自整流V型皮托式流量计在煤气流量测量中的应用

2022-01-08刘文达李学林孟庆晨

山东冶金 2021年6期

刘文达，葛慧，李学林，孟庆晨

（1 山东钢铁集团日照有限公司信息计量部，山东日照 276800；2 山东省冶金科学研究院有限公司，山东济南 250014）

1 前言

煤气是冶金企业重要的能源介质之一。由于煤气的特殊性，在计量方面存在诸多困难，长期以来一直是流量计量工作中的老大难问题。近些年来，钢铁企业在《计量法》以及GB/T 21368—2008《钢铁企业能源计量器具配备和管理要求》等法律、标准的推动下，通过开展计量升级、ISO9000体系认证等计量管理工作，在煤气计量上尝试使用了多种流量仪表。通过实践表明，某些类型的流量计并不适合于煤气的流量测量。究其原因，主要是其在测量原理、产品结构设计上，无法解决煤气脏污对流量计产生的不利影响。一种自整流V 型皮托式流量计采用了针对于煤气特点的测头型式和产品结构，并且配套的流量计算机采用了多种针对于煤气流量测量的专用流量补偿算法，很好地解决了冶金企业煤气流量计量所碰到的各种难题。

2 冶金企业煤气的工况特点

任何一种流量计都不是万能的，每种流量计都有对被测介质的要求，都有对流量范围、温度压力范围、安装条件等要求。只有将测量对象和流量仪表特点有效对接，才能获得成功应用。在实际能源计量工作中，对于一些难点介质，只有从分析它们的介质特点和流量工况特点入手，并结合当前流量测量仪表的产品技术现状，才能解决这些能源计量的难点问题。

2.1 煤气的介质特点

（1）冶金企业的煤气含水、含尘量高，介质脏污，有的还含有焦油、萘等杂质。这一特点是导致多种气体流量计无法正常工作的首要原因。

（2）煤气是混合气体，同一种煤气（高炉、焦炉、转炉）在不同生产原料和生产状况下其组分并不固定，尤其是煤气管网中是多种煤气的混合，管网中煤气的组分更加难以确定。组分的变化会导致煤气实际工况密度的变化，这就导致流量计的测量误差。

（3）煤气含有Cl 离子，对不锈钢材质具有较强的腐蚀性。如果流量计的材质选用和制造工艺考虑不当，会严重影响流量计的使用寿命。

2.2 煤气的流量工况特点

（1）实际管线中煤气的压力较低，流体流动产生的压力损失要求较小。流动压损要小，设计的管道尺寸就要比一般的流体管道要大。但是，管道口径大导致的后果就是煤气的流速较低，不便于流量的测量。

（2）直管段往往不能满足流量计安装的需求，要求流量计对直管段不足的安装现场，能够有补偿修正的算法。

（3）湿度对流量测量的影响很大。湿度不仅影响煤气的实际工况密度，并且湿度问题处理不好，会导致煤气输送管网计量数据的不平衡。因此，煤气流量计需要根据湿度计量出湿煤气的干部分，才能从根本上解决煤气湿度对流量测量的影响。

3 几种煤气流量计的比较

大口径煤气流量测量一直是能源计量中的一个难点。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。主要有以下问题：

孔板和文丘里主要存在问题：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，安装困难；④管径＞1.0 m 孔板不在国家标准（GB/T 2624—93）支持范围内。因此，孔板和文丘里在冶金企业煤气测量中应用不理想。

威力巴和气体超声波是一种可以不停气在线安装的插入式流量计，这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，导致取压孔的堵塞。气体超声波也同样因为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。山钢日照公司焦炉煤气总管计量原在线用的气体超声波均存在该问题，最严重的每周就需要拆下来清洗，带来很大的维护量和计量数据的丢失。

热式质量流量计也可以不停气在线安装，但是同样因为转炉煤气中含有大量粉尘和水汽，实际转炉煤气的导热特性已经发生了很大变化，造成计量的不准确。如果在传感器上有粉尘堆积，这就相当于给传感器穿上了“棉袄”，使得测量值偏低；如果在传感器上有水滴，这就会给传感器“降温”，使得测量值偏大。

近些年来，皮托管类的流量计在煤气流量测量中逐渐得到了较好地应用。其中，一种自整流V型皮托式流量计采用了针对于煤气特点的测头型式和产品结构，并且配套的流量计算机采用了多种针对于煤气流量测量的专用流量补偿算法，解决了冶金企业煤气流量计量所碰到的各种难题。

4 专用于煤气的自整流V型皮托式流量计

皮托管是一种经典的流速测量元件，已经具有多个国际、国家标准和检定规程，广泛地应用于风洞流量标准装置、航空、气象、环保等领域。针对冶金企业煤气的特点，这一经典的测量元件在测头型式、产品结构上，需要进行针对性的开发设计，才能很好地用于冶金企业煤气计量。

4.1 自整流V型皮托式流量计的测量原理

用皮托管进行封闭管道气体流量的测量是一种具有国际标准的测量方法。在工业测量领域，由于成本和现场环境的限制，自整流V型皮托式流量计依据采用单管的方式测量流量［2］，其流速传感器依据皮托管原理设计，见图1。传感器处产生一个总压和流体静压之间的差压△P，该差压与介质流量qv的关系如下：

图1 自整流V型皮托式流量计测量原理图

式中：qv为工况体积瞬时流量，m3/s；D 为管道内直径，m；A为流速分布系数，无量纲；B为干扰系数，无量纲；K为测头系数，无量纲；△P为差压值，Pa；ρ为被测介质密度，kg/m3。

在实际煤气流量测量和计算中，差压通过高性能的差压变送器进行测量，密度根据煤气的组分进行计算，公式中的测头系数、流速分布系数、干扰系数是能否准确测量流量的关键。测头系数通过风洞标准流量装置进行标定来确定。

4.2 自整流V型皮托式流量计的测头结构设计特点

为了适应煤气脏污、含水、腐蚀性强等特征，自整流V 型皮托式流量计设计了V 型带整流槽的流速测头。V 型测头的角度经过计算流体力学分析方法和流量标准装置验证，达到了最优化设计。该种测头能长期使用于煤气、烟道气等脏污介质的流量测量，具有以下优点：（1）取压孔孔径大，防脏污堵塞能力强；（2）V 型测头为前后对称型式，可用于双向流的测量；（3）管线压力1 MPa 以内，均可不停气在线开孔安装；（4）带有吹扫接口，可连接吹扫装置，可用蒸汽或氮气进行吹扫；（5）设计在线疏通装置，可以在不停煤气、不拆卸流量计的情况下，进行流量计的清灰、清渣维护，并且不会产生煤气泄漏。

4.3 自整流V型皮托式流量计的防堵原理

测量冶金企业煤气的流量计，关键是能适应介质脏污，下面通过对比分析均速管式流量计堵塞的机理，来介绍自整流V型皮托式流量计所采用的防堵结构设计，以及如何从原理上解决煤气中脏污杂质产生堵塞的这一问题。

（1）V 型皮托流量计采用大孔径测头，测头取压口的直径达到10 mm。

（2）从测头取压口开始的整个取压管内介质为静止状态，粉尘、焦油等污物不会被带入引压管路中，因此不会产生因粉尘埋积而导致的堵塞。

（3）由于测头采用V 形切口设计，并且整个取压管路为完全直通的，湿煤气中的冷凝水随时自动排出到管道中不会存积于引压管路中。

（4）流量计配有在线吹扫装置，一旦发生堵塞可随时进行吹扫。由于测头正负压各只有一个取压口，因此可以完全吹通，不会有均速管只能吹通测杆上端的取压孔，而下端取压孔依然堵塞的现象。

通过这些设计，自整流V型皮托式流量计很好地解决了在测量煤气、烟道气等脏污介质的堵塞、取压管内壁结垢、积水等问题。

5 流量计算机在煤气流量测量中的应用

自整流V 型皮托式流量计配套了流量计算机来完成信号采集和流量的补偿修正计算。通过理论模型和试验数据，利用流量计算机的强大运算能力，可以解决煤气流量测量中的小差压测量精度低、现场直管段不足等问题。流量计算机按照JJG 1003中的公式进行煤气物性值的计算。

5.1 小差压测量

由于冶金企业中的煤气介质工况密度小，流速低，插入式差压流量计测量煤气时，差压值都较小，通常在几十到几百帕。如何提高小差压测量的精度和稳定性，是这类流量计能否成功应用于现场的关键问题。

自整流V 型皮托式流量计配套的流量计算机采用HART协议数字通讯和小波分析法，大大提高了小差压测量的精度和稳定性。

传统的4～20 mA 信号的分辨率有限，且模拟信号传输不可避免存在误差，因此在小差压的测量上误差较大，导致较大的流量测量误差。目前冶金企业使用的差压变送器都带HART 协议，通常HART 功能还仅仅停留在使用手操器设置量程和调整零点上。流量计算机直接采用HART 协议读取变送器差压的数字信号，彻底消除了模拟信号采集的误差，大大提高了小差压测量的精度。这一点在差压式流量计的应用中有着质的飞跃。同时，流量计算机采用小波分析算法，解决了干扰信号对小差压信号带来的波动大的问题。“小波分析”是分析原始信号各种变化的特性，进一步用于数据压缩、噪声去除、特征选择等的一种数学分析方法。