[导读] 攀钢2#高炉煤气总量测量存在三大难题，即直管段长度不够，系统允许压损小，高炉煤气中粉尘容易对流量计造成结垢和堵塞。文章通过利用测管流量计在风洞试验中得出的结论，为在直管段长度不够的条件下选用流量计提供了科学依据；以及流量计采用了防堵塞、防结垢的特殊设计，且流量计本身基本无压力损失等特点，解决了存在的三大难题。
攀钢2#高炉上代炉龄的热风炉为3座内燃式热风炉，全年平均最高风温≤1100°C。由于2#高炉位于1#高炉和3#高炉之间，区域狭窄且无法扩大，不可能以增加热风炉或采用外燃式热风炉等增加占地面积的措施来提高风温，因此，为了提高高炉送风温度，本代炉龄设计时选用了较先进的顶燃式热风炉，设计平均风温可达1200°C。由此给测量热风炉烧炉用的高炉煤气流量带来了三大难题：
（1）由于管道的变更，弯头和阀门的增加，导致安装节流装置的前后直管段长度不足5D。
（2）由于系统中管道和阀门较多，经管道专业计算，节流装置的压损必须≤400Pa。
（3）攀钢高炉冶炼的是钒钛磁铁矿，由于原料的特殊性，导致高炉煤气中高炉灰的粘结性很强，以往经验说明几乎所有的插入式流量计等小孔径取压口都会因为严重堵塞而无法正常测量。
如何保证在直管段长度不够的情况下使测量方法既满足计量标准，又要最大限度地减少压损，同时又要考虑到取压孔不容易堵塞且方便在不停被测介质的情况下进行清洗等维护工作，这些都是我们自始至终必须考虑的问题。
1 流量计量仪表的选型
1.1 工艺参数
管径：DN1420´10（mm）
气体的组份（%）：CO：25.5，CO2：17.4，N2：55.6，O2：0.3，H2：2
最大流量140km3/h，常用流量：130km3/h，最小流量40km3/h
直管段长度： 5D
允许压损：400Pa
1.2 初步选型
从工艺参数看，管道内径为1400mm，已经超出标准节流件的允许范围（标准节流件中，具有粗焊铁板收缩段的经典文丘里管是允许管径最大的，D≤1200mm），对于非标节流件或其它差压式仪表，必须进行实流标定以确定其流量系数，目前国内还没有这么大的校验系统，超声波流量计由于价格昂贵，且在攀钢的煤气测量中均不是很成功，不宜选用，所以可供选择的流量仪表是插入式流量计。
插入式流量计根据测头的测量原理可分为点流速型仪表及径流速型仪表，均速管就是典型的径流速型仪表，均速管同样存在标定困难的问题，同时，由于它有多个全压孔，当孔阻塞时，要在线把各个孔都疏通是不可能的。点流速型仪表主要有插入式涡街、插入式涡轮、内藏文丘里及基于皮托管原理的测管流量计等。点流速型插入式流量计的测头常数可在风洞中试验得到，通过测量得到管道某一点的流速，换算成管道的平均流速，将平均流速速与管道截面积相乘得到流量，可以说它是不受管径限制的[1]。
由于测量的流体中含有大量粘结性强的粉尘，任何仪表都无法在此条件下长期工作，所以必须选择易于清扫的仪表。插入式涡轮及插入式涡街必须取出到管外进行清扫，涡轮的清扫更为困难一些。内藏文丘里由于结构复杂，更易阻塞，在线清扫也困难，而测管式流量计结构简单，可在不断流条件下安装，设计有在线吹扫装置，可在线通入蒸汽或高压氮气吹扫，不影响正常生产。所以，在插入式流量计中，测管式流量计具有一定的优势。
除容积式仪表外，几乎所有其它类型流量计对直管段长度都有严格要求，否则将造成较大的测量误差，表前加装流动调整器是可行的办法。但安装流动调整器后，将会增加压力损失，以GB/T2624.2-2006中介绍的K-LabNOVA流动调整器为例，其压力损失系数K=2，管道最大流速&UPSilon;=25m/s，而密度ρ=1.13kg/m3，则流动调整器的压力损失为
显然加流动调整器，压损已超过允许压损，那么如何解决直管段不够长的问题呢？
2 用试验方法确定对流量测量值的修正
点流速型仪表对流场的要求是充分发展的管流，管道中存在各种阻流件，使流体发生畸变，影响测量的准确，按国际标准的要求，在一个弯头条件下，将测头置于管道中心时，直管段长度应大于25D（D：管道直径），其它条件下对直管段的要求远大于25D，但实际的工业现场往往不能满足要求，这带来测量误可以达到15%以上。用插入管道中心的测管测量流量，其计算公式[2]为：
式中：K为测头常数，在风洞标定得到；ε为可膨胀系数；α为流速分布系数，根据有关标准提供的公式计算；β为阻塞系数，插入管道部分对流通面积的影响系数，根据有关标准提供的公式计算；γ为干扰系数，考虑到现场直管段不够长等因素对流量测量的影响的修正系数，标准提示用试验方法确定干扰系数的数值。
测管的生产厂为确定干扰系数，对一个弯头后，不同直管段长度，流速从3~30m/s进行试验，取得大量数据，拟合成计算干扰系数的公式，固化在流量计算机中。
流体在管道内的流动是很复杂的，绝大部分是非充分发展管流，了解了管道内流速分布，对流量的准确测量是很有意义的，标准提供了用皮托管测量非充分发展管流的速度面积法[3]，测管的生产厂根据标准的要求在测量截面上布置多个测量点，阻流件为一个弯头，直管段长度为3D、8D，流速3~25m/s范围内进行试验，在研究报告中，详细地介绍了试验过程及部分数据处理结果。
3 实施过程
在2#高炉Φ1400煤气管道90°弯头后约5600mm处，安装一支FJPE型测管流量计，并配有压力变送器和铂电阻，将变送器信号接入FC2000-1A流量计算机。由于现场直管段短，不能满足ISO3966或ISO7145国际标准所规定的充分发展管流的条件，因此流量计算机的补偿运算以《采用FJPE型测管在非充分发展管流的实验数据》为依据，根据现场具体条件进行必要调整[1]。
经对仪表运行数据长期观察，并多次组织各有关部门结合工艺条件分析运行数据，从数月运行结果看，仪表运行稳定与工艺参数相吻合。
4 防堵塞措施
在煤气测量中不论采用何种流量计，堵塞和结垢的一直影响着仪表的正常使用，以均速管为例。由于均速管流量计测杆上各取压孔处的流速是不同的（见图1）[4]，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份，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，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。攀钢冶炼的是钒钛磁铁矿，由于其原料的特殊性，高炉煤气中的粉尘粘结性极强，所产生的结垢、堵塞很难清除。
图1 均速管流量计测量脏污介质易发生堵塞示意图
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，吸取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，见图2。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。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。这样较好解决了在测量煤气等脏污介质的堵塞、取压管内壁结垢等问题[4]。
图2 测管式流量计的测头结构图
5 结束语
许多流量测量专家认为：流量仪表的应用甚至比仪表的研究、生产更为复杂，大量仪表在实验室都有优良的性能，但仪表使用现场往往满足不了其使用条件，造成不少流量计在使用中存在这样或那样的问题。从前面分析中，我们感到测管的生产厂比较好地考虑了现场条件对测量的影响，并尽可能地摸拟现场条件对仪表进行试验，掌握了大量试验数据，用以指导现场的应用，在与生产厂多次接触中，听取他们的意见，充分应用他们的试验数据。攀钢2#高炉煤气测量采用测管流量计，从根本上解决了存在的三大难题，至今运行稳定，测量偏差小。
参考文献
[1]周国祥，王京安用FJPE型测管对非充分发展管流的试验研究[J]计量学报，2008，（5）：461-464
[2]ISO7145-1982，圆形横截面封闭管道中流体流量测量——在横截面的一点上速度的测量方法[S]
[3]ISO7194-1983，测量封闭管道中的流量——在圆管中处于漩涡及非对称流动下用皮托管及流速计组的速度面积流量测量方法[S]
[4]王京安测管式流量计在大口径气（汽）体流量测量中的应用[J]世界仪表与自动化，2009， （2）：46-47