[导读] 合理使用二次能源，对钢铁厂的节能降耗十分重要。某钢厂在高炉热风炉技术改造中，采用节能型计量仪表替代孔板，获得了良好的效果。改造中，通过合理选择和应用新型流量计，解决了煤气流量计量中由于其压力低，含尘多易堵塞的计量难点，为钢铁厂节能降耗、提高计量管理水平提供了一个有效的途径。
钢铁厂的二次能源主要有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气3种，这3种气体燃料约占钢铁厂总能耗的30-40%。因此，合理使用二次能源，对钢铁厂的节能降耗有着十分重要的意义。某钢厂在高炉热风炉技术改造中，采用新技术、节能型计量仪表替代高耗能的孔板计量装置，获得了良好的效果。通过这一改造，既解决了计量不准的问题又节约了能源。
GB17167《用能单位能源计量器具配备和管理通则》规定，煤气计量准确度不低于2级，空气计量准确度不低于2.5级。为了满足这一规定，此次技术改造要求煤气总管及煤气分管和助燃空气总管及其分管都要分别计量，以期解决过去高炉煤气计量不准、助燃空气不计量的落后局面。
煤气流量计量常用的计量仪表是差压式节流装置，其中以标准孔板应用为最多，此外就是巴类流量计即均速管流量计。目前市场上常见的几种进口均速管流量计有美国的威力巴和阿牛巴以及德国产的德尔塔巴。均速管流量计与孔板相比较，其最大的特点是易安装、少维护、压损小、能耗低、精度高、磨损少。而这些特点正是我们所需要的。通过市场调研并与冶金同行交流后，我们选用了德国产的均速管流量计（以下简称流量计）作为这次技改的计量仪表。
1 均速管流量计简介
1.1 工作原理
流量计是基于皮托管测量流体高低压的基本原理，由单孔演变成多孔的测量方式（引压孔分布在管道内径上）。由于管内流速中间快、两侧慢，不同流速产生的压力在测量管内取平均。均速管即由此而得名。
流量探头的测量原理如图，所示。将一根中空金属杆沿直径插入管道中，采用等面积法，在杆的迎流面和背流面制有成对的测压孔，一般来说是两对或多对。
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图1 测量原理图
迎流面的多点测压孔测量的是总压，背流面测量的则是静压，利用测量流体的总压与静压之差（dp）来测量流量。
1.2 质量流量的计算
流量计计算流量的方法与国际标准ENIS05167-1中的方法相似，其计算公式如下：
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式中，qm为质量流量，kg/s；ζ为探头阻断系数；ε为流体膨胀系数；d为管道内径，m；dp为差压，Pa；ρB为介质工况下密度，kg/m3。
公式中阻断系数ζ是一个只与探头结构有关、而与流体或介质无关的参数。ζ与流量系数k的关系如下：
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膨胀系数ε在流量测量过程中，是用来定义压力损失对介质密度的影响量。对于不可压缩性介质如液体，其膨胀系数是1。对于可压缩的介质，如气体、蒸汽，随着管道内压力损失的增加和管道内静压力的减小，膨胀系数将从1开始，按比例下降。
因为流量探头只会引起极小的压力损失，所以膨胀系数在大多数情况下非常接近于1。因此，在计算过程中，膨胀系数ε经常被假定为一个常数。这个常数选取最大流量的2/3时的ε值，并按下面公式计算：
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1.3 带温压补偿的流量计算
带温压补偿的气体和蒸汽的流量由下式计算：
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式中，qmD为流量探头计算书中质量流量（设计状态），后面的开方项是来自于差压变送器的输出信号，即流量的百分比。中间开方项是考虑了温压补偿，它是理想气体的温压补偿运算。
温压补偿的实质是被测介质在温度和压力偏离设计值时，其密度发生了变化。因此，通过理想气体公式可以对蒸汽或者其它气体进行密度计算，从而达到温压补偿的目的。密度计算公式如下：
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式中，下标为D的是指设计值，下标为B的指工况值。
1.4 测量系统
测量系统由流量传感器、阀组、在线吹扫装置、差压变送器和DCS系统组成（见图2）。运行时，将流量探头测得的差压、温度和压力信号（4-20mA）送至控制室盘后，采集到DCS系统中进行模块化组态，最终转换成带温压补偿的（需要时）质量流量（或体积流量）。
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图2 测量系统示意图
2 流量计技术特点
均速管流量计与孔板相比较，我们认为该流量计有以下6个方面的技术特点。
（1）应用广泛
可测量气体，液体和蒸汽，不受介电常数限制，可以满足同一工程中不同被测介质的测量需要。
（2）管道动力损失小、运行成本低
探头的压力损失仅有孔板的2-5%，节能效果十分明显。而加装流量计的根本目的是节能降耗，因此运行时的耗能即永久压力损失一直是我们的关注点之一。
（3）安装维护简单
流量计安装为开孔安装无需断开管道，较同规格的孔板安装可节省90%的时间，而且费用低。根据安装需要还可以实现在线开孔安装和进行在线拆卸与维护，这一特点对煤气测量非常重要。
（4）防堵性能好
对于煤气等带有颗粒的介质，堵的现象时有发生，是一个不好解决的问题。流量计在保证小压损高强度的同时，引压孔达到8mm，使探头具有自清洗的防堵功能。而对于具有高密度的尘埃物质的被测介质，还可以加装在线吹扫装置，以保障恶劣工况下的正常使用。
（5）高精度
经过德国TUV测试，最新的数据表明，该流量计在直管段为7ID（ID管道内径）时，测量精度优于1%，重复性优0.1%，满足了热风炉实际现场环境及安装条件下所选用流量计的准确度需要。
（6）探头截面独特、差压大
独特的探头截面设计，使流量计具有压损小、差压大的效果，量程比达到30：1，且可实现双向测量；探头有明显的高低压分界点和加速段，加速段对流体产生平均3倍的加速效果，因此可以产生大而稳定的差压。
3 应用效果
项目实施过程主要有以下几个方面：流量计选型方案的确定、流量计的安装、精度分析与节能分析。
3.1 流量计选型方案的确定
根据流量计厂家选型要求，我们提供了介质、流量、温度和压力、管内径及壁厚和管道方向等工艺参数。据此获得选型方案如表1所示。
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上述方案基于以下考虑：
（1）由于高炉煤气含有较多的粉尘，采用在线可插拔结构方便维护拆装。后经厂家建议加装了带差压保持功能的在线吹扫装置。实践证明，有了在线吹扫装置后，大大减少了拆出探头的维护工作量。
（2）煤气总管和分管直管段足够长（大于厂家规定的前4ID后3ID），流体在管道中的分布基本对称，因此，采用了部分插入探头（约为全部插入长度的1/3），使单台购置成本减少了约2/5。
（3）助燃空气粉尘较少，采用非在线插拔结构一次性安装，且由于垂直分管直管段较短，探头选择为全插长度，以保证较高的测量精度。
3.2 流量计安装
根据合同约定，由厂家派出工程师进行现场安装指导，以保证流量计的安装符合规定的要求。安装中需要注意的问题如下：
（1）尽可能地将探头安装在上游没有阀门的管线上，因为阀门对流体的干扰最大，会严重影响测量精度。
（2）差压变送器应高于探头输出位置安装，以免造成引压管中积存冷凝液影响测量效果。
（3）根据厂家安装要求，达到1%测量精度的直管段长度是前4ID后3ID，安装时应尽可能的满足。当直管段不满足要求时，探头的安装位置采用前2/3后1/3实际直管段长度的分布方式，有利于保证测量效果。
（4）用于煤气测量的在线吹扫装置应串接在靠近差压变送器的位置，以保证吹扫时可以将引压管内的粉尘一起吹扫干净。
3.3 精度分析
原测量系统仅在煤气分管安装了孔板流量计，因GB/T2624规定的标准孔板管道公称通径上限为1200mm，因此，1600mm的煤气总管已经不符合该标准范围，按规定应实流标定以确定流出系数。考虑到实标费用过高，因此放弃了煤气总管的流量测量。分管上的孔板流量计由于煤气粉尘多、湿度大、直管段太短（仅有8倍的管内径）等问题，导致测量偏差过大而无法正常使用。而且孔板拆卸困难不便维护，故确定技改中全部更换为均速管流量计。
高炉煤气总管、分管和助燃空气总管的直管段均符合厂家规定的前4ID后3ID的要求，因此，测量精度优于1%，完全可以满足煤气计量准确度不低于2级的国家规定。
助燃空气分管为垂直布置，由于安装空间位置的限制，直管段只有4倍的管内径长度。就厂家提供的试验数据表明，当测量点为前2ID后1ID直管段时，流量计仍有2%的测量精度。因此，可以确认助燃空气分管的测量精度在1.5-2%之间，满足了空气计量准确度不低于2.5级的国家规定。
3.4 节能分析
应用厂家提供的“能耗比较”计算软件，将高炉煤气分管原来使用的孔板压力损失值0.404kPa和流量计相应的压损值0.0095kPa同时输入软件，并设定电费单价为0.8元，得出孔板和流量计的能耗及费用比较表，见表2。
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由以上数据可以看出，用于高炉煤气分管流量测量的流量计的压损仅有孔板的2.35%，每年每支流量计因此而节省能耗成本28774.85元，本次技改共替换了原有的三台孔板，每年仅此一项就可以节约费用86324.55元。
4 结束语
在煤气测量和助燃风测量中，流量仪表的选型是关键一环。在当今流量仪表种类繁多的情况下，差压式流量计的选型应尽量满足以下5方面的要求：
（1）重复性要好（优于0.1%），准确度要高（0.5%-1.0%），量程比要宽（30：1）；
（2）相同精度情况下对直管段的要求要低；
（3）永久压力损失小，耗能要低；
（4）流量计本身具有防堵能力，性能要长期稳定、可靠耐用；
（5）安装维护简单费用要低，且能满足不停车检修的特殊需要。
通过技术改造，已有的使用情况和测试结果证明，均速管流量计能较好地全面满足差压式流量计选型的这些基本要求。并且在直管段少，介质比较脏的情况下具有较好的适用性。
均速管流量计的应用，为我们解决了孔板测量精度低、维护不便（必须停产）、压损大能耗高的问题，对钢铁厂合理使用二次能源、节能降耗有着十分重要的意义，给企业带来的经济效益也是可观的。
热风炉计量系统改造投运两年多以来，计量精度较高，数据可靠，测量系统的准确度维持在2%左右，达到了技术改造目标。