高炉蒸汽加湿调节系统的改进 ＊

刘月琴

(宝钢集团八一钢铁股份有限公司,新疆 乌鲁木齐 830022)

宝钢集团八钢公司新区A#2500 m3高炉安装有一套蒸汽加湿调节系统,系统包括调节阀、差压式流量计和节流装置孔板。其作用一是当高炉内加入一定量的蒸汽,高温下蒸汽分解产生氢气和氧气,加速炉内的化学反应,提高炼铁产能;作用二是当加入蒸汽量后,可减少富氧的加入量,起到节能降耗的作用;作用三是可有效地控制风口温度稳定。这套系统自高炉投产以来,一直故障不断,通过实践探索,我们就如何提高这套系统的快速性、准确性及稳定性进行了研究和改进。

1 差压式流量计

1.1 差压式流量计的基本原理

差压式流量计是在流通管道内安装流动阻力元件,流体通过阻力元件时,流体将在节流件处形成局部收缩,使流速增大,静压力降低,于是在阻力件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出,流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。通过测量差压值便可求得流体流量,并转换成电信号输出。

差压ΔP=P1-P2与体积流量Qv或质量流量Qm有如下关系 (1)或 (2):

式中:ΔP为差压;Kqv、Kqm为常数。

1.2 差压式流量计的基本结构

差压式流量计主要由节流装置、信号管路、差压变送器和显示仪表组成。节流装置将被测流体的流量转换成差压信号,信号管路把差压信号传输到差压变送器。差压变送器对差压信号进行测量并显示出来,差压变送器将差压信号转换为与流量相对应的标准电信号,通过显示仪表进行显示、记录与控制。

1.3 差压流量计的安装

被测流体为蒸汽,信号管路的正确安装方式如图1所示。

1.4 差压流量计在使用过程中需要注意的问题

流量测量中,国家标准规定:节流装置适用的流量比为 30% (最小流量∶最大流量 =1∶3)。这是因为差压与流量的平方成比例,流量比低于 30%,精度就不能保证。另外,流量小于 30%时,雷诺数往往低于界限雷诺数,流量系数a不是常数,造成流量测量不准。

2 调节阀的流量特性

调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移 (阀门的相对开度)间的关系,数学表达式如 (3):式中:Q/Qmax为相对流量,调节阀在某一开度时流量Q与全开流量Qmax;

l/L为相对位移,调节阀在某一开度时阀芯位移l与全开位移L之比。

一般来说,改变调节阀的阀芯与阀座之间的流通面积,便可以控制流量。但实际上,由于多种因素的影响,如在节流面积变化的同时,还发生阀前、阀后压差的变化,而压差的变化又将引起流量的变化。假定阀前后压差不变的流量特性称为理想流量特性,真实情况时的流量特性称为工作流量特性。

理想流量特性主要有直线、等百分比 (对数)、抛物线及快开等 4种。

2.1 直线流量特性

直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系,即单位位移变化所引起的流量变化是常数,数学表达式如 (4):式中:K为常数,即调节阀的放大系数。

直线特性的阀门在开度小时流量相对变化值大,灵敏度高,不易控制,甚至发生振荡;而在大开度时,流量相对变化值小,调节缓慢,不够及时。

2.2 等百分比 (对数)流量特性

等百分比流量特性是指单位相对位移变化所引起的流量相对变化与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数是变化的,它随相对流量的增大而增大。等百分比流量特性在小开度时,调节阀放大系数小,调节平稳缓和;在大开度时,放大系数大,调节灵敏有效。

2.3 抛物线特性

抛物线流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系。

2.4 快开特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量,随开度的增大,流量很快就达到最大;此后再增加开度,流量变化很小,故称快开特性。

2.5 确定调节阀的步骤

1)确定计算流量——根据生产能力、设备负荷及介质状况,确定Qmax和Qmin;

2)确定计算差压——根据系统特点选定S值,然后确定计算压差 (阀门全开时的压差);

3)计算流量系数——选择合适的计算公式或图表,求取最大和最小流量时的Cmax、Cmin;

4)C值的选取——根据Cmax,在所选产品型式的标准系列中,选取大于Cmax并最接近的那一级C值;

5)调节阀开度验算——要求最大流量时阀开度不大于 90%,最小流量时开度不小于 10% (见说明);

6)实际可调比的验算——一般要求实际可调比不小于 10;

7)口径的确定——验证合适后,根据C值决定;

说明:根据《自动化仪表选型规定》(HG20507-92),对于直线特性阀,最大开度应≤80%,最小开度应≥10%;等百分比特性阀,最大开度应≤90%,最小开度应≤30%。

3 系统改进前的使用状况

3.1 孔板安装状况

孔板安装在垂直的蒸汽管道上,管径DN 200,孔板量程10531 m3/h;差压仪表量程 0-100 kPa;调节机构选型为电动、单座、直行程调节阀,管径DN 350,流量特性为直线特性。差压变送器安装在节流装置上方。

3.2 系统使用状况

该系统在使用过程中经常出现调节阀已到关位,流量计还显示 500～1500 m3/h左右,将手动阀关到位后,有时流量计显示 0 m3/h,有时显示500～1500 m3/h左右。手动阀全开,调节阀阀位在 6%以下时,流量显示不跟踪阀位变化,阀位在6%以上时,流量显示跟踪阀位变化。因此在小流量时,生产方无法准确判断加入蒸汽流量,对流量测量系统的准确性产生怀疑,对生产操作产生了影响。

4 原因分析

1)差压流量计安装不符合要求,造成测量误差。

2)生产上使用最大蒸汽流量为6000 m3/h,通常使用流量在1000～3000 m3/h之间,依据孔板的设计流量,实际使用流量必须大于3000 m3/h,安装孔板不合适,造成测量误差。

3)差压变送器经常工作在小流量状况,输入信号微小变化,开方后输出则产生明显变化,由于仪表内部、外部存在一些干扰因素,尽管其很小,但经开方运算后的输出信号却包含较大误差。

4)调节阀经常工作在 10%开度以下,直线特性的阀门在小开度时流量变化较大,灵敏度高,不易控制。

5 系统重新选型后的使用情况

5.1 孔板选型

孔板选型为孔径 d=100 mm,流量系数为 1.03,饱和蒸汽最大流量为6500 m3/h,蒸汽压力为 0.7 MPa(密度ρ=4 kg/m3),根据计算差压公式:

式中:ΔPmax——最大差压,100 kPa;

Mmax——最大质量流量,26000 kg/h;

a——流量系数 ,1.03;

d——孔板孔径 ,100 mm;

ρ——被测流体密度,4 kg/m3。

代人公式 (5)

5.2 调节阀选型

调节阀重新选型为气动调节阀,正作用,气关式,口径DN100,流量特性为等百分比特性。

5.3 气体流量修正

测量气体流量时,由于气体是可以压缩的,即同一质量的气体在不同温度、不同压力下的体积是不同的,所以计量气体时都以标准状态下,即温度t=0℃,压力p=101.33 kPa abs时的体积来计算。但在计算孔板时,却要在操作条件下才可进行。因此引入实际温度、压力信号,通过公式 (6)进行流量修正。

式中:Q为工况流量;Qmax为标况最大流量;P为工况压力;Tn为标况温度;ΔP为工况压差;Pn为标况压力;T为工况温度;ΔPmax为标况最大压差。

5.4 正确安装孔板

按图1所示,将孔板安装在水平管道上,差压流量计安装于管道下方,防止冷凝液不足产生测量误差。

5.5 加大导压管径和采取保温措施

使从节流装置到冷凝器一段内保持汽相,防止过多冷凝液的产生而引起汽锤现象,影响测量。

6 结 语

通过对蒸汽加湿调节系统的结构设计并重新选型后,新系统在使用性能方面较旧系统有所提高和改善,准确校核和故障率更进一步论证了选用新系统的合理性,但是对于新系统的具体使用寿命,考虑到实际操作情况的差异性和特殊性,并不能保证免维护及免更换的可靠性,因此建议每年至少对系统进行一次全面的检查直至把握其使用寿命,掌握更好周期。

[1]齐志才,刘红丽.自动化仪表 [M].北京:北京大学出版社,2006.

[2]朱祖涛.热工测量和仪表 [M].北京:水利电力出版社,1991.