均速管流量計在在熱風(fēng)爐計量系統(tǒng)中的應(yīng)用

鋼鐵廠的二次能源主要有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣3種，這3種氣體燃料約占鋼鐵廠總能耗的30-40%。因此，合理使用二次能源，對鋼鐵廠的節(jié)能降耗有著十分重要的意義。某鋼廠在高爐熱風(fēng)爐技術(shù)改造XA 中，采用新技術(shù)、節(jié)能型計量儀表替代高耗能的孔板計量裝置，獲得了良好的效果。通過這一改造，既解決了計量不準(zhǔn)的問題又節(jié)約了能源。

GB17167《用能單位能源計量器具配備和管理通則》規(guī)定，煤氣計量準(zhǔn)確度不低于2級，空氣計量準(zhǔn)確度不低于2.5級。為了滿足這一規(guī)定，此次技術(shù)改造要求煤氣總管及煤氣分管和助燃空氣總管及其分管都要分別計量，以期解決過去高爐煤氣計量不準(zhǔn)、助燃空氣不計量的落后局面。

煤氣流量計量常用的計量儀表是差壓式節(jié)流裝置，其中以標(biāo)準(zhǔn)孔板應(yīng)用為最多，此外就是巴類流量計即均速管流量計。目前市場上常見的幾種均速管流量計有威力巴、阿牛巴以及德爾塔巴。均速管流量計與孔板相比較，其最大的特點是易安裝、少維護(hù)、壓損小、能耗低、精度高、磨損少。而這些特點正是我們所需要的。通過市場調(diào)研并與冶金同行交流后，我們選用了西安三聯(lián)測控設(shè)計制造的均速管德爾塔巴流量計作為這次技改的計量儀表。

1 均速管流量計簡介

   1.1 工作原理

流量計是基于皮托管測量流體高低壓的基本原理，由單孔演變成多孔的測量方式（引壓孔分布在管道內(nèi)徑上）。由于管內(nèi)流速中間快、兩側(cè)慢，不同流速產(chǎn)生的壓力在測量管內(nèi)取平均。均速管即由此而得名。

流量探頭的測量原理如圖，所示。將一根中空金屬桿沿直徑插入管道中，采用等面積法，在桿的迎流面和背流面制有成對的測壓孔，一般來說是兩對或多對。

圖1 測量原理圖

迎流面的多點測壓孔測量的是總壓，背流面測量的則是靜壓，利用測量流體的總壓與靜壓之差（d_p）來測量流量。

1.2 質(zhì)量流量的計算

流量計計算流量的方法與國際標(biāo)準(zhǔn)IS05167-1中的方法相似，其計算公式如下：

（1）

式中，qm為質(zhì)量流量，kg/s；ζ為探頭阻斷系數(shù)；ε為流體膨脹系數(shù)；d為管道內(nèi)徑，m；dp為差壓，Pa；ρB為介質(zhì)工況下密度，kg/m³。

公式中阻斷系數(shù)ζ是一個只與探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)、而與流體或介質(zhì)無關(guān)的參數(shù)。ζ與流量系數(shù)k的關(guān)系如下：

 （2）

膨脹系數(shù)ε在流量測量過程中，是用來定義壓力損失對介質(zhì)密度的影響量。對于不可壓縮性介質(zhì)如液體，其膨脹系數(shù)是1。對于可壓縮的介質(zhì)，如氣體、蒸汽，隨著管道內(nèi)壓力損失的增加和管道內(nèi)靜壓力的減小，膨脹系數(shù)將從1開始，按比例下降。

因為流量探頭只會引起極小的壓力損失，所以膨脹系數(shù)在大多數(shù)情況下非常接近于1。因此，在計算過程中，膨脹系數(shù)ε經(jīng)常被假定為一個常數(shù)。這個常數(shù)選取最大流量的2/3時的ε值，并按下面公式計算：

（3）

  1.3 帶溫壓補償?shù)牧髁坑嬎?/span>

帶溫壓補償?shù)臍怏w和蒸汽的流量由下式計算：

 （4）

式中，q_mD為流量探頭計算書中質(zhì)量流量（設(shè)計狀態(tài)），后面的開方項是來自于差壓變送器的輸出信號，即流量的百分比。中間開方項是考慮了溫壓補償，它是理想氣體的溫壓補償運算。

溫壓補償?shù)膶嵸|(zhì)是被測介質(zhì)在溫度和壓力偏離設(shè)計值時，其密度發(fā)生了變化。因此，通過理想氣體公式可以對蒸汽或者其它氣體進(jìn)行密度計算，從而達(dá)到溫壓補償?shù)哪康摹Ｃ芏扔嬎愎饺缦拢?/p>

式中，下標(biāo)為D的是指設(shè)計值，下標(biāo)為B的指工況值。

1.4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由流量傳感器、閥組、在線吹掃裝置、差壓變送器和DCS系統(tǒng)組成（見圖2）。運行時，將流量探頭測得的差壓、溫度和壓力信號（4-20mA）送至控制室盤后，采集到DCS系統(tǒng)中進(jìn)行模塊化組態(tài)，最終轉(zhuǎn)換成帶溫壓補償?shù)模ㄐ枰獣r）質(zhì)量流量（或體積流量）。

圖2 測量系統(tǒng)示意圖

2 流量計技術(shù)特點

均速管流量計與孔板相比較，我們認(rèn)為該流量計有以下6個方面的技術(shù)特點。

（1）應(yīng)用廣泛

可測量氣體，液體和蒸汽，不受介電常數(shù)限制，可以滿足同一工程中不同被測介質(zhì)的測量需要。

 （2）管道動力損失小、運行成本低

探頭的壓力損失僅有孔板的2-5%，節(jié)能效果十分明顯。而加裝流量計的根本目的是節(jié)能降耗，因此運行時的耗能即壓力損失一直是我們的關(guān)注點之一。

（3）安裝維護(hù)簡單

流量計安裝為開孔安裝無需斷開管道，較同規(guī)格的孔板安裝可節(jié)省90%的時間，而且費用低。根據(jù)安裝需要還可以實現(xiàn)在線開孔安裝和進(jìn)行在線拆卸與維護(hù)，這一特點對煤氣測量非常重要。

（4）防堵性能好

對于煤氣等帶有顆粒的介質(zhì)，堵的現(xiàn)象時有發(fā)生，是一個不好解決的問題。流量計在保證小壓損高強(qiáng)度的同時，引壓孔達(dá)到8mm，使探頭具有自清洗的防堵功能。而對于具有高密度的塵埃物質(zhì)的被測介質(zhì)，還可以加裝在線吹掃裝置，以保障惡劣工況下的正常使用。

（5）高精度

西安三聯(lián)SLFS系列均速管德爾塔巴流量計風(fēng)洞實驗測試，最新的數(shù)據(jù)表明，該流量計在直管段為7ID（ID管道內(nèi)徑）時，測量精度優(yōu)于1%，重復(fù)性優(yōu)0.1%，滿足了熱風(fēng)爐實際現(xiàn)場環(huán)境及安裝條件下所選用流量計的準(zhǔn)確度需要。

（6）探頭截面創(chuàng)新、差壓大

特別的探頭截面設(shè)計，使流量計具有壓損小、差壓大的效果，量程比達(dá)到30：1，且可實現(xiàn)雙向測量；探頭有明顯的高低壓分界點和加速段，加速段對流體產(chǎn)生平均3倍的加速效果，因此可以產(chǎn)生大而穩(wěn)定的差壓。

3 應(yīng)用效果

項目實施過程主要有以下幾個方面：流量計選型方案的確定、流量計的安裝、精度分析與節(jié)能分析。

3.1 流量計選型方案的確定

根據(jù)流量計廠家西安三聯(lián)測控選型要求，我們提供了介質(zhì)、流量、溫度和壓力、管內(nèi)徑及壁厚和管道方向等工藝參數(shù)。據(jù)此獲得選型方案如表1所示。

上述方案基于以下考慮：

（1）由于高爐煤氣含有較多的粉塵，采用在線可插拔結(jié)構(gòu)方便維護(hù)拆裝。后經(jīng)廠家建議加裝了帶差壓保持功能的在線吹掃裝置。實踐證明，有了在線吹掃裝置后，大大減少了拆出探頭的維護(hù)工作量。

（2）煤氣總管和分管直管段足夠長（大于廠家規(guī)定的前4ID后3ID），流體在管道中的分布基本對稱，因此，采用了部分插入探頭（約為全部插入長度的1/3），使單臺購置成本減少了約2/5。

（3）助燃空氣粉塵較少，采用非在線插拔結(jié)構(gòu)一次性安裝，且由于垂直分管直管段較短，探頭選擇為全插長度，以保證較高的測量精度。

3.2 流量計安裝

根據(jù)西安三聯(lián)測控提供的安裝方案（包括安裝示意圖、安裝步驟、安裝注意事項、信號設(shè)置），以保證流量計的安裝符合規(guī)定的要求。安裝中需要注意的問題如下：

（1）盡可能地將探頭安裝在上游沒有閥門的管線上，因為閥門對流體的干擾最大，會嚴(yán)重影響測量精度。

（2）差壓變送器應(yīng)高于探頭輸出位置安裝，以免造成引壓管中積存冷凝液影響測量效果。

（3）根據(jù)廠家安裝要求，達(dá)到1%測量精度的直管段長度是前4ID后3ID，安裝時應(yīng)盡可能的滿足。當(dāng)直管段不滿足要求時，探頭的安裝位置采用前2/3后1/3實際直管段長度的分布方式，有利于保證測量效果。

4 結(jié)束語

在煤氣測量和助燃風(fēng)測量中，流量儀表的選型是關(guān)鍵一環(huán)。在當(dāng)今流量儀表種類繁多的情況下，差壓式流量計的選型應(yīng)盡量滿足以下5方面的要求：

（1）重復(fù)性要好（優(yōu)于0.1%），準(zhǔn)確度要高（0.5%-1.0%），量程比要寬（30：1）；
   （2）相同精度情況下對直管段的要求要低；
   （3）壓力損失小，耗能要低；
   （4）流量計本身具有防堵能力，性能要長期穩(wěn)定、可靠耐用；
   （5）安裝維護(hù)簡單費用要低，且能滿足不停車檢修的特殊需要。

通過技術(shù)改造，已有的使用情況和測試結(jié)果證明，均速管流量計能較好地全面滿足差壓式流量計選型的這些基本要求。并且在直管段少，介質(zhì)比較臟的情況下具有較好的適用性。

均速管流量計的應(yīng)用，為我們解決了孔板測量精度低、維護(hù)不便（必須停產(chǎn)）、壓損大能耗高的問題，對鋼鐵廠合理使用二次能源、節(jié)能降耗有著十分重要的意義，給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。

熱風(fēng)爐計量系統(tǒng)改造投運兩年多以來，計量精度較高，數(shù)據(jù)可靠，測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度維持在2%左右，達(dá)到了技術(shù)改造目標(biāo)