[導(dǎo)讀] 合理使用二次能源，對鋼鐵廠的節(jié)能降耗十分重要。某鋼廠在高爐熱風(fēng)爐技術(shù)改造中，采用節(jié)能型計(jì)量儀表替代孔板，獲得了良好的效果。改造中，通過合理選擇和應(yīng)用新型流量計(jì)，解決了煤氣流量計(jì)量中由于其壓力低，含塵多易堵塞的計(jì)量難點(diǎn)，為鋼鐵廠節(jié)能降耗、提高計(jì)量管理水平提供了一個(gè)有效的途徑。
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)改造中，采用新技術(shù)、節(jié)能型計(jì)量儀表替代高耗能的孔板計(jì)量裝置，獲得了良好的效果。通過這一改造，既解決了計(jì)量不準(zhǔn)的問題又節(jié)約了能源。
GB17167《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》規(guī)定，煤氣計(jì)量準(zhǔn)確度不低于2級，空氣計(jì)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(jì)量，以期解決過去高爐煤氣計(jì)量不準(zhǔn)、助燃空氣不計(jì)量的落后局面。
煤氣流量計(jì)量常用的計(jì)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(jì)即均速管流量計(jì)。目前市場上常見的幾種進(jìn)口均速管流量計(jì)有美國的威力巴和阿牛巴以及德國產(chǎn)的德爾塔巴。均速管流量計(jì)與孔板相比較，其最大的特點(diǎn)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(diǎn)正是我們所需要的。通過市場調(diào)研并與冶金同行交流后，我們選用了德國產(chǎn)的均速管流量計(jì)（以下簡稱流量計(jì)）作為這次技改的計(jì)量儀表。
1 均速管流量計(jì)簡介
1.1 工作原理
流量計(jì)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。
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圖1 測量原理圖
迎流面的多點(diǎn)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（dp）來測量流量。
1.2 質(zhì)量流量的計(jì)算
流量計(jì)計(jì)算流量的方法與國際標(biāo)準(zhǔn)ENIS05167-1中的方法相似，其計(jì)算公式如下：
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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(gè)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：
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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?yàn)榱髁刻筋^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(jì)算過程中，膨脹系數(shù)ε經(jīng)常被假定為一個(gè)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)選取最大流量的2/3時(shí)的ε值，并按下面公式計(jì)算：
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1.3 帶溫壓補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)算
帶溫壓補(bǔ)償?shù)臍怏w和蒸汽的流量由下式計(jì)算：
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式中，qmD為流量探頭計(jì)算書中質(zhì)量流量（設(shè)計(jì)狀態(tài)），后面的開方項(xiàng)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(xiàng)是考慮了溫壓補(bǔ)償，它是理想氣體的溫壓補(bǔ)償運(yùn)算。
溫壓補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是被測介質(zhì)在溫度和壓力偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，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(jì)算，從而達(dá)到溫壓補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｃ芏扔?jì)算公式如下：
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式中，下標(biāo)為D的是指設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)，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(bǔ)償?shù)模ㄐ枰獣r(shí)）質(zhì)量流量（或體積流量）。
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圖2 測量系統(tǒng)示意圖
2 流量計(jì)技術(shù)特點(diǎn)
均速管流量計(jì)與孔板相比較，我們認(rèn)為該流量計(jì)有以下6個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)。
（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(yùn)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(jì)的根本目的是節(jié)能降耗，因此運(yùn)行時(shí)的耗能即永久壓力損失一直是我們的關(guān)注點(diǎn)之一。
（3）安裝維護(hù)簡單
流量計(jì)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(shí)間，而且費(fèi)用低。根據(jù)安裝需要還可以實(shí)現(xiàn)在線開孔安裝和進(jìn)行在線拆卸與維護(hù)，這一特點(diǎn)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(shí)有發(fā)生，是一個(gè)不好解決的問題。流量計(jì)在保證小壓損高強(qiáng)度的同時(shí)，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
經(jīng)過德國TUV測試，最新的數(shù)據(jù)表明，該流量計(jì)在直管段為7ID（ID管道內(nèi)徑）時(shí)，測量精度優(yōu)于1%，重復(fù)性優(yōu)0.1%，滿足了熱風(fēng)爐實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境及安裝條件下所選用流量計(jì)的準(zhǔn)確度需要。
（6）探頭截面獨(dú)特、差壓大
獨(dú)特的探頭截面設(shè)計(jì)，使流量計(jì)具有壓損小、差壓大的效果，量程比達(dá)到30：1，且可實(shí)現(xiàn)雙向測量；探頭有明顯的高低壓分界點(diǎn)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(xiàng)目實(shí)施過程主要有以下幾個(gè)方面：流量計(jì)選型方案的確定、流量計(jì)的安裝、精度分析與節(jié)能分析。
3.1 流量計(jì)選型方案的確定
根據(jù)流量計(jì)廠家選型要求，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。
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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(shí)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(jì)安裝
根據(jù)合同約定，由廠家派出工程師進(jìn)行現(xiàn)場安裝指導(dǎo)，以保證流量計(jì)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?yàn)殚y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(shí)應(yīng)盡可能的滿足。當(dāng)直管段不滿足要求時(shí)，探頭的安裝位置采用前2/3后1/3實(shí)際直管段長度的分布方式，有利于保證測量效果。
（4）用于煤氣測量的在線吹掃裝置應(yīng)串接在靠近差壓變送器的位置，以保證吹掃時(shí)可以將引壓管內(nèi)的粉塵一起吹掃干凈。
3.3 精度分析
原測量系統(tǒng)僅在煤氣分管安裝了孔板流量計(jì)，因GB/T2624規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板管道公稱通徑上限為1200mm，因此，1600mm的煤氣總管已經(jīng)不符合該標(biāo)準(zhǔn)范圍，按規(guī)定應(yīng)實(shí)流標(biāo)定以確定流出系數(shù)。考慮到實(shí)標(biāo)費(fèi)用過高，因此放棄了煤氣總管的流量測量。分管上的孔板流量計(jì)由于煤氣粉塵多、濕度大、直管段太短（僅有8倍的管內(nèi)徑）等問題，導(dǎo)致測量偏差過大而無法正常使用。而且孔板拆卸困難不便維護(hù)，故確定技改中全部更換為均速管流量計(jì)。
高爐煤氣總管、分管和助燃空氣總管的直管段均符合廠家規(guī)定的前4ID后3ID的要求，因此，測量精度優(yōu)于1%，完全可以滿足煤氣計(jì)量準(zhǔn)確度不低于2級的國家規(guī)定。
助燃空氣分管為垂直布置，由于安裝空間位置的限制，直管段只有4倍的管內(nèi)徑長度。就廠家提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)測量點(diǎn)為前2ID后1ID直管段時(shí)，流量計(jì)仍有2%的測量精度。因此，可以確認(rèn)助燃空氣分管的測量精度在1.5-2%之間，滿足了空氣計(jì)量準(zhǔn)確度不低于2.5級的國家規(guī)定。
3.4 節(jié)能分析
應(yīng)用廠家提供的“能耗比較”計(jì)算軟件，將高爐煤氣分管原來使用的孔板壓力損失值0.404kPa和流量計(jì)相應(yīng)的壓損值0.0095kPa同時(shí)輸入軟件，并設(shè)定電費(fèi)單價(jià)為0.8元，得出孔板和流量計(jì)的能耗及費(fèi)用比較表，見表2。
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由以上數(shù)據(jù)可以看出，用于高爐煤氣分管流量測量的流量計(jì)的壓損僅有孔板的2.35%，每年每支流量計(jì)因此而節(jié)省能耗成本28774.85元，本次技改共替換了原有的三臺孔板，每年僅此一項(xiàng)就可以節(jié)約費(fèi)用86324.55元。
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(jì)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）永久壓力損失小，耗能要低；
（4）流量計(jì)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(fèi)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(jì)能較好地全面滿足差壓式流量計(jì)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(jì)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(jì)量系統(tǒng)改造投運(yùn)兩年多以來，計(jì)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)。