[導讀] 合理使用二次能源，對鋼鐵廠的節能降耗十分重要。某鋼廠在高爐熱風爐技術改造中，采用節能型計量儀表替代孔板，獲得了良好的效果。改造中，通過合理選擇和應用新型流量計，解決了煤氣流量計量中由于其壓力低，含塵多易堵塞的計量難點，為鋼鐵廠節能降耗、提高計量管理水平提供了一個有效的途徑。
鋼鐵廠的二次能源主要有高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣3種，這3種氣體燃料約占鋼鐵廠總能耗的30-40%。因此，合理使用二次能源，對鋼鐵廠的節能降耗有著十分重要的意義。某鋼廠在高爐熱風爐技術改造中，采用新技術、節能型計量儀表替代高耗能的孔板計量裝置，獲得了良好的效果。通過這一改造，既解決了計量不準的問題又節約了能源。
GB17167《用能單位能源計量器具配備和管理通則》規定，煤氣計量準確度不低于2級，空氣計量準確度不低于2.5級。為了滿足這一規定，此次技術改造要求煤氣總管及煤氣分管和助燃空氣總管及其分管都要分別計量，以期解決過去高爐煤氣計量不準、助燃空氣不計量的落后局面。
煤氣流量計量常用的計量儀表是差壓式節流裝置，其中以標準孔板應用為最多，此外就是巴類流量計即均速管流量計。目前市場上常見的幾種進口均速管流量計有美國的威力巴和阿牛巴以及德國產的德爾塔巴。均速管流量計與孔板相比較，其最大的特點是易安裝、少維護、壓損小、能耗低、精度高、磨損少。而這些特點正是我們所需要的。通過市場調研并與冶金同行交流后，我們選用了德國產的均速管流量計（以下簡稱流量計）作為這次技改的計量儀表。
1 均速管流量計簡介
1.1 工作原理
流量計是基于皮托管測量流體高低壓的基本原理，由單孔演變成多孔的測量方式（引壓孔分布在管道內徑上）。由于管內流速中間快、兩側慢，不同流速產生的壓力在測量管內取平均。均速管即由此而得名。
流量探頭的測量原理如圖，所示。將一根中空金屬桿沿直徑插入管道中，采用等面積法，在桿的迎流面和背流面制有成對的測壓孔，一般來說是兩對或多對。
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圖1 測量原理圖
迎流面的多點測壓孔測量的是總壓，背流面測量的則是靜壓，利用測量流體的總壓與靜壓之差（dp）來測量流量。
1.2 質量流量的計算
流量計計算流量的方法與國際標準ENIS05167-1中的方法相似，其計算公式如下：
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式中，qm為質量流量，kg/s；ζ為探頭阻斷系數；ε為流體膨脹系數；d為管道內徑，m；dp為差壓，Pa；ρB為介質工況下密度，kg/m3。
公式中阻斷系數ζ是一個只與探頭結構有關、而與流體或介質無關的參數。ζ與流量系數k的關系如下：
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膨脹系數ε在流量測量過程中，是用來定義壓力損失對介質密度的影響量。對于不可壓縮性介質如液體，其膨脹系數是1。對于可壓縮的介質，如氣體、蒸汽，隨著管道內壓力損失的增加和管道內靜壓力的減小，膨脹系數將從1開始，按比例下降。
因為流量探頭只會引起極小的壓力損失，所以膨脹系數在大多數情況下非常接近于1。因此，在計算過程中，膨脹系數ε經常被假定為一個常數。這個常數選取最大流量的2/3時的ε值，并按下面公式計算：
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1.3 帶溫壓補償的流量計算
帶溫壓補償的氣體和蒸汽的流量由下式計算：
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式中，qmD為流量探頭計算書中質量流量（設計狀態），后面的開方項是來自于差壓變送器的輸出信號，即流量的百分比。中間開方項是考慮了溫壓補償，它是理想氣體的溫壓補償運算。
溫壓補償的實質是被測介質在溫度和壓力偏離設計值時，其密度發生了變化。因此，通過理想氣體公式可以對蒸汽或者其它氣體進行密度計算，從而達到溫壓補償的目的。密度計算公式如下：
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式中，下標為D的是指設計值，下標為B的指工況值。
1.4 測量系統
測量系統由流量傳感器、閥組、在線吹掃裝置、差壓變送器和DCS系統組成（見圖2）。運行時，將流量探頭測得的差壓、溫度和壓力信號（4-20mA）送至控制室盤后，采集到DCS系統中進行模塊化組態，最終轉換成帶溫壓補償的（需要時）質量流量（或體積流量）。
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圖2 測量系統示意圖
2 流量計技術特點
均速管流量計與孔板相比較，我們認為該流量計有以下6個方面的技術特點。
（1）應用廣泛
可測量氣體，液體和蒸汽，不受介電常數限制，可以滿足同一工程中不同被測介質的測量需要。
（2）管道動力損失小、運行成本低
探頭的壓力損失僅有孔板的2-5%，節能效果十分明顯。而加裝流量計的根本目的是節能降耗，因此運行時的耗能即永久壓力損失一直是我們的關注點之一。
（3）安裝維護簡單
流量計安裝為開孔安裝無需斷開管道，較同規格的孔板安裝可節省90%的時間，而且費用低。根據安裝需要還可以實現在線開孔安裝和進行在線拆卸與維護，這一特點對煤氣測量非常重要。
（4）防堵性能好
對于煤氣等帶有顆粒的介質，堵的現象時有發生，是一個不好解決的問題。流量計在保證小壓損高強度的同時，引壓孔達到8mm，使探頭具有自清洗的防堵功能。而對于具有高密度的塵埃物質的被測介質，還可以加裝在線吹掃裝置，以保障惡劣工況下的正常使用。
（5）高精度
經過德國TUV測試，最新的數據表明，該流量計在直管段為7ID（ID管道內徑）時，測量精度優于1%，重復性優0.1%，滿足了熱風爐實際現場環境及安裝條件下所選用流量計的準確度需要。
（6）探頭截面獨特、差壓大
獨特的探頭截面設計，使流量計具有壓損小、差壓大的效果，量程比達到30：1，且可實現雙向測量；探頭有明顯的高低壓分界點和加速段，加速段對流體產生平均3倍的加速效果，因此可以產生大而穩定的差壓。
3 應用效果
項目實施過程主要有以下幾個方面：流量計選型方案的確定、流量計的安裝、精度分析與節能分析。
3.1 流量計選型方案的確定
根據流量計廠家選型要求，我們提供了介質、流量、溫度和壓力、管內徑及壁厚和管道方向等工藝參數。據此獲得選型方案如表1所示。
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上述方案基于以下考慮：
（1）由于高爐煤氣含有較多的粉塵，采用在線可插拔結構方便維護拆裝。后經廠家建議加裝了帶差壓保持功能的在線吹掃裝置。實踐證明，有了在線吹掃裝置后，大大減少了拆出探頭的維護工作量。
（2）煤氣總管和分管直管段足夠長（大于廠家規定的前4ID后3ID），流體在管道中的分布基本對稱，因此，采用了部分插入探頭（約為全部插入長度的1/3），使單臺購置成本減少了約2/5。
（3）助燃空氣粉塵較少，采用非在線插拔結構一次性安裝，且由于垂直分管直管段較短，探頭選擇為全插長度，以保證較高的測量精度。
3.2 流量計安裝
根據合同約定，由廠家派出工程師進行現場安裝指導，以保證流量計的安裝符合規定的要求。安裝中需要注意的問題如下：
（1）盡可能地將探頭安裝在上游沒有閥門的管線上，因為閥門對流體的干擾最大，會嚴重影響測量精度。
（2）差壓變送器應高于探頭輸出位置安裝，以免造成引壓管中積存冷凝液影響測量效果。
（3）根據廠家安裝要求，達到1%測量精度的直管段長度是前4ID后3ID，安裝時應盡可能的滿足。當直管段不滿足要求時，探頭的安裝位置采用前2/3后1/3實際直管段長度的分布方式，有利于保證測量效果。
（4）用于煤氣測量的在線吹掃裝置應串接在靠近差壓變送器的位置，以保證吹掃時可以將引壓管內的粉塵一起吹掃干凈。
3.3 精度分析
原測量系統僅在煤氣分管安裝了孔板流量計，因GB/T2624規定的標準孔板管道公稱通徑上限為1200mm，因此，1600mm的煤氣總管已經不符合該標準范圍，按規定應實流標定以確定流出系數。考慮到實標費用過高，因此放棄了煤氣總管的流量測量。分管上的孔板流量計由于煤氣粉塵多、濕度大、直管段太短（僅有8倍的管內徑）等問題，導致測量偏差過大而無法正常使用。而且孔板拆卸困難不便維護，故確定技改中全部更換為均速管流量計。
高爐煤氣總管、分管和助燃空氣總管的直管段均符合廠家規定的前4ID后3ID的要求，因此，測量精度優于1%，完全可以滿足煤氣計量準確度不低于2級的國家規定。
助燃空氣分管為垂直布置，由于安裝空間位置的限制，直管段只有4倍的管內徑長度。就廠家提供的試驗數據表明，當測量點為前2ID后1ID直管段時，流量計仍有2%的測量精度。因此，可以確認助燃空氣分管的測量精度在1.5-2%之間，滿足了空氣計量準確度不低于2.5級的國家規定。
3.4 節能分析
應用廠家提供的“能耗比較”計算軟件，將高爐煤氣分管原來使用的孔板壓力損失值0.404kPa和流量計相應的壓損值0.0095kPa同時輸入軟件，并設定電費單價為0.8元，得出孔板和流量計的能耗及費用比較表，見表2。
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由以上數據可以看出，用于高爐煤氣分管流量測量的流量計的壓損僅有孔板的2.35%，每年每支流量計因此而節省能耗成本28774.85元，本次技改共替換了原有的三臺孔板，每年僅此一項就可以節約費用86324.55元。
4 結束語
在煤氣測量和助燃風測量中，流量儀表的選型是關鍵一環。在當今流量儀表種類繁多的情況下，差壓式流量計的選型應盡量滿足以下5方面的要求：
（1）重復性要好（優于0.1%），準確度要高（0.5%-1.0%），量程比要寬（30：1）；
（2）相同精度情況下對直管段的要求要低；
（3）永久壓力損失小，耗能要低；
（4）流量計本身具有防堵能力，性能要長期穩定、可靠耐用；
（5）安裝維護簡單費用要低，且能滿足不停車檢修的特殊需要。
通過技術改造，已有的使用情況和測試結果證明，均速管流量計能較好地全面滿足差壓式流量計選型的這些基本要求。并且在直管段少，介質比較臟的情況下具有較好的適用性。
均速管流量計的應用，為我們解決了孔板測量精度低、維護不便（必須停產）、壓損大能耗高的問題，對鋼鐵廠合理使用二次能源、節能降耗有著十分重要的意義，給企業帶來的經濟效益也是可觀的。
熱風爐計量系統改造投運兩年多以來，計量精度較高，數據可靠，測量系統的準確度維持在2%左右，達到了技術改造目標。