高爐蒸汽加濕調節系統的改進 ＊

劉月琴

(寶鋼集團八一鋼鐵股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830022)

寶鋼集團八鋼公司新區A#2500 m3高爐安裝有一套蒸汽加濕調節系統,系統包括調節閥、差壓式流量計和節流裝置孔板。其作用一是當高爐內加入一定量的蒸汽,高溫下蒸汽分解產生氫氣和氧氣,加速爐內的化學反應,提高煉鐵產能;作用二是當加入蒸汽量后,可減少富氧的加入量,起到節能降耗的作用;作用三是可有效地控制風口溫度穩定。這套系統自高爐投產以來,一直故障不斷,通過實踐探索,我們就如何提高這套系統的快速性、準確性及穩定性進行了研究和改進。

1 差壓式流量計

1.1 差壓式流量計的基本原理

差壓式流量計是在流通管道內安裝流動阻力元件,流體通過阻力元件時,流體將在節流件處形成局部收縮,使流速增大,靜壓力降低,于是在阻力件前后產生壓力差。該壓力差通過差壓計檢出,流體的體積流量或質量流量與差壓計所測得的差壓值有確定的數值關系。通過測量差壓值便可求得流體流量,并轉換成電信號輸出。

差壓ΔP=P1-P2與體積流量Qv或質量流量Qm有如下關系 (1)或 (2):

式中:ΔP為差壓;Kqv、Kqm為常數。

1.2 差壓式流量計的基本結構

差壓式流量計主要由節流裝置、信號管路、差壓變送器和顯示儀表組成。節流裝置將被測流體的流量轉換成差壓信號,信號管路把差壓信號傳輸到差壓變送器。差壓變送器對差壓信號進行測量并顯示出來,差壓變送器將差壓信號轉換為與流量相對應的標準電信號,通過顯示儀表進行顯示、記錄與控制。

1.3 差壓流量計的安裝

被測流體為蒸汽,信號管路的正確安裝方式如圖1所示。

1.4 差壓流量計在使用過程中需要注意的問題

流量測量中,國家標準規定:節流裝置適用的流量比為 30% (最小流量∶最大流量 =1∶3)。這是因為差壓與流量的平方成比例,流量比低于 30%,精度就不能保證。另外,流量小于 30%時,雷諾數往往低于界限雷諾數,流量系數a不是常數,造成流量測量不準。

2 調節閥的流量特性

調節閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對位移 (閥門的相對開度)間的關系,數學表達式如 (3):式中:Q/Qmax為相對流量,調節閥在某一開度時流量Q與全開流量Qmax;

l/L為相對位移,調節閥在某一開度時閥芯位移l與全開位移L之比。

一般來說,改變調節閥的閥芯與閥座之間的流通面積,便可以控制流量。但實際上,由于多種因素的影響,如在節流面積變化的同時,還發生閥前、閥后壓差的變化,而壓差的變化又將引起流量的變化。假定閥前后壓差不變的流量特性稱為理想流量特性,真實情況時的流量特性稱為工作流量特性。

理想流量特性主要有直線、等百分比 (對數)、拋物線及快開等 4種。

2.1 直線流量特性

直線流量特性是指調節閥的相對流量與相對位移成直線關系,即單位位移變化所引起的流量變化是常數,數學表達式如 (4):式中:K為常數,即調節閥的放大系數。

直線特性的閥門在開度小時流量相對變化值大,靈敏度高,不易控制,甚至發生振蕩;而在大開度時,流量相對變化值小,調節緩慢,不夠及時。

2.2 等百分比 (對數)流量特性

等百分比流量特性是指單位相對位移變化所引起的流量相對變化與此點的相對流量成正比關系。即調節閥的放大系數是變化的,它隨相對流量的增大而增大。等百分比流量特性在小開度時,調節閥放大系數小,調節平穩緩和;在大開度時,放大系數大,調節靈敏有效。

2.3 拋物線特性

拋物線流量特性是指單位相對位移的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根成正比關系。

2.4 快開特性

這種流量特性在開度較小時就有較大流量,隨開度的增大,流量很快就達到最大;此后再增加開度,流量變化很小,故稱快開特性。

2.5 確定調節閥的步驟

1)確定計算流量——根據生產能力、設備負荷及介質狀況,確定Qmax和Qmin;

2)確定計算差壓——根據系統特點選定S值,然后確定計算壓差 (閥門全開時的壓差);

3)計算流量系數——選擇合適的計算公式或圖表,求取最大和最小流量時的Cmax、Cmin;

4)C值的選取——根據Cmax,在所選產品型式的標準系列中,選取大于Cmax并最接近的那一級C值;

5)調節閥開度驗算——要求最大流量時閥開度不大于 90%,最小流量時開度不小于 10% (見說明);

6)實際可調比的驗算——一般要求實際可調比不小于 10;

7)口徑的確定——驗證合適后,根據C值決定;

說明:根據《自動化儀表選型規定》(HG20507-92),對于直線特性閥,最大開度應≤80%,最小開度應≥10%;等百分比特性閥,最大開度應≤90%,最小開度應≤30%。

3 系統改進前的使用狀況

3.1 孔板安裝狀況

孔板安裝在垂直的蒸汽管道上,管徑DN 200,孔板量程10531 m3/h;差壓儀表量程 0-100 kPa;調節機構選型為電動、單座、直行程調節閥,管徑DN 350,流量特性為直線特性。差壓變送器安裝在節流裝置上方。

3.2 系統使用狀況

該系統在使用過程中經常出現調節閥已到關位,流量計還顯示 500～1500 m3/h左右,將手動閥關到位后,有時流量計顯示 0 m3/h,有時顯示500～1500 m3/h左右。手動閥全開,調節閥閥位在 6%以下時,流量顯示不跟蹤閥位變化,閥位在6%以上時,流量顯示跟蹤閥位變化。因此在小流量時,生產方無法準確判斷加入蒸汽流量,對流量測量系統的準確性產生懷疑,對生產操作產生了影響。

4 原因分析

1)差壓流量計安裝不符合要求,造成測量誤差。

2)生產上使用最大蒸汽流量為6000 m3/h,通常使用流量在1000～3000 m3/h之間,依據孔板的設計流量,實際使用流量必須大于3000 m3/h,安裝孔板不合適,造成測量誤差。

3)差壓變送器經常工作在小流量狀況,輸入信號微小變化,開方后輸出則產生明顯變化,由于儀表內部、外部存在一些干擾因素,盡管其很小,但經開方運算后的輸出信號卻包含較大誤差。

4)調節閥經常工作在 10%開度以下,直線特性的閥門在小開度時流量變化較大,靈敏度高,不易控制。

5 系統重新選型后的使用情況

5.1 孔板選型

孔板選型為孔徑 d=100 mm,流量系數為 1.03,飽和蒸汽最大流量為6500 m3/h,蒸汽壓力為 0.7 MPa(密度ρ=4 kg/m3),根據計算差壓公式:

式中:ΔPmax——最大差壓,100 kPa;

Mmax——最大質量流量,26000 kg/h;

a——流量系數 ,1.03;

d——孔板孔徑 ,100 mm;

ρ——被測流體密度,4 kg/m3。

代人公式 (5)

5.2 調節閥選型

調節閥重新選型為氣動調節閥,正作用,氣關式,口徑DN100,流量特性為等百分比特性。

5.3 氣體流量修正

測量氣體流量時,由于氣體是可以壓縮的,即同一質量的氣體在不同溫度、不同壓力下的體積是不同的,所以計量氣體時都以標準狀態下,即溫度t=0℃,壓力p=101.33 kPa abs時的體積來計算。但在計算孔板時,卻要在操作條件下才可進行。因此引入實際溫度、壓力信號,通過公式 (6)進行流量修正。

式中:Q為工況流量;Qmax為標況最大流量;P為工況壓力;Tn為標況溫度;ΔP為工況壓差;Pn為標況壓力;T為工況溫度;ΔPmax為標況最大壓差。

5.4 正確安裝孔板

按圖1所示,將孔板安裝在水平管道上,差壓流量計安裝于管道下方,防止冷凝液不足產生測量誤差。

5.5 加大導壓管徑和采取保溫措施

使從節流裝置到冷凝器一段內保持汽相,防止過多冷凝液的產生而引起汽錘現象,影響測量。

6 結 語

通過對蒸汽加濕調節系統的結構設計并重新選型后,新系統在使用性能方面較舊系統有所提高和改善,準確校核和故障率更進一步論證了選用新系統的合理性,但是對于新系統的具體使用壽命,考慮到實際操作情況的差異性和特殊性,并不能保證免維護及免更換的可靠性,因此建議每年至少對系統進行一次全面的檢查直至把握其使用壽命,掌握更好周期。

[1]齊志才,劉紅麗.自動化儀表 [M].北京:北京大學出版社,2006.

[2]朱祖濤.熱工測量和儀表 [M].北京:水利電力出版社,1991.