[導讀] 攀鋼2#高爐煤氣總量測量存在三大難題，即直管段長度不夠，系統允許壓損小，高爐煤氣中粉塵容易對流量計造成結垢和堵塞。文章通過利用測管流量計在風洞試驗中得出的結論，為在直管段長度不夠的條件下選用流量計提供了科學依據；以及流量計采用了防堵塞、防結垢的特殊設計，且流量計本身基本無壓力損失等特點，解決了存在的三大難題。
攀鋼2#高爐上代爐齡的熱風爐為3座內燃式熱風爐，全年平均最高風溫≤1100°C。由于2#高爐位于1#高爐和3#高爐之間，區域狹窄且無法擴大，不可能以增加熱風爐或采用外燃式熱風爐等增加占地面積的措施來提高風溫，因此，為了提高高爐送風溫度，本代爐齡設計時選用了較先進的頂燃式熱風爐，設計平均風溫可達1200°C。由此給測量熱風爐燒爐用的高爐煤氣流量帶來了三大難題：
（1）由于管道的變更，彎頭和閥門的增加，導致安裝節流裝置的前后直管段長度不足5D。
（2）由于系統中管道和閥門較多，經管道專業計算，節流裝置的壓損必須≤400Pa。
（3）攀鋼高爐冶煉的是釩鈦磁鐵礦，由于原料的特殊性，導致高爐煤氣中高爐灰的粘結性很強，以往經驗說明幾乎所有的插入式流量計等小孔徑取壓口都會因為嚴重堵塞而無法正常測量。
如何保證在直管段長度不夠的情況下使測量方法既滿足計量標準，又要最大限度地減少壓損，同時又要考慮到取壓孔不容易堵塞且方便在不停被測介質的情況下進行清洗等維護工作，這些都是我們自始至終必須考慮的問題。
1 流量計量儀表的選型
1.1 工藝參數
管徑：DN1420´10（mm）
氣體的組份（%）：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
直管段長度： 5D
允許壓損：400Pa
1.2 初步選型
從工藝參數看，管道內徑為1400mm，已經超出標準節流件的允許范圍（標準節流件中，具有粗焊鐵板收縮段的經典文丘里管是允許管徑最大的，D≤1200mm），對于非標節流件或其它差壓式儀表，必須進行實流標定以確定其流量系數，目前國內還沒有這么大的校驗系統，超聲波流量計由于價格昂貴，且在攀鋼的煤氣測量中均不是很成功，不宜選用，所以可供選擇的流量儀表是插入式流量計。
插入式流量計根據測頭的測量原理可分為點流速型儀表及徑流速型儀表，均速管就是典型的徑流速型儀表，均速管同樣存在標定困難的問題，同時，由于它有多個全壓孔，當孔阻塞時，要在線把各個孔都疏通是不可能的。點流速型儀表主要有插入式渦街、插入式渦輪、內藏文丘里及基于皮托管原理的測管流量計等。點流速型插入式流量計的測頭常數可在風洞中試驗得到，通過測量得到管道某一點的流速，換算成管道的平均流速，將平均流速速與管道截面積相乘得到流量，可以說它是不受管徑限制的[1]。
由于測量的流體中含有大量粘結性強的粉塵，任何儀表都無法在此條件下長期工作，所以必須選擇易于清掃的儀表。插入式渦輪及插入式渦街必須取出到管外進行清掃，渦輪的清掃更為困難一些。內藏文丘里由于結構復雜，更易阻塞，在線清掃也困難，而測管式流量計結構簡單，可在不斷流條件下安裝，設計有在線吹掃裝置，可在線通入蒸汽或高壓氮氣吹掃，不影響正常生產。所以，在插入式流量計中，測管式流量計具有一定的優勢。
除容積式儀表外，幾乎所有其它類型流量計對直管段長度都有嚴格要求，否則將造成較大的測量誤差，表前加裝流動調整器是可行的辦法。但安裝流動調整器后，將會增加壓力損失，以GB/T2624.2-2006中介紹的K-LabNOVA流動調整器為例，其壓力損失系數K=2，管道最大流速&UPSilon;=25m/s，而密度ρ=1.13kg/m3，則流動調整器的壓力損失為
顯然加流動調整器，壓損已超過允許壓損，那么如何解決直管段不夠長的問題呢？
2 用試驗方法確定對流量測量值的修正
點流速型儀表對流場的要求是充分發展的管流，管道中存在各種阻流件，使流體發生畸變，影響測量的準確，按國際標準的要求，在一個彎頭條件下，將測頭置于管道中心時，直管段長度應大于25D（D：管道直徑），其它條件下對直管段的要求遠大于25D，但實際的工業現場往往不能滿足要求，這帶來測量誤可以達到15%以上。用插入管道中心的測管測量流量，其計算公式[2]為：
式中：K為測頭常數，在風洞標定得到；ε為可膨脹系數；α為流速分布系數，根據有關標準提供的公式計算；β為阻塞系數，插入管道部分對流通面積的影響系數，根據有關標準提供的公式計算；γ為干擾系數，考慮到現場直管段不夠長等因素對流量測量的影響的修正系數，標準提示用試驗方法確定干擾系數的數值。
測管的生產廠為確定干擾系數，對一個彎頭后，不同直管段長度，流速從3~30m/s進行試驗，取得大量數據，擬合成計算干擾系數的公式，固化在流量計算機中。
流體在管道內的流動是很復雜的，絕大部分是非充分發展管流，了解了管道內流速分布，對流量的準確測量是很有意義的，標準提供了用皮托管測量非充分發展管流的速度面積法[3]，測管的生產廠根據標準的要求在測量截面上布置多個測量點，阻流件為一個彎頭，直管段長度為3D、8D，流速3~25m/s范圍內進行試驗，在研究報告中，詳細地介紹了試驗過程及部分數據處理結果。
3 實施過程
在2#高爐Φ1400煤氣管道90°彎頭后約5600mm處，安裝一支FJPE型測管流量計，并配有壓力變送器和鉑電阻，將變送器信號接入FC2000-1A流量計算機。由于現場直管段短，不能滿足ISO3966或ISO7145國際標準所規定的充分發展管流的條件，因此流量計算機的補償運算以《采用FJPE型測管在非充分發展管流的實驗數據》為依據，根據現場具體條件進行必要調整[1]。
經對儀表運行數據長期觀察，并多次組織各有關部門結合工藝條件分析運行數據，從數月運行結果看，儀表運行穩定與工藝參數相吻合。
4 防堵塞措施
在煤氣測量中不論采用何種流量計，堵塞和結垢的一直影響著儀表的正常使用，以均速管為例。由于均速管流量計測桿上各取壓孔處的流速是不同的（見圖1）[4]，則各取壓孔之間存在一定的壓力差，造成各取壓孔之間有介質流動，流動的介質中粉塵產生埋積，形成堵塞。另外，大多數工業煤氣中含有水份，水以水蒸汽狀態混合于煤氣之中，稱為濕煤氣，當濕煤氣流入取壓孔內，其中的水蒸汽接觸取壓管內壁冷凝成水，并存積于取壓管內，煤氣中的臟污粉塵隨冷凝水析出，在取壓管內壁結垢；往往測桿下端測孔的堵塞較為嚴重，即使采用蒸汽或氮氣吹掃，也只能吹通測桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞。攀鋼冶煉的是釩鈦磁鐵礦，由于其原料的特殊性，高爐煤氣中的粉塵粘結性極強，所產生的結垢、堵塞很難清除。
圖1 均速管流量計測量臟污介質易發生堵塞示意圖
針對測量煤氣等臟污介質的特點，測管式流量計測頭的設計，吸取其它差壓流量計的長處及經驗，在分析均速管式流量計取壓孔容易堵塞機理的基礎上，采用了獨特的蹄形切口結構，見圖2。測管式流量計的測頭上僅有一個全壓取壓孔，取壓管內介質相對靜止，取壓孔內不易形成粉塵埋積。由于測頭采用蹄形切口設計，向下安裝，濕煤氣中的冷凝水隨時滴入管道，冷凝水不會再存積于引壓管內。另外，測管式流量計配有在線吹掃裝置，一旦發生堵塞可隨時進行吹掃。這樣較好解決了在測量煤氣等臟污介質的堵塞、取壓管內壁結垢等問題[4]。
圖2 測管式流量計的測頭結構圖
5 結束語
許多流量測量專家認為：流量儀表的應用甚至比儀表的研究、生產更為復雜，大量儀表在實驗室都有優良的性能，但儀表使用現場往往滿足不了其使用條件，造成不少流量計在使用中存在這樣或那樣的問題。從前面分析中，我們感到測管的生產廠比較好地考慮了現場條件對測量的影響，并盡可能地摸擬現場條件對儀表進行試驗，掌握了大量試驗數據，用以指導現場的應用，在與生產廠多次接觸中，聽取他們的意見，充分應用他們的試驗數據。攀鋼2#高爐煤氣測量采用測管流量計，從根本上解決了存在的三大難題，至今運行穩定，測量偏差小。
參考文獻
[1]周國祥，王京安用FJPE型測管對非充分發展管流的試驗研究[J]計量學報，2008，（5）：461-464
[2]ISO7145-1982，圓形橫截面封閉管道中流體流量測量——在橫截面的一點上速度的測量方法[S]
[3]ISO7194-1983，測量封閉管道中的流量——在圓管中處于漩渦及非對稱流動下用皮托管及流速計組的速度面積流量測量方法[S]
[4]王京安測管式流量計在大口徑氣（汽）體流量測量中的應用[J]世界儀表與自動化，2009， （2）：46-47