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采用一体化热式气体质量流量计测量自来水的氨、氯气的水质是最佳的设计

作者: 来源: 发布时间:2018-03-01 13:32:02

    1.引言:众所周知,自来水厂在制水过程中,为了使自来水的水质达到一定的要求,常常加入微量的氨气和一定量的氯气。显然,这两种气体的流量的大小,将对自来水水质优劣产生较大的影响。过去自来水厂大多采用传统的玻璃转子流量计来测量这两种气体的流量。由于转子流量计只测量体积流量,而氨、氯气在供气过程中,其工作压力是不断地变化的,显而易见,这种无温度压力补偿的流量测量,其测量准确度是不高的。另外,转子流量计无输出远传电信号,供计算机处理控制。因此,无法实现控制室对现场管理监控的自动化过程。
    如上所述,利用无须温度、压力补偿的PBF型热式气体质量流量计(以下简称PBF型流量计),来测量氨、氯气的质量流量,是最合理的、最先进的方案。特别是对氯气流量的测量,由于其腐蚀性强,使许多流量计望而生畏,但对PBF型流量计却是轻而易举的事。我们在上海某自来水厂,使用了3台PBF型流量计,测量氨气流量。使用了4台PBF型流量计(防腐型),测量氯气流量。通过一年多的运行,获得了相当满意的结果:流量测量数据准确、测量响应速度快:结构简单、安装方便和防腐性特好等。

   2.PBF型流量计的结构及其工作原理


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    图1是PBF型流量计的结构及工作原理示意图。它利用流体(气体)与固体(传感探头)之间 的热传导原理,使气体流量的变化,以温度变化的形式检测出来,再转换成电信号,经放大线性处理后,输出与瞬时流量相对应的4~20mA电流信号、3- I/2 LCD瞬时流量显示和六位LcD累积流量显示。图1中,流量计由传感探头和电子组件组成。传感探头由两个传感器组成,一个是流体速度传感器,另一个是流体 温度传感器。测量时,传感探头插入流体中,感受流体的流速和温度。它们同时是电子组件桥路的两个桥臂,形成一个不平衡电桥。
    通电时,桥臂电流将速度传感器加热到高于流体温度T2一个温差△T的T1,即T1-T2=△T。不平衡电桥就变成平衡电轿。此时电桥便输出一个对应零流量的电压,经放大电路处理, 输出流量计的F限信号4mA:瞬时流量显示为000:且累积流量无累积动作发生,累积显示保持着原来的累积数字不变。
    当流体流经加热的速度传感器时,根据热传导原理,将会带走速度传感器的一部分热量,使其温度T1下降,而且流量越大,带走的热量越多,其温度T1下降也越大,电桥又变成一 个不平衡电桥。由于桥路的反馈控制作用,总要回到平衡电桥状态。为此,电桥必须在速度 传感器上流过与流量大小成正比的电流,使速度传感器回到平衡状态时的温度TI.这时桥路 便输出一个正比于流量大小的电压信号。经电路放大、线性化处理,使输出与流量成正比的 4~20mA之间的一个电流信号、瞬时流量显示为直到最大刻度流量的一个值、累积动作将以与瞬时流量成正比的速度进行累积。
    按上所述,设速度传感器的加热功率为p,速度传感器与流体的温差为TI-T2=△T,流 体的质量流速为pV。根据L.V King定理,即流体流经加热的速度传感器时所带走的热量Q,与对速度传感器加热到温度Tl的电功率P相等。得下列关系式:
    Q=[B+A√pV]x(T1-T2)
    P=[B+Ax√pV]x(T1-T2)
    式中,A、B是取决于速度传感器和流体性质的常数。p为标准状态下流体的密度。由于桥路的反馈控制作用T1-T2=-AT为一恒定的常数。所以桥路的输出(决定流量计输出的量)与流体的质量流速pV成单值函数关系。特别要指出的是由于速度传感器的热量是被流体中的分子所带走的,所以速度传感器测量的是流体的质量流速pv。因此只要乘以流体管道的截面积S,便可得到流体的质量流量Qm。即Qm=S x pV。
    3.氯气和氯气质量流量的测量
    3.1氯气流量的测量
    3.1.1测量流程图
    图2 供氯管理系统示意图  
   

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    图2是自来水厂的供氨管路系统示意图。图中FZ1和FZ2是厂里原先采用过的转子流量计的安装位置,其旁边的V1和V2是测量氨气工作压力的真空压力表。氨气是通过预先加满液态氨的钢瓶汽化后获得,然后流经PBF型流量计,测量其流量,再加入半成品的自来水中去的。氨气在流动管道中是处于负压状态的,大约为Pa=60~92kPa的绝对压力,由于在输氨气过程中,钢瓶内的液态氨重量越来越轻,因此氨气的工作绝对压力,也越来越接近大气压。也就是说,氨气的工作压力是不断地发生变化的,于是氨气的密度也是不断地发生变化的。在这种流体工况不断变化的情况下,要测得准确的氨气流量,必须采用PBF型流量计,测量其质量流量。我们认为这样的流量测量方法才是一种最科学、最合理的流量测量方法。
 
    3.1.2测量结果
    表l是四个液态氨钢瓶使用后,其重量的减少量的总和(由吊秤称得)和流量计A、流量计B累积流量总和两者之间的对比数据记录。这里用来称出氨气重量的吊秤 是一种精度较高的电子吊秤(日产),其精度为±0.1%,因此可作为计量标准。表中的数据表明,流量计测得氨气的累积流量数据与吊秤称出的氨气重量的数据非常接近,而且每次测试得到的两者之间的比例系数k几乎是相等的。根据表1中的每次的比例系数k的值,求得它们的平均比例系数为:kp= (0.903+0.905+0.898+0.895+0.904+0.900+0.903+0.902)/8=0.901。比例系数与平均比例系数之间的 最大误差max={(0.895-0.901)/0.901)×100%=-0.67%。可见的值是很小的,显然越小,说明PBF型流量计的测量结果越准确、可靠。

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    图3 是液态氨钢瓶的吊瓶称量减少量总和与两个流量计累积流量总和的折线比较图。两条折线的变化情况非常相似。几乎是平行的,即在每两次检测点之间不相交。为什么两条折线不能完全重合呢?我们认为,引起这种现象的主要原因是,由于氨气工况的变化,引起氨气密度变化所致。一句话,在变化的负压工况下,质量流量与重量流量是不会完全相等的。

    图4是安装在现场PBF型流量计与管理监控室计算机连接.记录下来的加氨与时间关系曲线图,这里摘录的是其中一段时间(Sep.-17-99到Sep-19-99)的记录曲线.观察曲线的形状,我们得到下面3个结论:1)输出曲线从零流量到工作流量的变化是垂直的矩形脉冲状。这说明流量计的输出响应速度是很快的,完全满足自来水厂加氨工艺的要求。2)工厂的管理者和工程技术人员,随时可以调用查看某月其日车间的加氨记录,对车间加氨氨的历史一目了然。例如,我们可以清楚地了解99年9月8日加氨的情况:上午6:30分开始加氨,流量计A的流量为2.5kg/h,流量计B的流量为2.2kg/h.到8:40分时停止了自氨.直到10:15分又开始加氨......。这样,既为工程技术人员改善加氨质量提供原始可靠的资料,又有利于万一出现异常情况时,为工厂管理者分析事故,提供原始可靠的依据。3)由于流量计灵敏度高,检测微小流量的能力强,记录曲线可帮助检查送氨管道是否完全关死。例如,由曲线可知,直到9月18日6:30分加氨之前,还有大约5kg/h×0.01=0.05kg/h的微小流量通过流量计,说明送氨管道没有关死。可是原使用的某外国公司的“ON/OFF”流量指示器的“NO FLOW”红灯却已亮着。转子流量计的浮子也死死地停在最低位置上。当排除管道上安装阀门的微漏后,流量计的瞬时指示值才为零显然。PBF型流量计的灵敏度要比“ON/OFF”流量指示器和转子流量计的灵敏度高得多。

    3.2氯气流量的测量
    3.2.1氯气流量测量的难度
    虽然百分之百的干氯气,不存在腐蚀性的问题。但由钢瓶中的液态氯获得的氯气却并非是完全的干氯气,因此自来水厂中的氯气是一种相当强的腐蚀性的气体。其它一些流量计因结构上的原因,无法胜任对氯气的测量。据反映有的流量计仅使用了三个月左右,就或被腐蚀掉、或显示误差大得吓人,仅当参考流量而己。而PBF型流量计由于结构上的特点,测量腐蚀性气体,却是轻而易举的事。

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    图1的结构可知,流量计只有传感探头保护罩部分接触腐蚀性气体,即使保护罩受到轻微的腐蚀也无害于覃内的传感体的正常工作.更何况保护罩可根据具体气体的腐蚀类型来选择适合的防腐材料制造。经过一年多的连续使用,PBF型流量计无任何故障。最近我们拆下一台流量计.观察处在氯气中的传感探头,没有发现它受到腐蚀的任何痕迹,依旧充满着金属的光泽一这充分证明了PBF型流量计,是最适台用来测量各种腐蚀性气体流量的流量计。

    3.2.2测量流程图
    图5是自来水厂的供氯管路系统图。在8个钢瓶内.加满液态氯,液态氯流出钢瓶后汽化得到氯气,氯气流经PBF型流量计,测量其流量,再加入自来水中去。氯气在管道中流动时,处于可变的负压工作状态。所以.质量流量和重量流量.在数值上是不相等的。
    3.2.3测量结果             
    表2是8个钢瓶液态氯重量的减少量之和(由吊秤称得)与流量计A、流量计B累积流量的总和的对比数据记录。表中的数据表明,与氨气流量测量的情况一样。流量 计的数据与吊秤称重值是非常接近的。而且比例系数几乎是相等的。比例系数的平均值为:k=0.895。比例系数间的最大误差为max= {(O.900.0.895)/0.89s}X 100%=0.56%。由此说明,PBF型流量计的测量结果是准确的,可靠的。
      

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    图6是液态氯钢瓶的吊称减少总量与流量计累积流量的折线比较图。两条折线的情况比较与氨气的情况一样,非常相似。两折线不能重合的原因,请参见氨气一段的分析,这里不再重述。
    图7是安装在现场的流量计与管理监控室计算机连接,记录下来的加氯与时间关系曲线,观察这两条记录曲线,得到的3个结论,也如氨气的情况一样。

    4.结束语

    由于加氨加氯量的准确度,对自来水质有很大的影响。笔者认为测量它们的质量流量比测量它们的重量流量更有实质性的意义。而就我国自来水厂目前使用自动化仪表的现状来说,采用无须温度、压力补偿就能测量质量流量的;具有输出电流信号,瞬时流量显示和累积流量显示功能的;一体化的PBF型热式气体质量流量计来测量氨、氯气的质量流量,是最佳的设计.这一设计,同样适台于对其它腐蚀性气体的流量测量。

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