计。就地显示和远传显示皆可，接口有HART、标准电流信号、PROFIBUS等形式。
▲转子流量计的原理：转子流量计也是一种速度式流量计。它有两部分组成，一个是上大下小的锥形管，另一是放在锥形管中的转子（也称浮子）。利用流体通过转子与锥形管壁之间的空隙（节流面积）时产生的差压△P来平衡转子的重量。工作时，被测流体由锥形管的下端流入，从上端流出。流体对转子产生向上托力的大小F总是等于转子的重量G，即
F=△P*A；G=V*（ρt-ρf）g
由于 F=G 故 △P*A= V*（ρt-ρf）g
△P= V*（ρt-ρf）g/A （1）
式中V—转子的体积；A—转子的最大截面积；g—当地的重加速度；ρt-ρf分别为转子材质和被测流体的密度；△P为转子垂直方向上下流体的压差。有式（1）可知，在整个工作过程中，压差保持不变。在流量增加时，当然通过节流面积的流速也增加，只有增大节流面积，减低流速，以维持压差△P不变。故根据转子的平衡位置的高低就能读出流量的大小。可用式（2）表示
Q=k*h（2△P/ρf）1/2 （2）
式中k—为仪表常数；h—为转子浮起的高度。将式（1）代入可得
Q= k*h（2gV（ρt-ρf）/（ρf*A））1/2
▲转子流量计的使用比较方便，安装时拧紧相应的螺栓就可以了，但应注意流体的流动的方向一定垂直向上。
▲转子流量计的缺点：量程比小10：1；压力损失相对大；污物易堵塞；安装维护相对复杂；受震动影响大；需要温度、压力补偿等；管径大小与价格呈正比，一般在DN200以下。
2．4、热式气体质量流量计
▲热式质量流量计的特点：量程比宽可达1000：1；小量程段灵敏；不受温度、压力影响，直接测量气体的质量；压力损失可忽略；可实现大口径小流量高精度测量；价格与管道的大小相差不大；高精度可达1%；温度范围宽可达-70℃～450℃；对粉尘、颗粒物不敏感。
▲热式质量流量计的原理：它是基于热扩散原理的流量计。通俗的说，放在流体中的热源，在流体经过它时，热源本身的热量将会损失，流体的质量流量越大，热源损失的热量越大。这样流体的流量与热源损失的热量在理想的情况下应相等。故知道了热量的大小，我们就可以得出流体的流量。
具体对热式气体质量流量计（以下简称热式流量计）实现来说，就是：热式流量计的探头有两个探针，其中一只是参考点，用来测量流体的温度；另一只是加热源，用来充当热源。根据前述我们可有下式（3）
P/△T=A+B*（Q）m （3）
式中P—为电子模块为加热源提供的功率；△T—为加热源与参考点之间的温差；A、B、—为与流体本身性质有关的常数；m—为与流体本身性质有关的指数系数；Q—为流体的质量流量。从式（3）我们可以看出，实现流量测量有两种方法：P固定就是恒功率法；△T固定就是恒温差法。通常我们都采用恒温差法测量，恒温差法特点：小量程段特灵敏，反应速度也快，目前市场上流通的产品皆是采用此法。
▲热式质量流量计使用、安装比较方便，它有插入式、管道式两种形式。无论是插入式还是管道式，维护、操作极为简单，安装时应注意流体方向应同热式流量计指示的方向相同。
▲热式质量流量计的缺点：不适宜安装在粘度大的环境中安装；不适宜安装在水珠含量在40%以上的场所。
3、热式气体质量流量计在气体发电机组的应用
框图
传输电缆
整个系统是按照上图安装设计的，发电机组对气源的压力、组分要求不高，就高碑店污水处理厂而言，沼气的压力为气源压力2KPa，温度常温，沼气脱硫后的成分比：
H2S 0.653% CO2 33.7% CH4 62.3% O2 0.47%H2 0.063% N2 1.46%
由于成分复杂，气源压力不大，以前采用传统的流量计都达不到我们设计指标，经过我们对传统流量计的性能研究后得出的结论：在测量组分复杂，压力不大的工况条件，传统的流量计由于本身的局限性，已无法测量。因而，经过我们调研后，发现热式气体质量流量计完全符合我们的工况条件应用。我们采用DCSY公司的QFM200 插入式，流速范围：0.05～120m/s。在安装时在DN150管道上钻一个￠20的口，然后焊上一个M27X1.5的内螺纹底座，把带有锁紧接头的QFM200拧入底座中就可以了。安装也非常方便。由于它输出的标准的电流信号，可以直接接入计算机的采集卡，依靠专用软件实现对系统的综合管理，使我们的能源损耗和电能产出有了一个准确计算依据。
实际测试数据：
仪表为QFM200热式气体质量流量计，燃气压力为2kPa，环境温度为33℃，空气相对湿度50%。燃气管径φ150。
流量计测量值为燃气流速S（m/s），流量值为计算值。
计算公式为：Q＝ S×πR2×3600,R为管径0.075m。
流量计所测量的流速值是按空气成分进行标定的，当气体成份发生变化时，应进行修正。沼气组分如下：
成分 H2S CO2 CH4 O2 H2 N2
百分比% 0.653 33.7 62.3 0.47 0.063 1.46
修正公式：1/Fmix=V1/F1+V2/F2+……Vn/Fn
其中：Fmix为修正系数，Fn为各组分的系数，Vn为百分比。
各组分系数如下：
H2S CO2 CH4 O2 H2 N2
系数 0.933 0.795 0.823 0.946 1.019 0.946
经以上公式计算可知：修正系数为0.827。
从以上计算可以看出：机组在450kW时气耗率为1.97kW/m3。
4、结论
通过我们在高碑店污水处理厂的实际应用的情况看，热式气体质量流量计在气体测量方面的优势特别明显，尤其是在压力小、气体成分复杂的情况下。热式气体质量流量计同其他流量计相比有着压力损失小、量程比宽、小量程段灵敏等优点，更利于节约能源。它的成功应用，为今后气体发电机组提供了精确计量的设备。
参考文献
1、《流量计基础知识》流量网
2、《热式流量计基础知识》工控网
3、QFM200系列气体质量流量计指导手册----达诚盛业（北京）科技有限公司