玉鋼高爐風(fēng)口小套冷卻水監(jiān)控故障分析及改進(jìn)

徐存琴 雷 震 陳紅云

（玉鋼公司煉鐵廠）

1 前言

高爐風(fēng)口小套在高溫環(huán)境下工作：前端是2 000～2 350 ℃的爐內(nèi)高溫環(huán)境（燃燒帶），套中有1 230 ℃左右、高流速、大流量的熱風(fēng)持續(xù)不斷的通過(guò)，因此，一般采用高壓水（≥1.4 MPa，45 m3/h）來(lái)進(jìn)行冷卻。但是高壓水冷設(shè)備一旦燒壞就會(huì)向爐內(nèi)大量漏水，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理非常重要。如果高壓力的冷卻水發(fā)生變化甚至突然中斷而沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)影響爐況甚至給高爐生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失。一段時(shí)間來(lái)，玉鋼3#高爐風(fēng)口小套冷卻水流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障頻發(fā)，給生產(chǎn)帶來(lái)了較大影響。為保證高爐穩(wěn)定順行，煉鐵廠組織相關(guān)人員分析了故障原因，針對(duì)原來(lái)裝的渦輪流量計(jì)不適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境而導(dǎo)致幾乎全部損壞的現(xiàn)狀，提出了改進(jìn)方法。經(jīng)過(guò)改造優(yōu)化，儀表運(yùn)行平穩(wěn)，流量監(jiān)測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。

2 基本概況

玉鋼3#高爐有效容積1 080 m3，設(shè)有20個(gè)風(fēng)口，正常情況下熱風(fēng)溫度1 230 ℃，熱風(fēng)流量2 600 Nm3/min，熱風(fēng)壓力0.28 MPa。

風(fēng)口設(shè)備主要由風(fēng)口大套、中套、小套以及緊固件構(gòu)成，大套緊連著中套，中套頂端是小套。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)口小套冷卻水流量測(cè)量方法改進(jìn)前，采用溫州康福隆儀表有公司生產(chǎn)的KFL-Z型渦輪流檢測(cè)，其安裝方法如圖2所示，法蘭連接。

3 故障原因分析

3.1 渦輪流量計(jì)簡(jiǎn)介

3.1.1 渦輪流量計(jì)的基本原理[1]

根據(jù)流體動(dòng)量矩守恒原理，得出渦輪的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：T— 推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩；

J — 渦輪的旋轉(zhuǎn)慣量；

由上式可以看出：渦輪要轉(zhuǎn)動(dòng)，必須滿足主力矩T大于阻力矩Ti ，當(dāng)流量較小時(shí)，流量計(jì)內(nèi)雖然已經(jīng)有流體通過(guò)，但是渦輪并沒(méi)有立即轉(zhuǎn)動(dòng)，只有流量超過(guò)了閾值，主力矩T足夠克服阻力矩Ti，儀表內(nèi)部的渦輪才開(kāi)始旋轉(zhuǎn)起來(lái)，儀表才開(kāi)始測(cè)量流量。

其中Ti包括：①流體表面張力引起的張力力矩T1；②流體內(nèi)聚力引起的內(nèi)聚力力矩T2；③軸承與渦輪軸之間的相互摩擦引起的摩擦力阻力矩T3；④渦輪葉片切割磁力線時(shí)所引起的電磁力阻力矩T4。

3.1.2 渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)[2]

渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由渦輪、導(dǎo)流器、感應(yīng)線圈、永久磁鋼、殼體、支承構(gòu)成。

3.2 故障原因

（1）軸承磨損

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于使用的時(shí)間長(zhǎng)了，軸承不斷被磨損，流量特性逐漸變差，流量特性如圖4所示，流量較小時(shí)測(cè)不出來(lái)或測(cè)出來(lái)的值不準(zhǔn)。

圖 3 渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

（2）被測(cè)流體的潔凈度低

冷卻水里含有泥沙、碎石、樹(shù)葉、麻絲等雜質(zhì)，雜質(zhì)隨水流進(jìn)入儀表堵塞表腔、卡住葉輪或損壞了表內(nèi)部的零件。

（3）直管段不滿足要求

渦輪流量計(jì)用于工業(yè)測(cè)量一般要求直管段上游側(cè)≥20 D，下游側(cè)≥5 D，以保證流體經(jīng)過(guò)流量計(jì)時(shí)處于層流狀態(tài)，由于現(xiàn)場(chǎng)管道沒(méi)有足夠長(zhǎng)的直管段可供安裝，最多只有上游側(cè)6 D下游側(cè)5 D直管段，也沒(méi)有在上游側(cè)安裝整直（流）器流量器，流體在管道中形成了紊流狀態(tài)，管道內(nèi)流體分子相互作用加強(qiáng)，對(duì)渦輪的沖擊力減弱，降低了儀表的線性度。

3.3 儀表檢修維護(hù)方面的困難

（1）沒(méi)有旁路管道

由于沒(méi)有足夠的空間安裝檢修旁路管道，無(wú)論是正常生產(chǎn)或是休風(fēng)冷卻水都不能停，所以無(wú)法將渦輪流量計(jì)拆下來(lái)檢查、清洗、更換軸承。

（2）經(jīng)濟(jì)成本和人力成本高

精密儀表的配件更換或拆開(kāi)重裝，都需要進(jìn)行重新校驗(yàn)，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果來(lái)更改儀表系數(shù)，流量?jī)x表校驗(yàn)經(jīng)濟(jì)成本和人力成本高。

4 提高風(fēng)口小套冷卻水流量監(jiān)控可靠度的方法

圖 4 渦輪流量計(jì)特性曲線

基于風(fēng)口小套冷卻水檢測(cè)儀表的損壞原因，為提高檢測(cè)可靠度，減低故障率，將渦輪流量計(jì)更換成電磁流量計(jì)。

4.1 電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介

4.1.1 電磁流量計(jì)的測(cè)量原理[3]

導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度、自身的運(yùn)動(dòng)速度成正比，方向與磁場(chǎng)方向?qū)w的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直，如圖5所示。其表達(dá)式為：

EX=KBDV

式中：Ex感應(yīng)電勢(shì)；B磁感應(yīng)強(qiáng)度；垂直于磁力線方向的液體流速；D 管道直徑。

4.1.2 電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

電磁流量計(jì)主要由外殼、磁路系統(tǒng)、電極、襯里、和轉(zhuǎn)換器組成。磁路系統(tǒng)和電極埋在外殼與襯里之間的夾層內(nèi)，與外殼和襯里一起組成測(cè)量導(dǎo)管，轉(zhuǎn)換器是一個(gè)單獨(dú)的整體，通過(guò)緊固件固定在測(cè)量導(dǎo)管外殼上（一體式電磁流量計(jì)）或與測(cè)量導(dǎo)管分開(kāi)，與專用電纜與測(cè)量導(dǎo)管連接（分體式電磁流量計(jì)）。

測(cè)量導(dǎo)管的作用是供被測(cè)介質(zhì)通過(guò)，并將流量值轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢(shì)，轉(zhuǎn)換器的作用是將與流量成正比的感應(yīng)電勢(shì)放大，并轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

4.2 電磁流量計(jì)與渦輪流量計(jì)的適宜性對(duì)比

（1）耐磨性

電磁流量計(jì)：沒(méi)有可動(dòng)部分，不作相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的磨損；

渦輪流量計(jì)：在工作過(guò)程中渦輪需要連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)，時(shí)間長(zhǎng)了軸承磨損嚴(yán)重。

（2）容易卡塞方面

圖 5 電磁流量計(jì)測(cè)量原理

電磁流量計(jì)：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量管內(nèi)側(cè)沒(méi)有會(huì)阻礙被測(cè)流體流動(dòng)的部件，不會(huì)出現(xiàn)卡塞的情況。因此，該儀表適用于潔凈度不高的介質(zhì)。

渦輪流量計(jì)：有雜質(zhì)進(jìn)入表腔后，葉輪容易被卡塞住，儀表停止工作，沒(méi)有了流量顯示

（3）對(duì)被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的要求

電磁流量計(jì)：流量只與被測(cè)流體的流動(dòng)速度成正比，而與是否是層流或紊流狀態(tài)無(wú)關(guān)。

渦輪流量計(jì)：必須是層流狀態(tài)。

（4）對(duì)直管段的要求

電磁流量計(jì)：流量計(jì)上游側(cè)≥5 D，下游側(cè)≥2 D的直管段。

渦輪流量計(jì)：流量計(jì)上游側(cè)≥20 D，下游側(cè)≥5 D直管段。

（5）靈敏度、線性度

電磁流量計(jì)：沒(méi)有可動(dòng)部件，也就沒(méi)有機(jī)械慣性，不但反應(yīng)非常靈敏，瞬時(shí)脈動(dòng)流量都可以測(cè)量得出來(lái)，而且線性度很好。

渦輪流量計(jì)：因?yàn)橛锌蓜?dòng)部件，機(jī)械慣性較大，反應(yīng)速度慢，瞬時(shí)脈動(dòng)流量測(cè)不出測(cè)量，儀表剛啟動(dòng)、小流量、紊流狀態(tài)等情況下線性度較差。

（6）使用壽命

電磁流量計(jì)：因?yàn)闇y(cè)量管內(nèi)部沒(méi)有可動(dòng)部件，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，使用壽命長(zhǎng)。

渦輪流量計(jì)：由于渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承易損，降低了長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，影響使用壽命。

通過(guò)上述對(duì)比，電磁流量計(jì)更適合風(fēng)口小套冷卻水流量監(jiān)測(cè)。

5 實(shí)施及效果

5.1 實(shí)施方案

（1）根據(jù)工藝要求，重新設(shè)計(jì)風(fēng)口小套供水、回水流量監(jiān)測(cè)方案。主要為：①FL65047111A105ER5701121電磁流量計(jì)是2線制，即24 V供電電源和4～20 mA流量信號(hào)共用同一對(duì)線，原來(lái)的渦輪流量計(jì)是4線制，即電源線和4～20 mA流量信號(hào)線分開(kāi)，各用一對(duì)線，4～20 mA流量信號(hào)直接進(jìn)PLC。為實(shí)現(xiàn)2線制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與PLC有效隔離，以保護(hù)PLC的AI模塊，延長(zhǎng)其使用壽命， 供水、回水流量各加裝一只配電器，配電器型號(hào)為DGP-3100。②PLC的AI模塊配線方式不變，即 4線制4～20 mA ，PLC的AI模塊無(wú)需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)供電，DGG-3100配電器的5、6端子接收4～20 mA電流信號(hào)的同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁流量計(jì)供出24 V電源。③現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置電磁流量計(jì)的口徑、量程、流量系數(shù)等參數(shù)。④在現(xiàn)場(chǎng)用專用電纜將電磁流量計(jì)和轉(zhuǎn)換器連接?？刂圃砣鐖D6所示。

（2）利用高爐同步檢修時(shí)機(jī)實(shí)施改造安裝，并在PLC畫(huà)面上進(jìn)行調(diào)試。

圖 6 電磁流量計(jì)流量控制原理圖

5.2 實(shí)施效果

2017年8月趁高爐檢修將7#風(fēng)口小套進(jìn)水和回水管的渦輪流量計(jì)換成了MFL65047111A105ER5701121型分體式電磁流量計(jì)（共兩臺(tái)），更換后現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖7所示。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)踐，儀表運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，證明該款電磁流量計(jì)能夠適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。于2018年12月高爐年度檢修期間，將剩余的的38臺(tái)渦輪流量計(jì)全部更換成電磁流量計(jì)，經(jīng)過(guò)四個(gè)多月的運(yùn)行，無(wú)一故障。

圖 7 現(xiàn)場(chǎng)電磁流量計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

從風(fēng)口小套工作環(huán)境出發(fā)，對(duì)兩種流量計(jì)進(jìn)行較為系統(tǒng)的比較分析，找到了玉鋼高爐風(fēng)口小套冷卻水監(jiān)控故障頻發(fā)的原因，采用優(yōu)化改造后的風(fēng)口小套檢測(cè)系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，電磁流量計(jì)替代渦輪流量計(jì)，達(dá)到玉鋼3#高爐風(fēng)口小套冷卻水的檢測(cè)要求，實(shí)踐過(guò)程中取得較好的效果。

（1）采用電磁流量計(jì)，測(cè)量可靠度明顯提高，解決了測(cè)不出流量或測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題。

（2）電磁流量計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠幫助操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理因風(fēng)口小套燒壞或高壓冷卻水突然中斷出現(xiàn)的問(wèn)題，避免給高爐生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失，為高爐節(jié)能降耗、安全、穩(wěn)定、高水平生產(chǎn)創(chuàng)造條件。