关于冶金行业几种差压式大口径气体流量计的选用
发布时间：2023-10-18 01:29:14来源：hseauto.cn来源：..
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近几十年来，随着现代钢铁冶金行业的逐步发展，现代化、大型化已成为未来工业发展的必然趋势。大口径（通常>DN300mm）的工艺管道在各个生产单元如烧结、炼钢、炼铁或公辅能源介质管网中会经常遇到，因此，无论是工艺控制需求还是能源计量管理，都对相应的流量检测提出了要求，尤其以气体流量测量居多。从测量原理及制造角度来说，测量气体流量的仪表有很多种，原则上都可以使用。但如果管道尺寸过大（一般>DN1000mm），一些传统仪表如孔板、喷嘴或文丘里管等检测元件不但体积和重量将大大增加，同时在仪表的标定、检测点位置的确定、安装和维修等方面都带来很多问题，有的根本无法满足测量要求。另外大口径管道气体流量检测的经常是流量大、压力低且设置于主管道上，在不同温度、压力或粉尘等复杂的工况下会使流量的测量变得困难而且不能经常停气检修，因此选用结构简单、安装维修方便、重复性好、性价比高的流量计就显得尤为重要。故本文主要针对几种常用的差压式流量计的特点和使用进行阐述以供设计时参考。
1 孔板
众所周知，孔板流量计作为传统的节流式差压流量计，孔板不但在钢铁行业，同时也在电力、石油、化工有色等领域中广泛的大量使用，据不完全统计，目前孔板仍占据着差压式流量计50%～70%的比例。
孔板的流量测量是由一次检测件（节流件）和二次装置（差压变送器）组成配套使用，具有结构简单，性能稳定，使用可靠、价格低廉等特点，而且孔板节流装置是标准节流件可不需标定直接依照标准（GB/T 2624.2-2006/ISO 5167-2：2003）来生产。所以，选用前要充分考虑孔板流量计的弊端是否适用于工况：阻力损失大、量程比相对较小、测量脏污介质（如煤气）时取压孔容易堵塞、高流速气体是否会对入口边缘处磨损严重、孔板上会不会结垢等等，因为钢铁行业在对于大口径管道气体介质进行流量测量时，基本意味着该工艺管线通常要常年运行，而孔板须在断流的情况下安装拆卸，所以也要充分考虑维护和更换的可能。另外，更长的直管段要求更是使得孔板流量计的安装更加困难，采用流动调整器虽然可以缩短直管段长度，但它会使本来已经很大的孔板永久压损值进一步加大，且如果流体中夹带的杂质在其中堵塞，则使现场维护的工作量明显增加。此外，在大口径、大流量的工况下，孔板的能耗也相对较大。当然，作为重要的一点，管径>DN1000mm的孔板不在国家标准（GB/T 2624.2-2006）支持范围内，孔板的设计缺乏严格的科学依据。根据作者的工程使用经验，一般工艺管径≤DN500mm、压损允许 0.5kPa时在设计时可能会考虑孔板流量计。
2 均速管流量计
差压式均速管流量计是以皮托管测速原理为基础（如图1所示），采用取样原理、插入安装方式，仅测取管道中一点或多点的流速来推算流量的插入式流量计。现在一般在检测杆迎着流向有数对动压检测孔，所测动压和静压平均后传至差压变送器，流量与前后压力差的平方根成正比。现有市场上均速管流量计多限于检测杆的形状和测孔数量不同而已，其它性能均大同小异。
这类仪表的共同特点是：结构简单、压损小、安装维修方便（可带压操作）、重复性好、是仪控系统中检测大管道气体流量性价比较高的仪表，属节能型仪表，但一般准确度不高，更不宜用于需要准确计量的贸易结算。
下面以作者在宝钢3#机增设烟气脱硫改造项目应用为例：为得到烧结烟气量，共设置了4套均速管流量检测装置，均为超大口径管道，分别如下：
（1）增压风机入口：6.8mx6.8m的钢制管道，温度0～200℃，压力-400～200Pa，流量0～160x104Nm3/h；（2）除雾器出口：6.8mx 6.8m的钢制管道，温度0～100℃，压力500～1000Pa，流量0～160x104Nm3/h；（3）旁路A、B烟道：4.66mx4.66m内衬混黏土层的钢制管道，温度0～200℃，压力-100～100Pa，流量0～90x104Nm3/h。
因现场的前直管段只有1～2D，为进一步减小测量误差，每套流量计都采用了两根均速管十字交叉垂直安装，然后采用环管取压+微差压变送器的方式。经过一段时间运行，最终的测量结果虽能基本满足工艺要求，但误差基本≥3%。为防止取压孔阻塞，每套流量计又配套一个自动反吹扫控制柜，可自动或手动进行管路吹扫，吹扫周期和吹扫时间可自由设定。所以，对精度要求不高、量程比不大或压损有要求的大口径流量测量可以有选择的选用均速管流量计。
3 V锥流量计
V锥流量计是一种创新性的差压式流量测量装置，与孔板的原理一样，但是最本质的区别在于孔板为中心收缩型节流装置，而V锥为边壁收縮型节流装置。它通过悬挂在管道中心的一个V型锥体来节流，这样迫使流体以管线的中心线为中心，围绕着锥体流过，从而流速发生变化（结构见下图2所示）。
与传统节流元件相比，V锥流量计具有许多优点：（1）较高的准确度（±0.5%）和重复性（±0.1%）；（2）无荷刻的直管段要求（可达前3D，后1D）；（3）适用于容易结垢的脏污气体（如煤气）；（4）气液两相测量；（5）相对压损低（在同一流量下，压损约为孔板的1/2～1/3）；（6）量程比宽（至少10：1）。
但作为大口径气体流量计来说，V锥流量计也存在着自身缺点：（1）作为非标准节流装置，可依据的国家标准有限，原则上使得每台流量计出厂时应经过实流标定，但实际情况良莠不齐，尤其在大口径管道流量计体现尤为明显。（2）大口径的流量测量使得流量计外形体积增大，对生产和运输、安装都产生一定影响，尤其是锥体的定位不准将导致误差加大。
宝钢新疆八钢中厚板迁建能介工程选用一台DN1800的V锥流量计，介质为混合煤气；在宝钢德盛某煤气混合加压站项目选用DN400、DN600和两台DN1000的V锥流量计，分别用于测量焦炉煤气、高焦混合煤气和高炉煤气、转炉煤气的流量测量；各项工艺参数的数据如表1所示。
从表1中数据看每台流量计的差压都能保证一个比较理想的测量结果，而且经过几年的运行和反馈，流量计的精度基本都在0.5～1%且比较稳定，其中转炉煤气为间断使用。当然，上述测点前直管段基本能保证3～5D也是得到理想测量结果的一个前提。故作者认为除洁净气体外，在测量煤气流量方面V锥流量计有着自己独特的优势。
4 内藏式双文丘里管
内藏式双文丘里管是通过在被测管道中设计安装一套特殊的双文丘里管（如图3所示），通过改变管道内部部分气流流场、提高局部流速、使其局部产生较大的差压。通过理论计算和风洞实验找出该局部差压信号与管道内所测介质的流速、工作压力、温度、组份之间的函数变化关系，从而即可计算出流经管道内的流量值。
在冶金行业，低流速、低压和大口径的风量、烟气量的测量经常遇到，管径很多都超过1200mm，但管径超过1200mm的节流装置，目前国内、国外均未建立标准，一般节流装置的生产厂家无法进行标定和校验。这就要求测量时永久性压力损失要小，差压值也不能过小；另外，大口径管道对前、后直管段的要求在实际中有时很难达到，采用一般节流装置很难实现。而内藏式双文丘里管流阻小，在相同条件下，其流体阻力仅约为标准文丘里管的15%，标准喷嘴的6%，标准孔板的3%；压差值大；其对直管段的要求并不严格，连同直管段在内，整套装置为1.5D即可，但作者认为实际使用中前直管段最好保持1～3D。
在酒钢转炉大型化改造工程中为测量AOD炉的出口烟气流量，工艺管径约DN1800，当时外方建议采用经典文丘里管，但根据ISO 5167规定，至少还需8～10D前直管段，且本身设备尺寸约为5D左右。经过反复考虑比较，作者和业主认为首先现场条件不能完全满足前直管段要求，另外即使在牺牲测量精度前提下使用，设备的成本过高，运输和安装都不方便，从而最终采用了内藏式文丘里管，投运后完全满足了外方的设计要求。
在新疆宝新昌佳某石灰项目中要对窑头、窑尾的高温烟气流量测量，管径分别为DN400和DN600，有效直管段只有2m多，前面还有弯头、阀门等部件。作者采用了内藏式双文丘里管进行测量，这样整体装置只有1.2～1.5D左右，还保证了前2D后1D左右直管段，实际得到的流量误差约0.5～1%，还是比较满意的。所以，在低压、低流速、大流量、大管径工作状态下要求差压值大、永久压损小的时候，使用该流量计可以使流量直管段大大减少，节省投资，达到良好的使用效果。
5 其它
综上所述，除了孔板、均速管、V锥流量计和内藏式双文丘里管外，目前还有喷嘴、插入式文丘里管、弯管和平衡流量计等差压式流量计。其中平衡流量计是近年来新发展起来的新型流量计，在标准孔板的基础上，采取多孔流通的方式，能对流体进行整流平衡，降低了涡流和振动，同时测量范围广泛，是标准孔板的升级。大大避免了标准孔板在现场使用压损大，前后直管段需要长的缺点，而且比标准孔板精度有了很大的提高，与孔板具有相同的使用方法和外形，因此可以直接进行替换，不需要任何配管的变化和相关仪表的更改，很适合全厂能源计量EMS改造中将孔板改为平衡流量计，但价格相对高。
6 结语
大管道气体流量的测量目前仍然是一个比较复杂的问题，除本文介绍的差压式的流量计外，还有气体超声波流量计、热式气体质量流量计等形式，但往往价格高昂且不一定适用。因此作者建議应根据实际工况和业主实际需求来选择，也期待将来差压式大口径流量计能像孔板等标准节流装置一样可直接根据尺寸直接制作不，并可估算其测量误差，可以直接在生产现场使用方便广大工程师和用户。
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