FCI热式气体质量流量计改善

为蒸汽热水锅炉提供燃料的消化气系统

2021-06-17

对室外恶劣环境条件下的曝气或消化池沼气进行准确、可重复的空气/气体流量测量对于污水处理的成功至关重要。工厂工程师在测量反应器和消化池产生的气体流量时面临的挑战是：只有很少数量的流量计技术能够在污水处理厂因气候变化和肮脏的操作环境下，提供可靠稳定的测量。

伴随着室外天气条件从冰冻到高温炙烤，无论采用哪种处理方法，废水总是潮湿、肮脏、粘稠、有腐蚀性的流体状态。另外，工厂对污水处理的需求会因全年季节变化和其他因素而有很大的波动。虽然目前市场上至少有六到八种主流的空气/气体流量传感技术，但在这些具有限制性的工艺和环境条件下能被有效应用的很少。

在干旱的亚利桑那州南部，皮马地区废水处理再回收部门的工程师们都非常认真地对待他们的工作，包括涉及到公共卫生、安全、水的再利用和保护方面的流量测量仪表。他们负责设计、管理和维护3500英里的地区下水道清洁（输送）系统，该系统服务于图森市和6个下级区域的水再生设施。这一公共基础设施包括应用大量的空气/气体流量计。

皮马地区的污水处理厂工程师们正在尽自己的一份力量，在沙漠环境中通过循环利用宝贵的水资源来保护环境。该部门与图森水再生系统，通过包括灌溉国家公园、高尔夫球场和球场绿地等各种方式，一起使用其高度处理后的循环水或再生水，以及将处理后的循环水返回圣克鲁兹河流域。

利用再生水进行灌溉是一项高持续性的作业方式，可以节约亚利桑那州地下水和科罗拉多河流域的饮用水。再生水还用于维持和改善水生和野生动物的栖息地，有利于灰尘控制和地下水的长期储存。这个地区和城市经常被研究当地再生水系统的水治专家光顾访问，它们向这些水治专家展示了在沙漠中有效的水循环再回收的技术。

TresRios污水处理厂（图1）服务于图森市地区，每天处理约3000万加仑（MGD）的废水。这座现代化的污水处理厂工艺符合严格减少废水有机物的监管要求，满足最大允许的5000万加仑/天废水处理能力，预计可满足该地区到2030年的人口需求。

图1 - Tres Rios污水处理设施

Tres Rios污水处理厂全年每天24小时运行，是图森市下游主要的污水收集和处理的中间环节工厂。Tres Rios采用活性污泥曝气处理方法，处理后的再生水通过了亚利桑那州环境质量部门（ADEQ）允许的A+再生水要求。

问题

Tres Rios污水处理厂的工程师过去一直在考虑改造他们当前应用的FCI热式质量流量计，因为这些流量计已经在用于加热多个热水锅炉的燃烧器沼气摄入管道应用超过十多年。这些流量计测量从多个沼气消化池发酵产生的、作为锅炉燃料燃烧，为处理厂提供热水和蒸汽的甲烷流量。

污水处理消化池产生的气体是甲烷、二氧化碳和少量其他气体组成的混合气体。这些气体的组分会随着工艺和温度（季节性的）的变化而变化，但是Tres Rios污水处理厂要求新的流量计标定介质组分为：61%甲烷、33%二氧化碳、5%硫化氢和1%的水蒸气。

该污水处理厂新订购的流量计将被安装在现有的管径为8”的管道上，需要同时测量瞬时流量和累积流量。在介质温度范围78℉至110℉之间，标定流速设计为37 SCFM至500 SCFM，一般工艺运行流速为170 SCF、温度为95℉、操作压力30 psig。

准确、一致的流量测量对于沼气气量报告和整个工厂过程控制至关重要。地方、州和联邦当局通常要求将气体气量数据用于监管监测，以确保温室气体报告符合环保要求。

方案

因为这个污水处理厂应用FCI的热式质量流量计已经很多年了，现场负责人联系了当地的代理商和服务工程师。Tres Rios污水处理厂目前应用了超过60台FCI流量计，支持其现有的曝气工艺、消化池工艺和臭气控制应用。

重新审核当前的应用需求之后，FCI应用团队建议用户使用FCI最新的ST80系列热式质量流量计（图2）。这个系列的流量计采用最新的自适应传感器技术（AST），在污水处理等苛刻的应用环境中能够提供更高的准确性和重复性流量测量。

图2 – FCI ST80系列热式质量流量计

这个系列的流量计传感技术包含恒功率（CP）和恒温差（CT）自动切换的热扩散传感技术。当工作模式处于AST，流量计在启动过程中和小流速范围之内是CT模式测量，在中高流速时无缝切换到CT模式。结果表明这个系列的流量计是一个工作在低功耗、传感技术可靠性最优的快速响应型、宽量程比的流量计，降低了流量计的功耗。

FCI热式质量流量计设计包含一个坚固的、不易堵塞的、无任何活动部件的流量传感元件，仅将传感元件置入工艺流程中就可以提供直接质量流量测量。

这个系列的流量计测量精度是读数的±1%、满量程的±0.5%，重复性是读数的±0.5%，满足Tres Rios的技术规格要求，他们非常满意。量程比设计是从最小2：1到100：1，以适应温度大浮变动的需求。插入式安装配置的流量计流速测量从0.25 SFPS至1000 SFPS [0.07 NMPS至305 NMPS]，这个流速范围完全能够满足现场沼气应用的需求。

当然，一个组别标定即可满足当前很多的工艺要求，这个系列的流量计可选包含两个单独标定的组别。例如：ST80系列流量计可以标定为两个沼气组分不同的混合气组别标定，或者两个完全不相同的气体（沼气和天然气）组别标定。这个功能对于受季节性环境温度影响的工艺尤为重要，例如污水处理厂的曝气处理。

图3 – ST80流量计安装在沼气测量管道

ST80系列流量计包含多种模式的输出接口用于当前流行的工业控制系统的设置或组态。标准配置包含：兼容NE43的双路4-20mA模拟量输出、HART（版本7）和Modbus485；可选Foundation Fieldbus和PROFIBUS PA数字输出。

TresRios污水处理厂的工程师们对流量计便于观察的显示界面和通过玻璃触摸屏组态的功能（图4）尤其满意。标准显示是带背光的LCD屏幕，提供工艺流速、温度、累积流量、报警条件、诊断反馈和一个用户自定义的可编写字符段的数字读数和条形图显示。

图4 –流量计显示界面和触控屏按键

ST80系列流量计的变送器封装等级是NEMA 4X/IP67，采用铝制和不锈钢材质，适用于类似Tres Rios这种重型处理任务的污水处理厂。电气接口可提供NPT螺纹或者公制螺纹，完整仪表可提供全球HazEx认证，属于SIL 1设备。

结论