图1：圣克劳德市废水处理装置
横跨密西西比河的圣克劳德市，位于明尼苏达州中心区域，距离明尼阿波利斯和圣保罗这对双子城约65 英里。
这座大学城人口数量超过65000。美国第三大公立大学就座落在此城中，位于市中心和着名的休闲胜地海狸岛之间。
圣克劳德市的废水处理厂位于城市南部，同时也服务于附近的其他社区，包括圣奥古斯塔、圣约瑟夫、萨特尔、萨克拉匹兹和韦特公园。该废水处理厂因其高度创新和有效的可持续性方案，采用生物燃料和太阳能热电联产发电，而在州内和国内广受赞誉。
自 年起，城市中前瞻性思维的人士开始寻找可持续性绿色能源解决方案。经过数年时间，在设计和规划了一系列项目后，该废水处理厂如今通过一套20kW 屋顶
太阳能电池阵列、一套220kW 太阳能电池阵列和生物燃料发电设备提供再生能源。
根据能源测算，到 年，该厂所需能源的80%都将来自可再生能源。生物燃料将是满足该厂电力需求的主力。
生物燃料处理
圣克劳德废水处理厂对来自该地区的生活废水和工业废水采用标准的五步废水处理过程，包括三道处理工序、澄清和固体处理。在经过三道初步处理工序和澄清后，液体部分会在经过紫外光处理消毒后排出。剩余的固体物质在脱水后被送往厌氧消化池作进一步处理。这一处理过程包括15 天的沼气池加热过程 ，产生液体、气体和固体。
产生的所有生物燃料通过生物过滤器去除硫化氢气体，然后准备去除湿气和硅氧烷。处理好的生物燃料气被输送到630kW 热电联合发电机系统。这套发电机系统产生的电力足够满足该厂80%左右的电力需求。发电机系统热交换器产生和收集的2 MBtu/hr 热力被直接用于满足全年的流程和设备加热需求。
在100%效能下，生物燃料发电每年能产生540 万kWH的电力。在 年，该厂购置了520 万kWH 的电力用于处理每天输入的980 万加仑废水。根据每天的具体情况，如太阳能潜能，该厂可能会在某天100%依靠可再生能源运行。
气体流量测量
准确可靠地测量不同流量的厌氧消化气对废水生物燃料联合发电非常关键。厌氧消化气主要成分包括甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2），以及少量的其他气体。
厌氧消化气的组分根据工艺条件和环境温度（如夏季酷热或冬季严寒等季节性变化）不同而有所区别，但通常包含65%(5%) 甲烷和35%(5%) 二氧化碳。厌氧消化气是一种又脏又湿的气体，通常还含有硫化氢。而硫化氢可能会出现在任何管道或设备上的凝结水中。
甲烷是一种易燃易爆气体，因此需要使用防爆型流量计来测量。当使用厌氧消化气可以更有效地降低能耗时，多余的气体将作为废气通过火炬燃烧的方式进行处理。
精确稳定的流量测量对于报告厌氧消化气产量或工厂过程控制必不可。根据温室气体强制报告体系的要求，为了确保环保达标，联邦、州和当地政府出于监管的目的要求工厂提供气体生产数据。
在为厌氧消化气的测量选择流量计时，有一系列关键条件需要考虑：
测量精度和重复性
低维护量，无易堵的活动部件
简便的螺纹连接插入式设计，易于安装且只需简单的定期维护
宽量程比，精确的高低流量测量
符合Class1,Division1(Zone1) 区域防爆要求
根据厌氧消化气组分在出厂前进行实际气体标定
直接质量流量测量
带温度补偿，精确测量不受过程气体温度波动影响
圣克劳德市厌氧消化气系统
在 年，圣克劳德市设施团队为他们最初的厌氧消化气装置选择了四台流量计。当时所需的流量计主要用于满足环境监测需求，一台安装在1 号厌氧反应器，一台安装在2 号厌氧反应器，一台安装在火炬气总管上，最后一台安装在火炬气燃烧器上。圣克劳德市设施团队与Jasper Engineering（贾斯帕工程公司）和FCI 公司就设施要求进行了磋商。在对应用进行了评估之后，最终选择并使用了FCI 公司的ST98 型热式气体质量流量计。
ST98 流量计（图2）采用非常可靠的无活动部件设计，提供直接质量流量测量，且只需一个过程安装孔。其牢固的结构没有易于在潮湿肮脏的应用中堵塞的孔洞，并且可以提供符合全球性防爆认证的封装。
废水处理厂的员工意识到了ST98 流量计的优点。这款流量计采用先进的热式传感技术设计，降低了购置和安装费用。其他类型的气体流量传感器通常需要另外安装温度、压力传感器和质量流量计算器才能推算出质量流量。
热扩散式传感技术提供直接的质量流量测量。热式流量计将两个带有热套管的铂电阻（RTD）温度传感器插入过程流体中（图3）。其中一个RTD 是加热端，而另外一个RTD 则直接测量实际过程温度。这两个传感器之间的温度差产生一个电压输出。这个电压输出与介质对RTD 的冷却效应成比例，因此可以用于计算介质的质量流量。
图2：FCIST98 型流量计
图3：热扩散技术工作原理
除了直接式质量流量传感技术，ST98 还带有内置的温度补偿，以确保在过程温度波动超过±30℉时仍能保证测量的重复性和可靠性。这种自动温度补偿的技术可以对冬季严寒和夏季酷暑这样的季节性温度变化进行自动补偿。
由于没有易堵的活动部件，ST98 流量计与其他需要大量维护的厌氧消化气测量原理相比，节约了大量的使用维护费。如今，这款流量计正以更低的寿命周期成本为燃气联合发电机提供精确的气体流量测量，确保工厂安全稳
定的运行。
圣克劳德市设施工程团队对于ST98 流量计±1%读数，0.5%满量程的精度和±0.5%读数的重复性很满意。而这款流量计可以提供牢固的NEMA 4X/IP66 级封装，经过机构认证可以满足防爆场合的要求，其中包括易燃的沼气和天然气。
新型生物燃料热电联产系统
年，当该厂决定对其生物燃料热电联产发电进行扩容时，ST98 流量计已经成功运行了7 年时间，因而成为了顺理成章的选择。新系统的设计是平均每分钟要产生160~180 标准立方英尺的厌氧消化气，在当时约可满足该
厂2/3 的能源需求。
一台流量计被安装生物过滤器前的湿气管线上，而另外一台流量计则被安装在发电机一侧（图4）。这两台流量计的实际气体组分设置并不相同。在湿气一侧，流量计按照65%甲烷、37%二氧化碳和1%水蒸气进行标定。而在干燥一侧，流量计则按照60%甲烷、38%二氧化碳和2%氧气进行标定。
图4：FCI ST98 型流量计安装
气体在从湿侧到干燥的处理过程中，会被加热到76.7℃(170℉)，然后冷却到1.7℃ (35℉) 以去除其中湿气。这一过程要求从湿侧到干侧的气体处理过程有30%的温度差值。该厂的Rockwell Logix 控制系统会同时监测气体产生
量和热电联产气体消耗量。如果经过交叉比对发现两台流量计的差值超出10%，则两台流量计都会被拔出进行清洁并执行标定检查。
新的插入式流量计采用45 度角斜向上安装。因为直管段不足，这两台流量计前都安装了插入平板式Vortab 流体调整器（VIP）以确保测量精度。
这两台新流量计带有球阀和在线插拔装置，用户无需停气就可以轻易地将流量计从管线上拔出，因而简化了检验和维护时的操作。
结论
新流量计在安装调试后经过数月的运行，状态平稳。如今，这两台流量计正为圣克劳德市废水处理厂保驾护航，确保着该厂的持续稳定运行。
