自整流V型皮托式流量計在煤氣流量測量中的應用

劉文達，葛 慧，李學林，孟慶晨

（1 山東鋼鐵集團日照有限公司信息計量部，山東 日照 276800；2 山東省冶金科學研究院有限公司，山東 濟南 250014）

1 前言

煤氣是冶金企業(yè)重要的能源介質(zhì)之一。由于煤氣的特殊性，在計量方面存在諸多困難，長期以來一直是流量計量工作中的老大難問題。近些年來，鋼鐵企業(yè)在《計量法》以及GB/T 21368—2008《鋼鐵企業(yè)能源計量器具配備和管理要求》等法律、標準的推動下，通過開展計量升級、ISO9000體系認證等計量管理工作，在煤氣計量上嘗試使用了多種流量儀表。通過實踐表明，某些類型的流量計并不適合于煤氣的流量測量。究其原因，主要是其在測量原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計上，無法解決煤氣臟污對流量計產(chǎn)生的不利影響。一種自整流V 型皮托式流量計采用了針對于煤氣特點的測頭型式和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且配套的流量計算機采用了多種針對于煤氣流量測量的專用流量補償算法，很好地解決了冶金企業(yè)煤氣流量計量所碰到的各種難題。

2 冶金企業(yè)煤氣的工況特點

任何一種流量計都不是萬能的，每種流量計都有對被測介質(zhì)的要求，都有對流量范圍、溫度壓力范圍、安裝條件等要求。只有將測量對象和流量儀表特點有效對接，才能獲得成功應用。在實際能源計量工作中，對于一些難點介質(zhì)，只有從分析它們的介質(zhì)特點和流量工況特點入手，并結(jié)合當前流量測量儀表的產(chǎn)品技術現(xiàn)狀，才能解決這些能源計量的難點問題。

2.1 煤氣的介質(zhì)特點

（1）冶金企業(yè)的煤氣含水、含塵量高，介質(zhì)臟污，有的還含有焦油、萘等雜質(zhì)。這一特點是導致多種氣體流量計無法正常工作的首要原因。

（2）煤氣是混合氣體，同一種煤氣（高爐、焦爐、轉(zhuǎn)爐）在不同生產(chǎn)原料和生產(chǎn)狀況下其組分并不固定，尤其是煤氣管網(wǎng)中是多種煤氣的混合，管網(wǎng)中煤氣的組分更加難以確定。組分的變化會導致煤氣實際工況密度的變化，這就導致流量計的測量誤差。

（3）煤氣含有Cl 離子，對不銹鋼材質(zhì)具有較強的腐蝕性。如果流量計的材質(zhì)選用和制造工藝考慮不當，會嚴重影響流量計的使用壽命。

2.2 煤氣的流量工況特點

（1）實際管線中煤氣的壓力較低，流體流動產(chǎn)生的壓力損失要求較小。流動壓損要小，設計的管道尺寸就要比一般的流體管道要大。但是，管道口徑大導致的后果就是煤氣的流速較低，不便于流量的測量。

（2）直管段往往不能滿足流量計安裝的需求，要求流量計對直管段不足的安裝現(xiàn)場，能夠有補償修正的算法。

（3）濕度對流量測量的影響很大。濕度不僅影響煤氣的實際工況密度，并且濕度問題處理不好，會導致煤氣輸送管網(wǎng)計量數(shù)據(jù)的不平衡。因此，煤氣流量計需要根據(jù)濕度計量出濕煤氣的干部分，才能從根本上解決煤氣濕度對流量測量的影響。

3 幾種煤氣流量計的比較

大口徑煤氣流量測量一直是能源計量中的一個難點。在實際中多以孔板、文丘里管、威力巴、氣體超聲波、熱式質(zhì)量流量計等作為檢測元件。主要有以下問題：

孔板和文丘里主要存在問題：①阻力損失大；②測量臟污介質(zhì)（如煤氣）取壓孔易堵塞；③必須在斷流的情況下安裝拆卸，對于連續(xù)運行的工藝管線，安裝困難；④管徑＞1.0 m 孔板不在國家標準（GB/T 2624—93）支持范圍內(nèi)。因此，孔板和文丘里在冶金企業(yè)煤氣測量中應用不理想。

威力巴和氣體超聲波是一種可以不停氣在線安裝的插入式流量計，這給安裝維護帶來很大方便。但是，由于轉(zhuǎn)爐煤氣中含有大量粉塵和水汽，威力巴迎流面上各取壓孔之間存在流體的微流動，導致取壓孔的堵塞。氣體超聲波也同樣因為煤氣中含有大量粉塵和水汽，探頭處易結(jié)污垢，造成聲波的反射和衍射，導致計量檢測的不準確、波動大。山鋼日照公司焦爐煤氣總管計量原在線用的氣體超聲波均存在該問題，最嚴重的每周就需要拆下來清洗，帶來很大的維護量和計量數(shù)據(jù)的丟失。

熱式質(zhì)量流量計也可以不停氣在線安裝，但是同樣因為轉(zhuǎn)爐煤氣中含有大量粉塵和水汽，實際轉(zhuǎn)爐煤氣的導熱特性已經(jīng)發(fā)生了很大變化，造成計量的不準確。如果在傳感器上有粉塵堆積，這就相當于給傳感器穿上了“棉襖”，使得測量值偏低；如果在傳感器上有水滴，這就會給傳感器“降溫”，使得測量值偏大。

近些年來，皮托管類的流量計在煤氣流量測量中逐漸得到了較好地應用。其中，一種自整流V型皮托式流量計采用了針對于煤氣特點的測頭型式和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且配套的流量計算機采用了多種針對于煤氣流量測量的專用流量補償算法，解決了冶金企業(yè)煤氣流量計量所碰到的各種難題。

4 專用于煤氣的自整流V型皮托式流量計

皮托管是一種經(jīng)典的流速測量元件，已經(jīng)具有多個國際、國家標準和檢定規(guī)程，廣泛地應用于風洞流量標準裝置、航空、氣象、環(huán)保等領域。針對冶金企業(yè)煤氣的特點，這一經(jīng)典的測量元件在測頭型式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，需要進行針對性的開發(fā)設計，才能很好地用于冶金企業(yè)煤氣計量。

4.1 自整流V型皮托式流量計的測量原理

用皮托管進行封閉管道氣體流量的測量是一種具有國際標準的測量方法。在工業(yè)測量領域，由于成本和現(xiàn)場環(huán)境的限制，自整流V型皮托式流量計依據(jù)采用單管的方式測量流量［2］，其流速傳感器依據(jù)皮托管原理設計，見圖1。傳感器處產(chǎn)生一個總壓和流體靜壓之間的差壓△P，該差壓與介質(zhì)流量qv的關系如下：

圖1 自整流V型皮托式流量計測量原理圖

式中：qv為工況體積瞬時流量，m3/s；D 為管道內(nèi)直徑，m；A為流速分布系數(shù)，無量綱；B為干擾系數(shù)，無量綱；K為測頭系數(shù)，無量綱；△P為差壓值，Pa；ρ為被測介質(zhì)密度，kg/m3。

在實際煤氣流量測量和計算中，差壓通過高性能的差壓變送器進行測量，密度根據(jù)煤氣的組分進行計算，公式中的測頭系數(shù)、流速分布系數(shù)、干擾系數(shù)是能否準確測量流量的關鍵。測頭系數(shù)通過風洞標準流量裝置進行標定來確定。

4.2 自整流V型皮托式流量計的測頭結(jié)構(gòu)設計特點

為了適應煤氣臟污、含水、腐蝕性強等特征，自整流V 型皮托式流量計設計了V 型帶整流槽的流速測頭。V 型測頭的角度經(jīng)過計算流體力學分析方法和流量標準裝置驗證，達到了最優(yōu)化設計。該種測頭能長期使用于煤氣、煙道氣等臟污介質(zhì)的流量測量，具有以下優(yōu)點：（1）取壓孔孔徑大，防臟污堵塞能力強；（2）V 型測頭為前后對稱型式，可用于雙向流的測量；（3）管線壓力1 MPa 以內(nèi)，均可不停氣在線開孔安裝；（4）帶有吹掃接口，可連接吹掃裝置，可用蒸汽或氮氣進行吹掃；（5）設計在線疏通裝置，可以在不停煤氣、不拆卸流量計的情況下，進行流量計的清灰、清渣維護，并且不會產(chǎn)生煤氣泄漏。

4.3 自整流V型皮托式流量計的防堵原理

測量冶金企業(yè)煤氣的流量計，關鍵是能適應介質(zhì)臟污，下面通過對比分析均速管式流量計堵塞的機理，來介紹自整流V型皮托式流量計所采用的防堵結(jié)構(gòu)設計，以及如何從原理上解決煤氣中臟污雜質(zhì)產(chǎn)生堵塞的這一問題。

（1）V 型皮托流量計采用大孔徑測頭，測頭取壓口的直徑達到10 mm。

（2）從測頭取壓口開始的整個取壓管內(nèi)介質(zhì)為靜止狀態(tài)，粉塵、焦油等污物不會被帶入引壓管路中，因此不會產(chǎn)生因粉塵埋積而導致的堵塞。

（3）由于測頭采用V 形切口設計，并且整個取壓管路為完全直通的，濕煤氣中的冷凝水隨時自動排出到管道中不會存積于引壓管路中。

（4）流量計配有在線吹掃裝置，一旦發(fā)生堵塞可隨時進行吹掃。由于測頭正負壓各只有一個取壓口，因此可以完全吹通，不會有均速管只能吹通測桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞的現(xiàn)象。

通過這些設計，自整流V型皮托式流量計很好地解決了在測量煤氣、煙道氣等臟污介質(zhì)的堵塞、取壓管內(nèi)壁結(jié)垢、積水等問題。

5 流量計算機在煤氣流量測量中的應用

自整流V 型皮托式流量計配套了流量計算機來完成信號采集和流量的補償修正計算。通過理論模型和試驗數(shù)據(jù)，利用流量計算機的強大運算能力，可以解決煤氣流量測量中的小差壓測量精度低、現(xiàn)場直管段不足等問題。流量計算機按照JJG 1003中的公式進行煤氣物性值的計算。

5.1 小差壓測量

由于冶金企業(yè)中的煤氣介質(zhì)工況密度小，流速低，插入式差壓流量計測量煤氣時，差壓值都較小，通常在幾十到幾百帕。如何提高小差壓測量的精度和穩(wěn)定性，是這類流量計能否成功應用于現(xiàn)場的關鍵問題。

自整流V 型皮托式流量計配套的流量計算機采用HART協(xié)議數(shù)字通訊和小波分析法，大大提高了小差壓測量的精度和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的4～20 mA 信號的分辨率有限，且模擬信號傳輸不可避免存在誤差，因此在小差壓的測量上誤差較大，導致較大的流量測量誤差。目前冶金企業(yè)使用的差壓變送器都帶HART 協(xié)議，通常HART 功能還僅僅停留在使用手操器設置量程和調(diào)整零點上。流量計算機直接采用HART 協(xié)議讀取變送器差壓的數(shù)字信號，徹底消除了模擬信號采集的誤差，大大提高了小差壓測量的精度。這一點在差壓式流量計的應用中有著質(zhì)的飛躍。同時，流量計算機采用小波分析算法，解決了干擾信號對小差壓信號帶來的波動大的問題?！靶〔ǚ治觥笔欠治鲈夹盘柛鞣N變化的特性，進一步用于數(shù)據(jù)壓縮、噪聲去除、特征選擇等的一種數(shù)學分析方法。

5.2 現(xiàn)場管道流體力學模型算法

現(xiàn)場煤氣管道可供流量計安裝的直管段不足是經(jīng)常會碰到的問題，也是很難解決的問題。流量計算機的出現(xiàn)，使該問題的解決成為可能。

首先，根據(jù)現(xiàn)場實際煤氣管道的走向、長度、口徑，以及上下游阻流件的類型，建立計算流體力學模型，模擬實際的流量范圍，擬合出干擾系數(shù)的修正算法公式；然后將此修正算法公式編入到流量計算機的軟件中。這樣流量計算機在安裝到現(xiàn)場后，即按照該修正算法公式，動態(tài)計算該管道的干擾系數(shù)，從而解決現(xiàn)場直管段不足的問題。

6 結(jié)語

自整流V型皮托式流量計自2018年11月投入使用以來，運行穩(wěn)定，沒有發(fā)生取壓部堵塞的故障，這說明針對臟污煤氣介質(zhì)而特殊設計的皮托管類流量計，完全能夠適應煤氣臟污問題。同時，該流量計測量的是點流速，可以在風洞中標定測頭系數(shù)，解決了以往大口徑流量計無法標定的難題，使得測量數(shù)據(jù)有說服力，符合計量需求。