[導(dǎo)讀] 攀鋼2#高爐煤氣總量測量存在三大難題，即直管段長度不夠，系統(tǒng)允許壓損小，高爐煤氣中粉塵容易對流量計(jì)造成結(jié)垢和堵塞。文章通過利用測管流量計(jì)在風(fēng)洞試驗(yàn)中得出的結(jié)論，為在直管段長度不夠的條件下選用流量計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)；以及流量計(jì)采用了防堵塞、防結(jié)垢的特殊設(shè)計(jì)，且流量計(jì)本身基本無壓力損失等特點(diǎn)，解決了存在的三大難題。

 

 

 

    攀鋼2#高爐上代爐齡的熱風(fēng)爐為3座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，全年平均最高風(fēng)溫≤1100°C。由于2#高爐位于1#高爐和3#高爐之間，區(qū)域狹窄且無法擴(kuò)大，不可能以增加熱風(fēng)爐或采用外燃式熱風(fēng)爐等增加占地面積的措施來提高風(fēng)溫，因此，為了提高高爐送風(fēng)溫度，本代爐齡設(shè)計(jì)時(shí)選用了較先進(jìn)的頂燃式熱風(fēng)爐，設(shè)計(jì)平均風(fēng)溫可達(dá)1200°C。由此給測量熱風(fēng)爐燒爐用的高爐煤氣流量帶來了三大難題：

 

    （1）由于管道的變更，彎頭和閥門的增加，導(dǎo)致安裝節(jié)流裝置的前后直管段長度不足5D。

 

    （2）由于系統(tǒng)中管道和閥門較多，經(jīng)管道專業(yè)計(jì)算，節(jié)流裝置的壓損必須≤400Pa。

 

    （3）攀鋼高爐冶煉的是釩鈦磁鐵礦，由于原料的特殊性，導(dǎo)致高爐煤氣中高爐灰的粘結(jié)性很強(qiáng)，以往經(jīng)驗(yàn)說明幾乎所有的插入式流量計(jì)等小孔徑取壓口都會(huì)因?yàn)閲?yán)重堵塞而無法正常測量。

 

    如何保證在直管段長度不夠的情況下使測量方法既滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，又要最大限度地減少壓損，同時(shí)又要考慮到取壓孔不容易堵塞且方便在不停被測介質(zhì)的情況下進(jìn)行清洗等維護(hù)工作，這些都是我們自始至終必須考慮的問題。

 

    1 流量計(jì)量儀表的選型

 

    1.1 工藝參數(shù)

 

    管徑：DN1420´10（mm）

 

    氣體的組份（%）：CO：25.5，CO2：17.4，N2：55.6，O2：0.3，H2：2 

 

 

 

    最大流量140km3/h，常用流量：130km3/h，最小流量40km3/h

 

    直管段長度： 5D

 

    允許壓損：400Pa

 

    1.2 初步選型

 

    從工藝參數(shù)看，管道內(nèi)徑為1400mm，已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的允許范圍（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件中，具有粗焊鐵板收縮段的經(jīng)典文丘里管是允許管徑最大的，D≤1200mm），對于非標(biāo)節(jié)流件或其它差壓式儀表，必須進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定以確定其流量系數(shù)，目前國內(nèi)還沒有這么大的校驗(yàn)系統(tǒng)，超聲波流量計(jì)由于價(jià)格昂貴，且在攀鋼的煤氣測量中均不是很成功，不宜選用，所以可供選擇的流量儀表是插入式流量計(jì)。

 

    插入式流量計(jì)根據(jù)測頭的測量原理可分為點(diǎn)流速型儀表及徑流速型儀表，均速管就是典型的徑流速型儀表，均速管同樣存在標(biāo)定困難的問題，同時(shí)，由于它有多個(gè)全壓孔，當(dāng)孔阻塞時(shí)，要在線把各個(gè)孔都疏通是不可能的。點(diǎn)流速型儀表主要有插入式渦街、插入式渦輪、內(nèi)藏文丘里及基于皮托管原理的測管流量計(jì)等。點(diǎn)流速型插入式流量計(jì)的測頭常數(shù)可在風(fēng)洞中試驗(yàn)得到，通過測量得到管道某一點(diǎn)的流速，換算成管道的平均流速，將平均流速速與管道截面積相乘得到流量，可以說它是不受管徑限制的[1]。

 

    由于測量的流體中含有大量粘結(jié)性強(qiáng)的粉塵，任何儀表都無法在此條件下長期工作，所以必須選擇易于清掃的儀表。插入式渦輪及插入式渦街必須取出到管外進(jìn)行清掃，渦輪的清掃更為困難一些。內(nèi)藏文丘里由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更易阻塞，在線清掃也困難，而測管式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，可在不斷流條件下安裝，設(shè)計(jì)有在線吹掃裝置，可在線通入蒸汽或高壓氮?dú)獯祾?，不影響正常生產(chǎn)。所以，在插入式流量計(jì)中，測管式流量計(jì)具有一定的優(yōu)勢。

 

    除容積式儀表外，幾乎所有其它類型流量計(jì)對直管段長度都有嚴(yán)格要求，否則將造成較大的測量誤差，表前加裝流動(dòng)調(diào)整器是可行的辦法。但安裝流動(dòng)調(diào)整器后，將會(huì)增加壓力損失，以GB/T2624.2-2006中介紹的K-LabNOVA流動(dòng)調(diào)整器為例，其壓力損失系數(shù)K=2，管道最大流速&UPSilon;=25m/s，而密度ρ=1.13kg/m3，則流動(dòng)調(diào)整器的壓力損失為

 

 

 

    顯然加流動(dòng)調(diào)整器，壓損已超過允許壓損，那么如何解決直管段不夠長的問題呢？

 

    2 用試驗(yàn)方法確定對流量測量值的修正

 

    點(diǎn)流速型儀表對流場的要求是充分發(fā)展的管流，管道中存在各種阻流件，使流體發(fā)生畸變，影響測量的準(zhǔn)確，按國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，在一個(gè)彎頭條件下，將測頭置于管道中心時(shí)，直管段長度應(yīng)大于25D（D：管道直徑），其它條件下對直管段的要求遠(yuǎn)大于25D，但實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場往往不能滿足要求，這帶來測量誤可以達(dá)到15%以上。用插入管道中心的測管測量流量，其計(jì)算公式[2]為：

 

 

 

    式中：K為測頭常數(shù)，在風(fēng)洞標(biāo)定得到；ε為可膨脹系數(shù)；α為流速分布系數(shù)，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的公式計(jì)算；β為阻塞系數(shù)，插入管道部分對流通面積的影響系數(shù)，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的公式計(jì)算；γ為干擾系數(shù)，考慮到現(xiàn)場直管段不夠長等因素對流量測量的影響的修正系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)提示用試驗(yàn)方法確定干擾系數(shù)的數(shù)值。

 

    測管的生產(chǎn)廠為確定干擾系數(shù)，對一個(gè)彎頭后，不同直管段長度，流速從3~30m/s進(jìn)行試驗(yàn)，取得大量數(shù)據(jù)，擬合成計(jì)算干擾系數(shù)的公式，固化在流量計(jì)算機(jī)中。

 

    流體在管道內(nèi)的流動(dòng)是很復(fù)雜的，絕大部分是非充分發(fā)展管流，了解了管道內(nèi)流速分布，對流量的準(zhǔn)確測量是很有意義的，標(biāo)準(zhǔn)提供了用皮托管測量非充分發(fā)展管流的速度面積法[3]，測管的生產(chǎn)廠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求在測量截面上布置多個(gè)測量點(diǎn)，阻流件為一個(gè)彎頭，直管段長度為3D、8D，流速3~25m/s范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，在研究報(bào)告中，詳細(xì)地介紹了試驗(yàn)過程及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理結(jié)果。

 

    3 實(shí)施過程

 

    在2#高爐Φ1400煤氣管道90°彎頭后約5600mm處，安裝一支FJPE型測管流量計(jì)，并配有壓力變送器和鉑電阻，將變送器信號(hào)接入FC2000-1A流量計(jì)算機(jī)。由于現(xiàn)場直管段短，不能滿足ISO3966或ISO7145國際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的充分發(fā)展管流的條件，因此流量計(jì)算機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)算以《采用FJPE型測管在非充分發(fā)展管流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)》為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場具體條件進(jìn)行必要調(diào)整[1]。

 

    經(jīng)對儀表運(yùn)行數(shù)據(jù)長期觀察，并多次組織各有關(guān)部門結(jié)合工藝條件分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，從數(shù)月運(yùn)行結(jié)果看，儀表運(yùn)行穩(wěn)定與工藝參數(shù)相吻合。

 

    4 防堵塞措施

 

    在煤氣測量中不論采用何種流量計(jì)，堵塞和結(jié)垢的一直影響著儀表的正常使用，以均速管為例。由于均速管流量計(jì)測桿上各取壓孔處的流速是不同的（見圖1）[4]，則各取壓孔之間存在一定的壓力差，造成各取壓孔之間有介質(zhì)流動(dòng)，流動(dòng)的介質(zhì)中粉塵產(chǎn)生埋積，形成堵塞。另外，大多數(shù)工業(yè)煤氣中含有水份，水以水蒸汽狀態(tài)混合于煤氣之中，稱為濕煤氣，當(dāng)濕煤氣流入取壓孔內(nèi)，其中的水蒸汽接觸取壓管內(nèi)壁冷凝成水，并存積于取壓管內(nèi)，煤氣中的臟污粉塵隨冷凝水析出，在取壓管內(nèi)壁結(jié)垢；往往測桿下端測孔的堵塞較為嚴(yán)重，即使采用蒸汽或氮?dú)獯祾?，也只能吹通測桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞。攀鋼冶煉的是釩鈦磁鐵礦，由于其原料的特殊性，高爐煤氣中的粉塵粘結(jié)性極強(qiáng)，所產(chǎn)生的結(jié)垢、堵塞很難清除。

 

 

 

圖1 均速管流量計(jì)測量臟污介質(zhì)易發(fā)生堵塞示意圖

 

    針對測量煤氣等臟污介質(zhì)的特點(diǎn)，測管式流量計(jì)測頭的設(shè)計(jì)，吸取其它差壓流量計(jì)的長處及經(jīng)驗(yàn)，在分析均速管式流量計(jì)取壓孔容易堵塞機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用了獨(dú)特的蹄形切口結(jié)構(gòu)，見圖2。測管式流量計(jì)的測頭上僅有一個(gè)全壓取壓孔，取壓管內(nèi)介質(zhì)相對靜止，取壓孔內(nèi)不易形成粉塵埋積。由于測頭采用蹄形切口設(shè)計(jì)，向下安裝，濕煤氣中的冷凝水隨時(shí)滴入管道，冷凝水不會(huì)再存積于引壓管內(nèi)。另外，測管式流量計(jì)配有在線吹掃裝置，一旦發(fā)生堵塞可隨時(shí)進(jìn)行吹掃。這樣較好解決了在測量煤氣等臟污介質(zhì)的堵塞、取壓管內(nèi)壁結(jié)垢等問題[4]。

 

 

 

圖2 測管式流量計(jì)的測頭結(jié)構(gòu)圖

 

    5 結(jié)束語

 

    許多流量測量專家認(rèn)為：流量儀表的應(yīng)用甚至比儀表的研究、生產(chǎn)更為復(fù)雜，大量儀表在實(shí)驗(yàn)室都有優(yōu)良的性能，但儀表使用現(xiàn)場往往滿足不了其使用條件，造成不少流量計(jì)在使用中存在這樣或那樣的問題。從前面分析中，我們感到測管的生產(chǎn)廠比較好地考慮了現(xiàn)場條件對測量的影響，并盡可能地摸擬現(xiàn)場條件對儀表進(jìn)行試驗(yàn)，掌握了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)現(xiàn)場的應(yīng)用，在與生產(chǎn)廠多次接觸中，聽取他們的意見，充分應(yīng)用他們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。攀鋼2#高爐煤氣測量采用測管流量計(jì)，從根本上解決了存在的三大難題，至今運(yùn)行穩(wěn)定，測量偏差小。

 

    參考文獻(xiàn)

 

    [1]周國祥，王京安用FJPE型測管對非充分發(fā)展管流的試驗(yàn)研究[J]計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，（5）：461-464

    [2]ISO7145-1982，圓形橫截面封閉管道中流體流量測量——在橫截面的一點(diǎn)上速度的測量方法[S]

    [3]ISO7194-1983，測量封閉管道中的流量——在圓管中處于漩渦及非對稱流動(dòng)下用皮托管及流速計(jì)組的速度面積流量測量方法[S]

    [4]王京安測管式流量計(jì)在大口徑氣（汽）體流量測量中的應(yīng)用[J]世界儀表與自動(dòng)化，2009， （2）：46-47