關(guān)于冶金行業(yè)幾種差壓式大口徑氣體流量計(jì)的選用
發(fā)布時(shí)間：2023-10-18 01:29:14來源：hseauto.cn來源：..
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近幾十年來，隨著現(xiàn)代鋼鐵冶金行業(yè)的逐步發(fā)展，現(xiàn)代化、大型化已成為未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。大口徑（通常>DN300mm）的工藝管道在各個(gè)生產(chǎn)單元如燒結(jié)、煉鋼、煉鐵或公輔能源介質(zhì)管網(wǎng)中會(huì)經(jīng)常遇到，因此，無論是工藝控制需求還是能源計(jì)量管理，都對(duì)相應(yīng)的流量檢測(cè)提出了要求，尤其以氣體流量測(cè)量居多。從測(cè)量原理及制造角度來說，測(cè)量氣體流量的儀表有很多種，原則上都可以使用。但如果管道尺寸過大（一般>DN1000mm），一些傳統(tǒng)儀表如孔板、噴嘴或文丘里管等檢測(cè)元件不但體積和重量將大大增加，同時(shí)在儀表的標(biāo)定、檢測(cè)點(diǎn)位置的確定、安裝和維修等方面都帶來很多問題，有的根本無法滿足測(cè)量要求。另外大口徑管道氣體流量檢測(cè)的經(jīng)常是流量大、壓力低且設(shè)置于主管道上，在不同溫度、壓力或粉塵等復(fù)雜的工況下會(huì)使流量的測(cè)量變得困難而且不能經(jīng)常停氣檢修，因此選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便、重復(fù)性好、性價(jià)比高的流量計(jì)就顯得尤為重要。故本文主要針對(duì)幾種常用的差壓式流量計(jì)的特點(diǎn)和使用進(jìn)行闡述以供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
1 孔板
眾所周知，孔板流量計(jì)作為傳統(tǒng)的節(jié)流式差壓流量計(jì)，孔板不但在鋼鐵行業(yè)，同時(shí)也在電力、石油、化工有色等領(lǐng)域中廣泛的大量使用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前孔板仍占據(jù)著差壓式流量計(jì)50%～70%的比例。
孔板的流量測(cè)量是由一次檢測(cè)件（節(jié)流件）和二次裝置（差壓變送器）組成配套使用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，而且孔板節(jié)流裝置是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件可不需標(biāo)定直接依照標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 2624.2-2006/ISO 5167-2：2003）來生產(chǎn)。所以，選用前要充分考慮孔板流量計(jì)的弊端是否適用于工況：阻力損失大、量程比相對(duì)較小、測(cè)量臟污介質(zhì)（如煤氣）時(shí)取壓孔容易堵塞、高流速氣體是否會(huì)對(duì)入口邊緣處磨損嚴(yán)重、孔板上會(huì)不會(huì)結(jié)垢等等，因?yàn)殇撹F行業(yè)在對(duì)于大口徑管道氣體介質(zhì)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，基本意味著該工藝管線通常要常年運(yùn)行，而孔板須在斷流的情況下安裝拆卸，所以也要充分考慮維護(hù)和更換的可能。另外，更長(zhǎng)的直管段要求更是使得孔板流量計(jì)的安裝更加困難，采用流動(dòng)調(diào)整器雖然可以縮短直管段長(zhǎng)度，但它會(huì)使本來已經(jīng)很大的孔板永久壓損值進(jìn)一步加大，且如果流體中夾帶的雜質(zhì)在其中堵塞，則使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的工作量明顯增加。此外，在大口徑、大流量的工況下，孔板的能耗也相對(duì)較大。當(dāng)然，作為重要的一點(diǎn)，管徑>DN1000mm的孔板不在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 2624.2-2006）支持范圍內(nèi)，孔板的設(shè)計(jì)缺乏嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)。根據(jù)作者的工程使用經(jīng)驗(yàn)，一般工藝管徑≤DN500mm、壓損允許 0.5kPa時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)考慮孔板流量計(jì)。
2 均速管流量計(jì)
差壓式均速管流量計(jì)是以皮托管測(cè)速原理為基礎(chǔ)（如圖1所示），采用取樣原理、插入安裝方式，僅測(cè)取管道中一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速來推算流量的插入式流量計(jì)。現(xiàn)在一般在檢測(cè)桿迎著流向有數(shù)對(duì)動(dòng)壓檢測(cè)孔，所測(cè)動(dòng)壓和靜壓平均后傳至差壓變送器，流量與前后壓力差的平方根成正比。現(xiàn)有市場(chǎng)上均速管流量計(jì)多限于檢測(cè)桿的形狀和測(cè)孔數(shù)量不同而已，其它性能均大同小異。
這類儀表的共同特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓損小、安裝維修方便（可帶壓操作）、重復(fù)性好、是儀控系統(tǒng)中檢測(cè)大管道氣體流量性價(jià)比較高的儀表，屬節(jié)能型儀表，但一般準(zhǔn)確度不高，更不宜用于需要準(zhǔn)確計(jì)量的貿(mào)易結(jié)算。
下面以作者在寶鋼3#機(jī)增設(shè)煙氣脫硫改造項(xiàng)目應(yīng)用為例：為得到燒結(jié)煙氣量，共設(shè)置了4套均速管流量檢測(cè)裝置，均為超大口徑管道，分別如下：
（1）增壓風(fēng)機(jī)入口：6.8mx6.8m的鋼制管道，溫度0～200℃，壓力-400～200Pa，流量0～160x104Nm3/h；（2）除霧器出口：6.8mx 6.8m的鋼制管道，溫度0～100℃，壓力500～1000Pa，流量0～160x104Nm3/h；（3）旁路A、B煙道：4.66mx4.66m內(nèi)襯混黏土層的鋼制管道，溫度0～200℃，壓力-100～100Pa，流量0～90x104Nm3/h。
因現(xiàn)場(chǎng)的前直管段只有1～2D，為進(jìn)一步減小測(cè)量誤差，每套流量計(jì)都采用了兩根均速管十字交叉垂直安裝，然后采用環(huán)管取壓+微差壓變送器的方式。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，最終的測(cè)量結(jié)果雖能基本滿足工藝要求，但誤差基本≥3%。為防止取壓孔阻塞，每套流量計(jì)又配套一個(gè)自動(dòng)反吹掃控制柜，可自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行管路吹掃，吹掃周期和吹掃時(shí)間可自由設(shè)定。所以，對(duì)精度要求不高、量程比不大或壓損有要求的大口徑流量測(cè)量可以有選擇的選用均速管流量計(jì)。
3 V錐流量計(jì)
V錐流量計(jì)是一種創(chuàng)新性的差壓式流量測(cè)量裝置，與孔板的原理一樣，但是最本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置，而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置。它通過懸掛在管道中心的一個(gè)V型錐體來節(jié)流，這樣迫使流體以管線的中心線為中心，圍繞著錐體流過，從而流速發(fā)生變化（結(jié)構(gòu)見下圖2所示）。
與傳統(tǒng)節(jié)流元件相比，V錐流量計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）較高的準(zhǔn)確度（±0.5%）和重復(fù)性（±0.1%）；（2）無荷刻的直管段要求（可達(dá)前3D，后1D）；（3）適用于容易結(jié)垢的臟污氣體（如煤氣）；（4）氣液兩相測(cè)量；（5）相對(duì)壓損低（在同一流量下，壓損約為孔板的1/2～1/3）；（6）量程比寬（至少10：1）。
但作為大口徑氣體流量計(jì)來說，V錐流量計(jì)也存在著自身缺點(diǎn)：（1）作為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，可依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有限，原則上使得每臺(tái)流量計(jì)出廠時(shí)應(yīng)經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定，但實(shí)際情況良莠不齊，尤其在大口徑管道流量計(jì)體現(xiàn)尤為明顯。（2）大口徑的流量測(cè)量使得流量計(jì)外形體積增大，對(duì)生產(chǎn)和運(yùn)輸、安裝都產(chǎn)生一定影響，尤其是錐體的定位不準(zhǔn)將導(dǎo)致誤差加大。
寶鋼新疆八鋼中厚板遷建能介工程選用一臺(tái)DN1800的V錐流量計(jì)，介質(zhì)為混合煤氣；在寶鋼德盛某煤氣混合加壓站項(xiàng)目選用DN400、DN600和兩臺(tái)DN1000的V錐流量計(jì)，分別用于測(cè)量焦?fàn)t煤氣、高焦混合煤氣和高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣的流量測(cè)量；各項(xiàng)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)如表1所示。
從表1中數(shù)據(jù)看每臺(tái)流量計(jì)的差壓都能保證一個(gè)比較理想的測(cè)量結(jié)果，而且經(jīng)過幾年的運(yùn)行和反饋，流量計(jì)的精度基本都在0.5～1%且比較穩(wěn)定，其中轉(zhuǎn)爐煤氣為間斷使用。當(dāng)然，上述測(cè)點(diǎn)前直管段基本能保證3～5D也是得到理想測(cè)量結(jié)果的一個(gè)前提。故作者認(rèn)為除潔凈氣體外，在測(cè)量煤氣流量方面V錐流量計(jì)有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
4 內(nèi)藏式雙文丘里管
內(nèi)藏式雙文丘里管是通過在被測(cè)管道中設(shè)計(jì)安裝一套特殊的雙文丘里管（如圖3所示），通過改變管道內(nèi)部部分氣流流場(chǎng)、提高局部流速、使其局部產(chǎn)生較大的差壓。通過理論計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)找出該局部差壓信號(hào)與管道內(nèi)所測(cè)介質(zhì)的流速、工作壓力、溫度、組份之間的函數(shù)變化關(guān)系，從而即可計(jì)算出流經(jīng)管道內(nèi)的流量值。
在冶金行業(yè)，低流速、低壓和大口徑的風(fēng)量、煙氣量的測(cè)量經(jīng)常遇到，管徑很多都超過1200mm，但管徑超過1200mm的節(jié)流裝置，目前國(guó)內(nèi)、國(guó)外均未建立標(biāo)準(zhǔn)，一般節(jié)流裝置的生產(chǎn)廠家無法進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn)。這就要求測(cè)量時(shí)永久性壓力損失要小，差壓值也不能過小；另外，大口徑管道對(duì)前、后直管段的要求在實(shí)際中有時(shí)很難達(dá)到，采用一般節(jié)流裝置很難實(shí)現(xiàn)。而內(nèi)藏式雙文丘里管流阻小，在相同條件下，其流體阻力僅約為標(biāo)準(zhǔn)文丘里管的15%，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的6%，標(biāo)準(zhǔn)孔板的3%；壓差值大；其對(duì)直管段的要求并不嚴(yán)格，連同直管段在內(nèi)，整套裝置為1.5D即可，但作者認(rèn)為實(shí)際使用中前直管段最好保持1～3D。
在酒鋼轉(zhuǎn)爐大型化改造工程中為測(cè)量AOD爐的出口煙氣流量，工藝管徑約DN1800，當(dāng)時(shí)外方建議采用經(jīng)典文丘里管，但根據(jù)ISO 5167規(guī)定，至少還需8～10D前直管段，且本身設(shè)備尺寸約為5D左右。經(jīng)過反復(fù)考慮比較，作者和業(yè)主認(rèn)為首先現(xiàn)場(chǎng)條件不能完全滿足前直管段要求，另外即使在犧牲測(cè)量精度前提下使用，設(shè)備的成本過高，運(yùn)輸和安裝都不方便，從而最終采用了內(nèi)藏式文丘里管，投運(yùn)后完全滿足了外方的設(shè)計(jì)要求。
在新疆寶新昌佳某石灰項(xiàng)目中要對(duì)窯頭、窯尾的高溫?zé)煔饬髁繙y(cè)量，管徑分別為DN400和DN600，有效直管段只有2m多，前面還有彎頭、閥門等部件。作者采用了內(nèi)藏式雙文丘里管進(jìn)行測(cè)量，這樣整體裝置只有1.2～1.5D左右，還保證了前2D后1D左右直管段，實(shí)際得到的流量誤差約0.5～1%，還是比較滿意的。所以，在低壓、低流速、大流量、大管徑工作狀態(tài)下要求差壓值大、永久壓損小的時(shí)候，使用該流量計(jì)可以使流量直管段大大減少，節(jié)省投資，達(dá)到良好的使用效果。
5 其它
綜上所述，除了孔板、均速管、V錐流量計(jì)和內(nèi)藏式雙文丘里管外，目前還有噴嘴、插入式文丘里管、彎管和平衡流量計(jì)等差壓式流量計(jì)。其中平衡流量計(jì)是近年來新發(fā)展起來的新型流量計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)孔板的基礎(chǔ)上，采取多孔流通的方式，能對(duì)流體進(jìn)行整流平衡，降低了渦流和振動(dòng)，同時(shí)測(cè)量范圍廣泛，是標(biāo)準(zhǔn)孔板的升級(jí)。大大避免了標(biāo)準(zhǔn)孔板在現(xiàn)場(chǎng)使用壓損大，前后直管段需要長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而且比標(biāo)準(zhǔn)孔板精度有了很大的提高，與孔板具有相同的使用方法和外形，因此可以直接進(jìn)行替換，不需要任何配管的變化和相關(guān)儀表的更改，很適合全廠能源計(jì)量EMS改造中將孔板改為平衡流量計(jì)，但價(jià)格相對(duì)高。
6 結(jié)語
大管道氣體流量的測(cè)量目前仍然是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，除本文介紹的差壓式的流量計(jì)外，還有氣體超聲波流量計(jì)、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)等形式，但往往價(jià)格高昂且不一定適用。因此作者建議應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況和業(yè)主實(shí)際需求來選擇，也期待將來差壓式大口徑流量計(jì)能像孔板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置一樣可直接根據(jù)尺寸直接制作不，并可估算其測(cè)量誤差，可以直接在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用方便廣大工程師和用戶。
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