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孔板流量計在浮法玻璃池爐使用中的問題跟蹤及解決方法討論

作者: 來源: 發布時間:2017-12-22 09:45:43

 摘 要:孔板流量計廣泛應用于工業生產中,其測量值是生產控制的重要依據。但是受某些因素影響,會出現嚴重的計量失真。通過對某型孔板流量計在某浮法玻璃池爐使用中的問題跟蹤,并結合流量計原理,對計量異常的特殊表現、原因以及解決方案進行了討論分析。

 
0 引言
        孔板流量計,是工業生產常用的流量計之一,它基于孔板對流體的節流原理,利用流體經過孔板時產生的壓力差而實現流量測量 [1] 。根據流體的連續性方程和伯努利(Bernoulli)方程,可推導出流量基本公式 :
        20171222094623.jpg
        式中:Q v — —工況下的體積流量,m 3 /s;
        α — —流量系數,無量綱,與節流裝置的結構形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比m、雷諾數Re、孔口邊緣銳度、管道粗糙度等因素有
關;
        ε — —可膨脹系數,無量綱,與孔板前后壓力的相對變化量、流體的等熵指數、孔口截面積與管道截面積之比m等因素有關;
        F 0 — —孔板孔口截面積,m 2 ;
        Δp — —孔板前后的壓力差,Pa;
        ρ 1 — —孔板前的流體密度,kg/m 3 。
 
        一般地,流體的成分、流量范圍、工作壓力和溫度確定后,可據此選擇流量計型號;型號一經確定,則α、ε、F 0 值也確定下來;因流體及其工況已知,故ρ 1 也已基本確定。此時, Δp 即與Q v 在一定范圍內呈線性對應關系。
 
        實際應用中,一般采用差壓變送器將壓力差Δp轉換為電信號傳至控制計算機,開方后代入程序中的計算公式,即可得出相應的流量值。另外,工況會在一定范圍內變化,因此公式中會加入溫壓補償;生產中的流量多要求為標準狀態,故需再將Q v 換算為標準狀態下的流量,這些都可直接編入公式,從而直接得出所需要的流量值??装辶髁坑嫿Y構簡單,本身無運動部件,主要是相關參數的確定,所以其性能穩定可靠。流量計的結構、尺寸、加工要求、安裝要求、使用條件等,都已實現標準化,使得其應用范圍比較廣。 但是,受一些異常因素干擾,孔板流量計也會出現數據失真,當流量值作為重要的控制參數時,就會對生產過程造成較大影響。下面以某浮法玻璃池爐為例,對其助燃空氣流量計異常時的表現、原因排查和分析進行討論。
 
1 流量計的具體應用
        某浮法玻璃池爐,以天然氣為燃料,用空氣助燃。 根據天然氣與氧氣反應的方程式CH 4 +2O 2 =CO 2 +2H 2 O,可以計算出天然氣完全燃燒時所需助燃空氣(含氧量按20.947%計算)理論體積流量約為同狀態下天然氣的9.5倍,通常稱該數值為空燃比或風氣比。助燃空氣量不足,天然氣不完全燃燒,火焰氣氛為還原氣氛,火焰發渾、發飄,池爐能耗增加;助燃空氣過剩,火焰氣氛為氧化氣氛,火焰發亮、剛性好,但過多的煙氣也會帶走更多的熱量,能耗也會增加。
 
該池爐共有6對小爐,由于使用芒硝碳粉作為熔制時的澄清劑,故各小爐要求氣氛各不相同,即各小爐的空燃比有差異。該池爐蓄熱室為全分隔式,每對小爐的助燃空氣量單獨計量,共有6個流量計,以對各小爐的助 燃 空 氣 量 分 別 進 行 測 量 。 助 燃 風 管 直 徑650mm,流量計選用的是某型平衡流量計,其孔板與普通孔板不同,如圖1。流量計壓差信號由差壓變送器轉換為4~20mA電信號傳至控制室,再由控制計算機經過一系列運算得標準狀態下的體積流量。各小爐所需助燃空氣目標流量,以小爐天然氣流量為基礎,乘以相應的空燃比,流量測量值作為控制系統的被控變量,而操縱變量是相應的流量閥執行器開度。一旦流量測量值出現偏差,控制系統就會據此進行調整。但如果測量值嚴重失真,就會造成助燃空氣流量出現異常,導致火焰狀態和氣氛的變化,進而影響池爐的溫度和玻璃的熔制質量。
流量孔板示意圖
2 流量異常及相關變化
        該池爐投產初期的一段時間內,多個小爐助燃空氣執行器開度相繼出現了較大變化,查看歷史曲線,發現首先是流量值較目標值出現較大偏差,然后執行器開度在控制要求下調整至新的狀態,但是執行器開度變化幅度明顯超出日常變化范圍。這種開度變化又分為兩種情況,一類是開度明顯變小,另一類是開度明顯變大,具體情況如下。
 
2.1 現象1
        1#、2#小爐執行器開度分別出現兩次較明顯的變化,其變化方向相同,都是開度大幅變小,如表1。查看助燃空氣歷史曲線,執行器開度變化前,流量值都有跳躍性升高,然后執行器開度逐步減小,檢查執行器工作狀態基本正常,其現場開度與計算機顯示值也基本一致。
         助燃空氣執行器開度變化情況
        但是,玻璃池爐其他方面的一些變化,表明助燃空氣流量發生了變化。首先,相對應的小爐火焰狀態發生了變化,火焰變渾、發飄,這些都是助燃空氣不足的表現,測量煙氣含氧量也有所降低。其次,相對應的支煙道溫度都突然大幅升高,表2,分別為兩個小爐異常時的支煙道溫度變化。支煙道溫度主要受煙氣流量、煙氣溫度、助燃空氣流量和溫度影響,綜合各參數變化情況,上述支煙道溫度升高很有可能是助燃空氣量減少所致。
        支煙道溫度變化情況(℃)
        由上述這兩項變化都推測出實際助燃空氣流量減少了,可初步判斷流量測量系統出現了異常。因此首先對差壓變送器進行了校準,但未發現明顯異常;然后對兩根取壓管進行了檢查和反吹,以防止其出現堵塞,也未發現明顯異常,流量顯示值都無明顯變化。而這些流量計都沒有設計旁通管路,無法將流量計拆下檢查和校準。
 
        鑒于相關參數的變化,以及流量計問題的不確定性,決定先人為恢復執行器開度。理由是,在外界條件變化不大的情況下,執行器開度與實際流量值有明確對應關系。具體做法是逐步調大空燃比值,以升高助燃空氣目標值,執行器隨之逐步升高。1#小爐空燃比逐步由9.0→13.0→17.0,2#小爐逐步由9.0→11.0→13.0,都遠高于正常值。但無論從火焰狀態,還是從支煙道溫度降低情況,都可看出實際助燃空氣流量較原狀態還有一定差距,因一時找不出癥結所在,只得將此問題暫行擱置。
 
2.2現象2
        zui后一次是5#小爐助燃空氣出現問題,但情況較 1#、2#有所不同,其流量持續低于目標值(11000 Nm 3 /h),盡管執行器開度逐步開大至100%,但空氣流量仍在逐步下降,zui低降至4400Nm 3 /h。
         5#小爐助燃空氣異常時相關情況
        針對此情況,首先檢查了執行器現場開度指示,也在100%位置;然后對差壓變送器進行了校準,未發現明顯異常;接著又對兩取壓管進行反吹,也未發現明顯異?!,F場觀察火焰狀態,變短、變亮、剛性好,支煙道溫度有所降低。
 
3 問題排查及相關變化
        由于 5#小爐助燃空氣流量與目標值相差太大,所以對其助燃風管路進行全面檢查。首先在執行器旁管道上開孔檢查,執行器葉片在全開位置,而且葉片無明顯松動。然后在流量計前方管道上開孔檢查,結果發現孔板上部被一塊紙板遮擋,遮擋面積約為管道的1/3,取出該紙板后,顯示流量突升至20000 Nm 3 /h,將執行器開度降到原數值后,助燃風流量也基本恢復至正常值。
 
        解決了5#小爐問題后,聯系到1#、2#小爐曾出現過的情況,遂對其余各助燃空氣流量計進行檢查,發現了類似問題:1#小爐助燃空氣流量計孔板處有4塊紙板,孔板大部被紙板遮擋;2#小爐助燃空氣流量計處有兩塊紙板,孔板約 1/2 被紙板遮擋。但是,將1#、2#助燃空氣流量計孔板前紙板取出后,它們的助燃風流量變化與5#情況不一致,如表4。對比前期1#、2#小爐的調整情況,逐步恢復了空燃比,即恢復助燃空氣流量目標值,火焰發亮、剛性變好,支煙道溫度也基本恢復。
        紙板取出后流量顯示變化(N/m 3 )
 
        流量計前和風箱內紙板全部取出后,各小爐助燃空氣流量恢復正常,天然氣燃燒狀況大幅改善,天然氣用量隨之下降,同時玻璃質量也有一定改善,尤其是生產超白玻璃時的氣泡明顯減少,表5為紙板取出前后各方面狀況對比。由于對助燃空氣系統管路進行了全面清理,之后各流量計沒再發生類似事故。
 
4 原因分析
4.1 紙板來源分析
        流量計前紙板取出后,又對其前管路進行全面檢查,以判斷紙板來源。助燃風機進風口處安裝有 30mm×20mm 菱形孔鋼絲網,以阻擋較大雜物,本次取出的紙板為350mm×200mm長方形狀,因此不可能從風機進風口吸入。檢查助燃空氣風箱時,發現死角處有兩塊紙板,另外風箱底部還有許多焊條頭和焊渣。
        紙板取出后前后狀況對比
 
        從助燃風箱內取出的紙板與流量計取出的是同一類紙板,為某型包裝的墊板。結合風箱底部的焊條頭和焊渣,可初步推斷曾在風箱內進行過電焊作業,而這些紙板為施工人員便于作業帶入的,作業人員完成后遺忘在風箱內。起初這些紙板都在死角位置,對各管道系統基本沒有影響。但是,受風箱內氣流影響,紙板狀態是不穩定的,尤其是氣流有較大波動時,比如風機異常停機又啟動,或者池爐燃燒換向過程,某塊紙板就會被吹入小爐助燃空氣管道內。如果是普通流量計孔板,孔口徑較大,紙板通過的可能性比較大;而這種平衡式流量計孔板為多孔式,如圖1所示,zui大孔直徑為200mm,紙板就會被阻擋在孔板前,從而影響空氣的正常通過。
 
4.2 計量變化分析
        由上述孔板流量計工作原理可知,流量與孔板前后壓力差 Δp(Δp=p 前 -p 后 )的開方值成正比。對于1#、2#助燃空氣來說,紙板僅遮擋了孔板的通氣孔,使得實際空氣流量變小,孔板后壓力p 后降低,Δp=p 前 -p 后 就會增大,系統按原公式計算出的流量值變大。但是,紙板遮擋孔板后,使得孔板孔口面積F 0 減小,α、ε也相應變化,相當于流量計型號發生了變化,即原計算公式已不再適用。這時盡管Δp有所增大,但F 0 減小幅度更大,故流量是減小的。
 
        由于流量數據失真,控制系統據此關小執行器開度,這又會造成實際風量進一步降低。助燃風空氣降低后,天然氣因燃燒不完全而導致火焰發揮、發飄,因通過的空氣量減少,支煙道溫度升高。而紙板取出后,其變化情況與此正好相反。其中,1#流量計孔板被遮擋的面積較大,所以其情況表現更加明顯。
 
        對于5#助燃空氣來說,紙板遮擋位置比較特殊,一方面部分遮擋了孔板通氣孔而導致實際空氣流量降低,并造成p 后 降低,另一方面因紙板停留位置靠上,正好將孔板前的取壓孔遮擋住,造成p 前更大幅度降低,導致Δp=p 前 -p 后 降低,系統計算出的流量值降低,控制系統據此開大執行器,zui終結果是助燃空氣實際流量略偏高,故支煙道溫度降低。紙板取出后,流量顯示值大幅升高。
 
4.3 計量異常對生產的影響分析
        由于紙板分次進入管道而遮擋流量計,每次對火焰狀態、池爐溫度和玻璃熔制質量的影響程度相對較小,有一個逐步累加的過程。而紙板的取出比較集中,天然氣燃燒狀態幾乎同時恢復,故對池爐溫度影響比較大,池爐的單位能耗明顯降低。1#、2#小爐助燃空氣孔板被相繼多次遮擋后,實際空氣量大幅下降,使得1#、2#小爐火焰氣氛呈過還原性。作為澄清劑的硫酸鈉,在強還原性氣氛影響下,發生如下反應:
 
        這兩個反應可造成玻璃中出現含單質硫的氣泡,顯微鏡下可觀察到泡壁有液珠狀硫 [3] 。紙板取出后,1#、2#小爐火焰恢復為弱還原狀態,這類氣泡相應大幅降低。
 
5 結語
        孔板流量計結構簡單、穩定可靠,但管路中的雜物可造成孔板或取壓管堵塞,從而導致測量數據失真。因此,安裝施工過程中,要對流量計前的管路進行認真清理,以免雜物堵塞孔板或測壓管。系統設計時,流量計前加裝適當的過濾裝置,盡量為流量計設計旁通管路,以便于檢查和校準;如有可能,可在流量計前方管道上設計觀察窗或檢查口,便于對流量計進行在線檢查??装辶髁坑嬙谑褂弥?,一旦發現計量異常,可綜合相關工藝參數的變化情況,判斷計量偏差方向,并據此對流量進行恢復,流量計正常后再進行精確管理。
下一篇:氯化氫合成系統水力噴射器的技術改造原因和效果分析

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