淺談關(guān)于冶金行業(yè)幾種差壓式大口徑氣體流量計的選用

張大力

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900）

淺談關(guān)于冶金行業(yè)幾種差壓式大口徑氣體流量計的選用

張大力

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900）

作者根據(jù)自己在工程項目設(shè)計中的經(jīng)驗并結(jié)合了目前鋼鐵冶金行業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的大口徑氣體流量計的使用狀況后，主要分析了幾種常用的差壓式大口徑氣體流量計的測量原理、特點及使用場合，同時也闡述了在不同工況使用中可能存在的問題，進行了優(yōu)缺點的比較從而進一步提出了設(shè)計選型上的建議，以便于設(shè)計人員能擇優(yōu)選擇一臺合適的流量計。

鋼鐵冶金 差壓式 大口徑 氣體流量計

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。大口徑（通常＞DN300mm）的工藝管道在各個生產(chǎn)單元如燒結(jié)、煉鋼、煉鐵或公輔能源介質(zhì)管網(wǎng)中會經(jīng)常遇到，因此，無論是工藝控制需求還是能源計量管理，都對相應(yīng)的流量檢測提出了要求，尤其以氣體流量測量居多。從測量原理及制造角度來說，測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元件不但體積和重量將大大增加，同時在儀表的標定、檢測點位置的確定、安裝和維修等方面都帶來很多問題，有的根本無法滿足測量要求。另外大口徑管道氣體流量檢測的經(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)雜的工況下會使流量的測量變得困難而且不能經(jīng)常停氣檢修，因此選用結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便、重復(fù)性好、性價比高的流量計就顯得尤為重要。故本文主要針對幾種常用的差壓式流量計的特點和使用進行闡述以供設(shè)計時參考。

表1 各項工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)

1 孔板

眾所周知，孔板流量計作為傳統(tǒng)的節(jié)流式差壓流量計，孔板不但在鋼鐵行業(yè)，同時也在電力、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，目前孔板仍占據(jù)著差壓式流量計50%～70%的比例。

孔板的流量測量是由一次檢測件（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)簡單，性能穩(wěn)定，使用可靠、價格低廉等特點，而且孔板節(jié)流裝置是標準節(jié)流件可不需標定直接依照標準（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的弊端是否適用于工況：阻力損失大、量程比相對較小、測量臟污介質(zhì)（如煤氣）時取壓孔容易堵塞、高流速氣體是否會對入口邊緣處磨損嚴重、孔板上會不會結(jié)垢等等，因為鋼鐵行業(yè)在對于大口徑管道氣體介質(zhì)進行流量測量時，基本意味著該工藝管線通常要常年運行，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和更換的可能。另外，更長的直管段要求更是使得孔板流量計的安裝更加困難，采用流動調(diào)整器雖然可以縮短直管段長度，但它會使本來已經(jīng)很大的孔板永久壓損值進一步加大，且如果流體中夾帶的雜質(zhì)在其中堵塞，則使現(xiàn)場維護的工作量明顯增加。此外，在大口徑、大流量的工況下，孔板的能耗也相對較大。當然，作為重要的一點，管徑＞DN1000mm的孔板不在國家標準（GB/ T 2624.2-2006）支持范圍內(nèi)，孔板的設(shè)計缺乏嚴格的科學依據(jù)。根據(jù)作者的工程使用經(jīng)驗，一般工藝管徑≤DN500mm、壓損允許0.5kPa時在設(shè)計時可能會考慮孔板流量計。

2 均速管流量計

差壓式均速管流量計是以皮托管測速原理為基礎(chǔ)（如圖1所示），采用取樣原理、插入安裝方式，僅測取管道中一點或多點的流速來推算流量的插入式流量計。現(xiàn)在一般在檢測桿迎著流向有數(shù)對動壓檢測孔，所測動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?，F(xiàn)有市場上均速管流量計多限于檢測桿的形狀和測孔數(shù)量不同而已，其它性能均大同小異。

這類儀表的共同特點是：結(jié)構(gòu)簡單、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)中檢測大管道氣體流量性價比較高的儀表，屬節(jié)能型儀表，但一般準確度不高，更不宜用于需要準確計量的貿(mào)易結(jié)算。

下面以作者在寶鋼3#機增設(shè)煙氣脫硫改造項目應(yīng)用為例：為得到燒結(jié)煙氣量，共設(shè)置了4套均速管流量檢測裝置，均為超大口徑管道，分別如下：

（1）增壓風機入口：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)場的前直管段只有1～2D，為進一步減小測量誤差，每套流量計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)過一段時間運行，最終的測量結(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，每套流量計又配套一個自動反吹掃控制柜，可自動或手動進行管路吹掃，吹掃周期和吹掃時間可自由設(shè)定。所以，對精度要求不高、量程比不大或壓損有要求的大口徑流量測量可以有選擇的選用均速管流量計。

3 V錐流量計

V錐流量計是一種創(chuàng)新性的差壓式流量測量裝置，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錐流量計具有許多優(yōu)點：（1）較高的準確度（±0.5%）和重復(fù)性（±0.1%）；（2）無荷刻的直管段要求（可達前3D，后1D）；（3）適用于容易結(jié)垢的臟污氣體（如煤氣）；（4）氣液兩相測量；（5）相對壓損低（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來說，V錐流量計也存在著自身缺點：（1）作為非標準節(jié)流裝置，可依據(jù)的國家標準有限，原則上使得每臺流量計出廠時應(yīng)經(jīng)過實流標定，但實際情況良莠不齊，尤其在大口徑管道流量計體現(xiàn)尤為明顯。（2）大口徑的流量測量使得流量計外形體積增大，對生產(chǎn)和運輸、安裝都產(chǎn)生一定影響，尤其是錐體的定位不準將導(dǎo)致誤差加大。

作者曾經(jīng)在寶鋼新疆八鋼中厚板遷建能介工程選用一臺DN1800的V錐流量計，介質(zhì)為混合煤氣；在寶鋼德盛某煤氣混合加壓站項目選用DN400、DN600和兩臺DN1000的V錐流量計，分別用于測量焦爐煤氣、高焦混合煤氣和高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣的流量測量；各項工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)看每臺流量計的差壓都能保證一個比較理想的測量結(jié)果，而且經(jīng)過幾年的運行和反饋，流量計的精度基本都在0.5～1%且比較穩(wěn)定，其中轉(zhuǎn)爐煤氣為間斷使用。當然，上述測點前直管段基本能保證3～5D也是得到理想測量結(jié)果的一個前提。故作者認為除潔凈氣體外，在測量煤氣流量方面V錐流量計有著自己獨特的優(yōu)勢。

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管道中設(shè)計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、提高局部流速、使其局部產(chǎn)生較大的差壓。通過理論計算和風洞實驗找出該局部差壓信號與管道內(nèi)所測介質(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、低壓和大口徑的風量、煙氣量的測量經(jīng)常遇到，管徑很多都超過1200mm，但管徑超過1200mm的節(jié)流裝置，目前國內(nèi)、國外均未建立標準，一般節(jié)流裝置的生產(chǎn)廠家無法進行標定和校驗。這就要求測量時永久性壓力損失要小，差壓值也不能過??；另外，大口徑管道對前、后直管段的要求在實際中有時很難達到，采用一般節(jié)流裝置很難實現(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準文丘里管的15%，標準噴嘴的6%，標準孔板的3%；壓差值大；其對直管段的要求并不嚴格，連同直管段在內(nèi)，整套裝置為1.5D即可，但作者認為實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量AOD爐的出口煙氣流量，工藝管徑約DN1800，當時外方建議采用經(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)主認為首先現(xiàn)場條件不能完全滿足前直管段要求，另外即使在犧牲測量精度前提下使用，設(shè)備的成本過高，運輸和安裝都不方便，從而最終采用了內(nèi)藏式文丘里管，投運后完全滿足了外方的設(shè)計要求。

在新疆寶新昌佳某石灰項目中要對窯頭、窯尾的高溫煙氣流量測量，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)藏式雙文丘里管進行測量，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、永久壓損小的時候，使用該流量計可以使流量直管段大大減少，節(jié)省投資，達到良好的使用效果。

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、彎管和平衡流量計等差壓式流量計。其中平衡流量計是近年來新發(fā)展起來的新型流量計，在標準孔板的基礎(chǔ)上，采取多孔流通的方式，能對流體進行整流平衡，降低了渦流和振動，同時測量范圍廣泛，是標準孔板的升級。大大避免了標準孔板在現(xiàn)場使用壓損大，前后直管段需要長的缺點，而且比標準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，很適合全廠能源計量EMS改造中將孔板改為平衡流量計，但價格相對高。

6 結(jié)語

大管道氣體流量的測量目前仍然是一個比較復(fù)雜的問題，除本文介紹的差壓式的流量計外，還有氣體超聲波流量計、熱式氣體質(zhì)量流量計等形式，但往往價格高昂且不一定適用。因此作者建議應(yīng)根據(jù)實際工況和業(yè)主實際需求來選擇，也期待將來差壓式大口徑流量計能像孔板等標準節(jié)流裝置一樣可直接根據(jù)尺寸直接制作不，并可估算其測量誤差，可以直接在生產(chǎn)現(xiàn)場使用方便廣大工程師和用戶。

［1］毛新業(yè)，李偉建.大管道氣體流量檢測儀表［J］.電力設(shè)備，2008（12）∶8-11.

［2］武雅芝.V錐流量計與孔板流量計的比較［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2009（04）∶78-79+99.

［3］劉建華，常利華.內(nèi)藏式雙文丘里管風量測量裝置的研究與應(yīng)用［J］.工業(yè)計量，1999（S1）∶364-366.

張大力（1976—），男，上海人，本科，工程師，現(xiàn)就職于寶鋼工程技術(shù)集團有限公司。