渦輪流量計在不銹鋼退火爐天然氣測量中的應用
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、結構緊湊、容易維修等特點, 在冶金、化工等行業流量測量中得到了廣泛的應用。通過介紹渦輪流量計的結構、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用情況、出現的故障和解決辦法, 得出使用智能渦輪流量計應注意的幾點事項。
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, 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, 數字信號輸出, 容易維修等特點, 因而得到了廣泛的應用。
1、渦輪流量計的結構：
渦輪流量計在結構上主要由渦輪、軸承以及前置放大器組成。其結構如圖1所示。
圖1 渦輪流量計結構示意圖
其中渦輪是由具有導磁性能的不銹鋼材料制成的, 裝有螺旋狀葉片, 葉片數量根據直徑變化而不同, 2~24片不等。通常為了使渦輪對流速變化的響應特性好, 渦輪的質量應該盡可能的小。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的次數變換成電脈沖輸出, 通常采用的都是磁式前置放大器。
前置放大器由磁電感應轉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
磁電轉換器國內一般采用磁阻式, 它由磁鋼及外部纏繞的感應線圈組成。當流體通過使葉輪旋轉時, 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, 不斷地改變磁路的磁通量, 使線圈中產生變化的感應電勢, 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, 其旋轉速率會隨著流量不同而變化, 流速越高, 流體的動能就越大, 渦輪的轉動速度也就越快。代表著流體流量大小的渦輪轉速經磁電感應放大器轉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。而當儀表殼體內磁鋼產生的磁力線被旋轉的渦輪葉片切割時, 就會引起磁感應線圈磁通量的變化, 進而磁通周期變化信號經過前置放大器的放大、整形, 就會產生與流速成正比的脈沖信號, 脈沖信號經流量積算電路換算后顯示累積流量值, 同時經頻率電流轉換電路轉換成模擬電流量, 進而顯示瞬時流量值。
3、渦輪流量計的應用情況：
酒鋼不銹鋼廠退火爐溫度控制燃燒系統中, 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定耐用和高精度的是用于所有需求的工業計量儀表。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天然氣的用量。除此之外, 該流量計還具有結構緊湊、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個區上, 流量計的數據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渦輪流量計在結構上有些不同, 主要區別是前置放大部分是由機械齒輪傳動機構實現, 以及磁感應脈沖轉換機構不同, 但工作原理都是將渦輪的轉速轉換成一定頻率的脈沖信號。該渦輪流量計的使用壽命根據現場使用和維護經驗看大概是5~6年, 自不銹鋼廠2008年年底投產以來, 該渦輪流量計已經全部更換過一次。通常情況下儀表運行穩定無故障發生, 但隨著使用年限的增加, 也會發生一些問題和故障。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構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外連接軸位置是否在中心軸線上, 結果發現渦輪轉盤支撐軸磨損并出現卡滯現象。經過仔細觀察和研究, 調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, 不產生摩擦卡滯, 二是保證連接軸轉動靈活。這樣處理后, 以上的兩個問題故障全都解決, 同時經過重新比對校驗, 使得渦輪流量計又能正常使用和運轉。
5、結語：
隨著科學技術的不斷發展, 渦輪流量計不斷向著高精度和免維護方向發展, 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, 以及在使用中出現的故障和處理經驗, 得到以下結論: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和條件精準安裝;二是要經常檢查和定期校驗, 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;五是為了節約成本、物盡其用, 在壽命周期之內不要輕易給出更換流量計的決定。