测管式流量计在转炉煤气回收―中的探索应用

　　摘  要：选用新型的具有抗脏污粉尘、可标定、有标准可依的流量计，通过对转炉煤气发生量和储气柜的进口煤气量的计量，核算出转炉的煤气消耗，并采取相应的工艺控制，达到转炉负能炼钢绩效的测量功能。

　　关键词：转炉煤气  流量计量  脏污粉尘  标定  负能炼钢

　　企业要在竞争日益激烈的市场经济中生存、发展就必须节能降耗，走资源节约型道路。转炉负能炼钢就是冶金企业节能措施之一。济钢在炼钢转炉回收煤气的节能上进行了大胆的探索，根据转炉煤气流量和煤气中氧含量、一氧化碳含量进行调节控制，将合格的转炉煤气回收到企业煤气系统储气柜中，除炼钢作业回收用外还作为能源提供给公司内各用户，达到负能炼钢的目的。企业考核回收转炉煤气绩效的关键是采用何种计量监测手段来进行测量。该测量设备必须具有抗介质脏污粉尘、能长期稳定运行、维护量小、适合大口径管线、检测元件可不停气在线安装等性能特点，同时还具备计量实时数据存储功能。我们探索应用测管式流量计在济南钢铁集团总公司第一炼钢厂进行转炉煤气回收绩效测量，并取得了预期的准确计量效果。

　　一、转炉煤气回收系统构成

　　总的转炉发生煤气回收量：（Q₁＋Q₂＋Q₃＋Q₄） 　　回收转炉煤气放散量：Q₀ 　　回收转炉煤气进煤气柜总量：Q    （Q₁＋Q₂＋Q₃＋Q₄）=Q₀＋Q      

                                                                     图1  转炉煤气流量监控系统示意图   　　图中Q₁、Q₂、Q₃、Q₄ 分别对应安装于1^＃～4^＃ 转炉煤气回收管道上的流量计。

　　二、几种煤气流量计的性能分析与比较

　　大口径煤气流量测量一直是冶金企业能源计量中的一个难点。以往，在实际中多以孔板、文丘里管、威力巴、气体超声波、热式质量流量计等作为检测元件。但它们主要存在以下问题：

　　孔板和文丘里管在冶金企业煤气测量实践中应用效果不理想。孔板和文丘里管主要存在：1.阻力损失大；2.测量脏污介质（如煤气）取压孔易堵塞；3.必须在断流的情况下安装拆卸，对于连续运行的工艺管线，断流安装变得不可能；4.管径大于1.0米孔板不在国家标准（GB/T2624－93）支持范围内，孔板的设计缺乏严格的科学依据等问题。

 　　威力巴和气体超声波在冶金企业煤气测量实践中应用效果不理想。它们虽然都是可不停气在线安装的插入式流量计，给安装维护带来很大方便。但是，由于转炉煤气中含有大量粉尘和水汽，威力巴迎流面上各取压孔之间存在流体的微流动，导致取压孔堵塞。气体超声波也同样因为转炉煤气中含有大量粉尘和水汽，探头处易结污垢，造成声波的反射和衍射，导致计量检测的不准确、波动大。我公司第一炼钢厂转炉煤气计量原在线用的威力巴、气体超声波流量计均存在该问题，最严重的每周都需要拆下来清洗，带来很大的维护量和导致计量数据的丢失。

　　尽管热式质量流量计也可不停气在线安装，但是同样因为转炉煤气中含有大量粉尘和水汽，转炉煤气的实际导热特性已经与热式质量流量计出厂时的预设特性值发生了很大变化，这就破坏了热式质量流量计准确计量的前提。如果传感器上再有粉尘堆积，这就相当于给传感器穿上了“棉袄”，使得测量值偏低；或在其传感器上有水滴，这就会给传感器 “降温”，使得测量值偏大。

　　我们依据转炉煤气回收特定环境条件和介质的计量需求，经过现有计量实践和网上搜索相关煤气测量资料的分析对比，决定采用基于皮托管测量原理的FJP型测管式流量计。该流量计依据ISO3966《封闭管道流体流量的测量――采用皮托静压管的速度面积法》国际标准进行系统安装和补偿运算，并针对被测介质脏污、含水等因素，在测头和结构上采用独特的设计（专利号：200420000638.7），以避免堵塞与结垢，还可在工艺管线不断流的情况下，在线进行安装、拆卸和吹扫。该产品性能完全适合我们的计量需求。

　　三、FJP型测管式流量计的测量原理及引用标准

　　ISO3966国际标准规定了在充满流体的封密管道内，处于稳定流动状态的体积流量的测量方法。可测量流速范围：下限流速（空气）为测头在风洞中标定的最低流速（约3.0m/s）；上限流速小于0.25倍马赫数。测头所在位置的局部流速为：    

　　式中：（1－ε）是可压缩性修正系数。在液体中ε=0，所以不需要可压缩性的修正。但在低马赫数的可压缩流体中，系数（1－ε）可按下述公式确定：     

    　　其中：r――比热比；P――局部静压；ΔP――由皮托管所指示的差压；ρ――流体的局部密度；a――测头校准系数(测管式流量计的每一支测头，须经在国家技术监督机构授权的风洞上进行标定以获得测头校准系数)。 　　可压缩流体的密度由下述公式确定：     

    　　式中：R=8.3143 J・mol^－1・K^－1；M对空气的值为28.95×10^－3kg/mol；Z――气体定律偏差系数。对压力小于10倍大气压和温度在273K到373K之间的空气来说，它与1相差无几[它应与可压缩性修正系数（1－ε）有区别]；T――由下述公式所得的局部静温度：     

    　　其中：T₀――采用一个理想的测温探头在管道轴线上测得的总的温度；λ――导热系数。 　　国际标准确定的测量方法是在95％置信水平上有关流量不确定度≤2.0％。在满足标准规定的测量条件下，由其它因素影响所引起的误差为：     

    　　式中：Δq_v――流量误差；Δ（Δp）――差压测量误差；Δp――压力测量误差；Δr――比热比误差；ΔT――温度测量误差；ΔF――面积测量误差。 　　该误差与方法误差合成，总不确定度范围为2.0％～3.0％ 。

　　四、测管式流量计的防堵塞措施

　　通常采用的均速管流量计测杆上各取压孔处的流速是不同的，则各取压孔之间存在一定的压力差，造成各取压孔之间有介质流动，流动的介质中粉尘产生埋积，形成堵塞。另外，大多数工业煤气中含有水分，水以水蒸汽状态混合于煤气之中，称为湿煤气，当湿煤气流入取压孔内时，其中的水蒸汽接触取压管内壁冷凝成水，并存积于取压管内，煤气中的脏污粉尘随冷凝水析出，在取压管内壁结垢；往往测杆下端测孔的堵塞较为严重，即使采用蒸汽或氮气吹扫，也只能吹通测杆上端的取压孔，而下端取压孔依然堵塞。测管式流量计的测头上仅有一个全压取压孔，取压管内介质相对静止，取压孔内不易形成粉尘埋积。

　　针对测量煤气等脏污介质的特点，测管式流量计测头的设计，汲取了其它差压流量计的长处及经验，在分析均速管式流量计取压孔容易堵塞机理的基础上，采用了独特的蹄形切口结构。由于测头采用蹄形切口设计，向下安装，湿煤气中的冷凝水随时滴入管道，冷凝水不会再存积于引压管内。另外，测管式流量计配有在线吹扫装置，一旦发生堵塞可随时进行吹扫。这样较好地解决了在测量煤气等脏污介质时的堵塞难题，也较好地解决了取压管内壁结垢难题。            

                                        图2  均速管流量计测量脏污介质易发生堵塞示意图                      

                                        图3  测管式流量计的测头结构   　　五、运行结果和结论

　　测管式流量计自2005年8月投入使用以来，运行稳定，没有发生取压部堵塞的故障，这说明测管流量计的设计结构完全能够适应我企业的煤气脏污问题。同时，该流量计测量的是点流速，可以在风洞中标定测头系数，解决了以往大口径流量计无法标定的难题，使得计量数据准确有效，符合计量需求。

　　实践表明，测管式流量计为济钢第一炼钢厂在降低能耗，实现“负能炼钢”，回收转炉煤气方面提供了可行有效量化的测量手段，使企业在节约资源活动中回收转炉煤气利用的绩效变得看得见、摸得着，令人信服。