摘 要：孔板流量計廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，其測量值是生產(chǎn)控制的重要依據(jù)。但是受某些因素影響，會出現(xiàn)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(xiàn)、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(yè)生產(chǎn)常用的流量計之一，它基于孔板對流體的節(jié)流原理，利用流體經(jīng)過孔板時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量。根據(jù)流體的連續(xù)性方程和伯努利（Bernoulli）方程，可推導出流量基本公式：

式中：Qv——工況下的體積流量，
m3/s；α——流量系數(shù)，無量綱，與節(jié)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(shù) Re、孔口邊緣銳度、管道粗糙度等因素有關；ε——可膨脹系數(shù)，無量綱，與孔板前后壓力的相對變化量、流體的等熵指數(shù)、孔口截面積與管道截面積之比m等因素有關；F0——孔板孔口截面積，m2；Δp ——孔板前后的壓力差，Pa；ρ1——孔板前的流體密度，kg/m3。
  一般地，流體的成分、流量范圍、工作壓力和溫度確定后，可據(jù)此選擇流量計型號；型號一經(jīng)確定，則 α、ε、F0值也確定下來；因流體及其工況已知，故ρ1也已基本確定。此時， Δp 即與Qv在一定范圍內(nèi)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(nèi)變化，因此公式中會加入溫壓補償；生產(chǎn)中的流量多要求為標準狀態(tài)，故需再將 Qv換算為標準狀態(tài)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。
  孔板流量計結構簡單，本身無運動部件，主要是相關參數(shù)的確定，所以其性能穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)失真，當流量值作為重要的控制參數(shù)時，就會對生產(chǎn)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(xiàn)、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(jù)天然氣與氧氣反應的方程式 CH4+2O2＝CO2+2H2O，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(tài)下天然氣的9.5倍，通常稱該數(shù)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(fā)渾、發(fā)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(fā)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 4～20m A 電信號傳至控制室，再由控制計算機經(jīng)過一系列運算得標準狀態(tài)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(tǒng)的被控變量，而操縱變量是相應的流量閥執(zhí)行器開度。一旦流量測量值出現(xiàn)偏差，控制系統(tǒng)就會據(jù)此進行調(diào)整。但如果測量值嚴重失真，就會造成助燃空氣流量出現(xiàn)異常，導致火焰狀態(tài)和氣氛的變化，進而影響池爐的溫度和玻璃的熔制質(zhì)量。

圖1 流量孔板示意圖

2、流量異常及相關變化：
  該池爐投產(chǎn)初期的一段時間內(nèi)，多個小爐助燃空氣執(zhí)行器開度相繼出現(xiàn)了較大變化，查看歷史曲線，發(fā)現(xiàn)首先是流量值較目標值出現(xiàn)較大偏差，然后執(zhí)行器開度在控制要求下調(diào)整至新的狀態(tài)，但是執(zhí)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(xiàn)象1：
  1#、2#小爐執(zhí)行器開度分別出現(xiàn)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(zhí)行器開度變化前，流量值都有跳躍性升高，然后執(zhí)行器開度逐步減小，檢查執(zhí)行器工作狀態(tài)基本正常，其現(xiàn)場開度與計算機顯示值也基本一致。

表1 助燃空氣執(zhí)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(fā)生了變化。首先，相對應的小爐火焰狀態(tài)發(fā)生了變化，火焰變渾、發(fā)飄，這些都是助燃空氣不足的表現(xiàn)，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(shù)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。

表2 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(tǒng)出現(xiàn)了異常。因此首先對差壓變送器進行了校準，但未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)堵塞，也未發(fā)現(xiàn)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(shù)的變化，以及流量計問題的不確定性，決定先人為恢復執(zhí)行器開度。理由是，在外界條件變化不大的情況下，執(zhí)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(diào)大空燃比值，以升高助燃空氣目標值，執(zhí)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(tài)，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(tài)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(xiàn)象2：
  ***后一次是 5#小爐助燃空氣出現(xiàn)問題，但情況較 1#、2#有所不同，其流量持續(xù)低于目標值（11000 Nm3/h），盡 管 執(zhí) 行 器 開 度 逐 步 開 大 至100%，但空氣流量仍在逐步下降，較低降至 4400Nm3/h。

表3 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(zhí)行器現(xiàn)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(fā)現(xiàn)明顯異常；接著又對兩取壓管進行反吹，也未發(fā)現(xiàn)明顯異?！，F(xiàn)場觀察火焰狀態(tài)，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(zhí)行器旁管道上開孔檢查，執(zhí)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(fā)現(xiàn)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 Nm3/h，將執(zhí)行器開度降到原數(shù)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(lián)系到1#、2#小爐曾出現(xiàn)過的情況，遂對其余各助燃空氣流量計進行檢查，發(fā)現(xiàn)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(diào)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(fā)亮、剛性變好，支煙道溫度也基本恢復。

表4 紙板取出后流量顯示變化（N/m3）

表5 紙板取出后前后狀況對比

  流量計前和風箱內(nèi)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(zhì)量也有一定改善，尤其是生產(chǎn)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(tǒng)管路進行了全面清理，之后各流量計沒再發(fā)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(wǎng)，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(fā)現(xiàn)死角處有兩塊紙板，另外風箱底部還有許多焊條頭和焊渣。
  從助燃風箱內(nèi)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(nèi)進行過電焊作業(yè)，而這些紙板為施工人員便于作業(yè)帶入的，作業(yè)人員完成后遺忘在風箱內(nèi)。起初這些紙板都在死角位置，對各管道系統(tǒng)基本沒有影響。但是，受風箱內(nèi)氣流影響，紙板狀態(tài)是不穩(wěn)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(nèi)。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，***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(tǒng)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 F0減小，α、ε 也相應變化，相當于流量計型號發(fā)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F0減小幅度更大，故流量是減小的。
  由于流量數(shù)據(jù)失真，控制系統(tǒng)據(jù)此關小執(zhí)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(fā)揮、發(fā)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(xiàn)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(tǒng)計算出的流量值降低，控制系統(tǒng)據(jù)此開大執(zhí)行器，***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(chǎn)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(tài)、池爐溫度和玻璃熔制質(zhì)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(tài)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(fā)生如下反應：Na2SO4＋2C＝Na2S＋2CO2Na2SO4＋Na2S＋2Si O2＝2Na2Si O3＋SO2＋S這兩個反應可造成玻璃中出現(xiàn)含單質(zhì)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(tài)，這類氣泡相應大幅降低。
 
5、結語：
  孔板流量計結構簡單、穩(wěn)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(shù)據(jù)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(tǒng)設計時，流量計前加裝適當?shù)倪^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?？装辶髁坑嬙谑褂弥校坏┌l(fā)現(xiàn)計量異常，可綜合相關工藝參數(shù)的變化情況，判斷計量偏差方向，并據(jù)此對流量進行恢復，流量計正常后再進行管理。