自整流V型皮托式流量計(jì)在煤氣流量測(cè)量中的應(yīng)用

劉文達(dá)，葛 慧，李學(xué)林，孟慶晨

（1 山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司信息計(jì)量部，山東 日照 276800；2 山東省冶金科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 前言

煤氣是冶金企業(yè)重要的能源介質(zhì)之一。由于煤氣的特殊性，在計(jì)量方面存在諸多困難，長(zhǎng)期以來(lái)一直是流量計(jì)量工作中的老大難問題。近些年來(lái)，鋼鐵企業(yè)在《計(jì)量法》以及GB/T 21368—2008《鋼鐵企業(yè)能源計(jì)量器具配備和管理要求》等法律、標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，通過(guò)開展計(jì)量升級(jí)、ISO9000體系認(rèn)證等計(jì)量管理工作，在煤氣計(jì)量上嘗試使用了多種流量?jī)x表。通過(guò)實(shí)踐表明，某些類型的流量計(jì)并不適合于煤氣的流量測(cè)量。究其原因，主要是其在測(cè)量原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，無(wú)法解決煤氣臟污對(duì)流量計(jì)產(chǎn)生的不利影響。一種自整流V 型皮托式流量計(jì)采用了針對(duì)于煤氣特點(diǎn)的測(cè)頭型式和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且配套的流量計(jì)算機(jī)采用了多種針對(duì)于煤氣流量測(cè)量的專用流量補(bǔ)償算法，很好地解決了冶金企業(yè)煤氣流量計(jì)量所碰到的各種難題。

2 冶金企業(yè)煤氣的工況特點(diǎn)

任何一種流量計(jì)都不是萬(wàn)能的，每種流量計(jì)都有對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求，都有對(duì)流量范圍、溫度壓力范圍、安裝條件等要求。只有將測(cè)量對(duì)象和流量?jī)x表特點(diǎn)有效對(duì)接，才能獲得成功應(yīng)用。在實(shí)際能源計(jì)量工作中，對(duì)于一些難點(diǎn)介質(zhì)，只有從分析它們的介質(zhì)特點(diǎn)和流量工況特點(diǎn)入手，并結(jié)合當(dāng)前流量測(cè)量?jī)x表的產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀，才能解決這些能源計(jì)量的難點(diǎn)問題。

2.1 煤氣的介質(zhì)特點(diǎn)

（1）冶金企業(yè)的煤氣含水、含塵量高，介質(zhì)臟污，有的還含有焦油、萘等雜質(zhì)。這一特點(diǎn)是導(dǎo)致多種氣體流量計(jì)無(wú)法正常工作的首要原因。

（2）煤氣是混合氣體，同一種煤氣（高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐）在不同生產(chǎn)原料和生產(chǎn)狀況下其組分并不固定，尤其是煤氣管網(wǎng)中是多種煤氣的混合，管網(wǎng)中煤氣的組分更加難以確定。組分的變化會(huì)導(dǎo)致煤氣實(shí)際工況密度的變化，這就導(dǎo)致流量計(jì)的測(cè)量誤差。

（3）煤氣含有Cl 離子，對(duì)不銹鋼材質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性。如果流量計(jì)的材質(zhì)選用和制造工藝考慮不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響流量計(jì)的使用壽命。

2.2 煤氣的流量工況特點(diǎn)

（1）實(shí)際管線中煤氣的壓力較低，流體流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失要求較小。流動(dòng)壓損要小，設(shè)計(jì)的管道尺寸就要比一般的流體管道要大。但是，管道口徑大導(dǎo)致的后果就是煤氣的流速較低，不便于流量的測(cè)量。

（2）直管段往往不能滿足流量計(jì)安裝的需求，要求流量計(jì)對(duì)直管段不足的安裝現(xiàn)場(chǎng)，能夠有補(bǔ)償修正的算法。

（3）濕度對(duì)流量測(cè)量的影響很大。濕度不僅影響煤氣的實(shí)際工況密度，并且濕度問題處理不好，會(huì)導(dǎo)致煤氣輸送管網(wǎng)計(jì)量數(shù)據(jù)的不平衡。因此，煤氣流量計(jì)需要根據(jù)濕度計(jì)量出濕煤氣的干部分，才能從根本上解決煤氣濕度對(duì)流量測(cè)量的影響。

3 幾種煤氣流量計(jì)的比較

大口徑煤氣流量測(cè)量一直是能源計(jì)量中的一個(gè)難點(diǎn)。在實(shí)際中多以孔板、文丘里管、威力巴、氣體超聲波、熱式質(zhì)量流量計(jì)等作為檢測(cè)元件。主要有以下問題：

孔板和文丘里主要存在問題：①阻力損失大；②測(cè)量臟污介質(zhì)（如煤氣）取壓孔易堵塞；③必須在斷流的情況下安裝拆卸，對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的工藝管線，安裝困難；④管徑＞1.0 m 孔板不在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 2624—93）支持范圍內(nèi)。因此，孔板和文丘里在冶金企業(yè)煤氣測(cè)量中應(yīng)用不理想。

威力巴和氣體超聲波是一種可以不停氣在線安裝的插入式流量計(jì)，這給安裝維護(hù)帶來(lái)很大方便。但是，由于轉(zhuǎn)爐煤氣中含有大量粉塵和水汽，威力巴迎流面上各取壓孔之間存在流體的微流動(dòng)，導(dǎo)致取壓孔的堵塞。氣體超聲波也同樣因?yàn)槊簹庵泻写罅糠蹓m和水汽，探頭處易結(jié)污垢，造成聲波的反射和衍射，導(dǎo)致計(jì)量檢測(cè)的不準(zhǔn)確、波動(dòng)大。山鋼日照公司焦?fàn)t煤氣總管計(jì)量原在線用的氣體超聲波均存在該問題，最嚴(yán)重的每周就需要拆下來(lái)清洗，帶來(lái)很大的維護(hù)量和計(jì)量數(shù)據(jù)的丟失。

熱式質(zhì)量流量計(jì)也可以不停氣在線安裝，但是同樣因?yàn)檗D(zhuǎn)爐煤氣中含有大量粉塵和水汽，實(shí)際轉(zhuǎn)爐煤氣的導(dǎo)熱特性已經(jīng)發(fā)生了很大變化，造成計(jì)量的不準(zhǔn)確。如果在傳感器上有粉塵堆積，這就相當(dāng)于給傳感器穿上了“棉襖”，使得測(cè)量值偏低；如果在傳感器上有水滴，這就會(huì)給傳感器“降溫”，使得測(cè)量值偏大。

近些年來(lái)，皮托管類的流量計(jì)在煤氣流量測(cè)量中逐漸得到了較好地應(yīng)用。其中，一種自整流V型皮托式流量計(jì)采用了針對(duì)于煤氣特點(diǎn)的測(cè)頭型式和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且配套的流量計(jì)算機(jī)采用了多種針對(duì)于煤氣流量測(cè)量的專用流量補(bǔ)償算法，解決了冶金企業(yè)煤氣流量計(jì)量所碰到的各種難題。

4 專用于煤氣的自整流V型皮托式流量計(jì)

皮托管是一種經(jīng)典的流速測(cè)量元件，已經(jīng)具有多個(gè)國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程，廣泛地應(yīng)用于風(fēng)洞流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、航空、氣象、環(huán)保等領(lǐng)域。針對(duì)冶金企業(yè)煤氣的特點(diǎn)，這一經(jīng)典的測(cè)量元件在測(cè)頭型式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，需要進(jìn)行針對(duì)性的開發(fā)設(shè)計(jì)，才能很好地用于冶金企業(yè)煤氣計(jì)量。

4.1 自整流V型皮托式流量計(jì)的測(cè)量原理

用皮托管進(jìn)行封閉管道氣體流量的測(cè)量是一種具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法。在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，由于成本和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，自整流V型皮托式流量計(jì)依據(jù)采用單管的方式測(cè)量流量［2］，其流速傳感器依據(jù)皮托管原理設(shè)計(jì)，見圖1。傳感器處產(chǎn)生一個(gè)總壓和流體靜壓之間的差壓△P，該差壓與介質(zhì)流量qv的關(guān)系如下：

圖1 自整流V型皮托式流量計(jì)測(cè)量原理圖

式中：qv為工況體積瞬時(shí)流量，m3/s；D 為管道內(nèi)直徑，m；A為流速分布系數(shù)，無(wú)量綱；B為干擾系數(shù)，無(wú)量綱；K為測(cè)頭系數(shù)，無(wú)量綱；△P為差壓值，Pa；ρ為被測(cè)介質(zhì)密度，kg/m3。

在實(shí)際煤氣流量測(cè)量和計(jì)算中，差壓通過(guò)高性能的差壓變送器進(jìn)行測(cè)量，密度根據(jù)煤氣的組分進(jìn)行計(jì)算，公式中的測(cè)頭系數(shù)、流速分布系數(shù)、干擾系數(shù)是能否準(zhǔn)確測(cè)量流量的關(guān)鍵。測(cè)頭系數(shù)通過(guò)風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)流量裝置進(jìn)行標(biāo)定來(lái)確定。

4.2 自整流V型皮托式流量計(jì)的測(cè)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為了適應(yīng)煤氣臟污、含水、腐蝕性強(qiáng)等特征，自整流V 型皮托式流量計(jì)設(shè)計(jì)了V 型帶整流槽的流速測(cè)頭。V 型測(cè)頭的角度經(jīng)過(guò)計(jì)算流體力學(xué)分析方法和流量標(biāo)準(zhǔn)裝置驗(yàn)證，達(dá)到了最優(yōu)化設(shè)計(jì)。該種測(cè)頭能長(zhǎng)期使用于煤氣、煙道氣等臟污介質(zhì)的流量測(cè)量，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）取壓孔孔徑大，防臟污堵塞能力強(qiáng)；（2）V 型測(cè)頭為前后對(duì)稱型式，可用于雙向流的測(cè)量；（3）管線壓力1 MPa 以內(nèi)，均可不停氣在線開孔安裝；（4）帶有吹掃接口，可連接吹掃裝置，可用蒸汽或氮?dú)膺M(jìn)行吹掃；（5）設(shè)計(jì)在線疏通裝置，可以在不停煤氣、不拆卸流量計(jì)的情況下，進(jìn)行流量計(jì)的清灰、清渣維護(hù)，并且不會(huì)產(chǎn)生煤氣泄漏。

4.3 自整流V型皮托式流量計(jì)的防堵原理

測(cè)量冶金企業(yè)煤氣的流量計(jì)，關(guān)鍵是能適應(yīng)介質(zhì)臟污，下面通過(guò)對(duì)比分析均速管式流量計(jì)堵塞的機(jī)理，來(lái)介紹自整流V型皮托式流量計(jì)所采用的防堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及如何從原理上解決煤氣中臟污雜質(zhì)產(chǎn)生堵塞的這一問題。

（1）V 型皮托流量計(jì)采用大孔徑測(cè)頭，測(cè)頭取壓口的直徑達(dá)到10 mm。

（2）從測(cè)頭取壓口開始的整個(gè)取壓管內(nèi)介質(zhì)為靜止?fàn)顟B(tài)，粉塵、焦油等污物不會(huì)被帶入引壓管路中，因此不會(huì)產(chǎn)生因粉塵埋積而導(dǎo)致的堵塞。

（3）由于測(cè)頭采用V 形切口設(shè)計(jì)，并且整個(gè)取壓管路為完全直通的，濕煤氣中的冷凝水隨時(shí)自動(dòng)排出到管道中不會(huì)存積于引壓管路中。

（4）流量計(jì)配有在線吹掃裝置，一旦發(fā)生堵塞可隨時(shí)進(jìn)行吹掃。由于測(cè)頭正負(fù)壓各只有一個(gè)取壓口，因此可以完全吹通，不會(huì)有均速管只能吹通測(cè)桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞的現(xiàn)象。

通過(guò)這些設(shè)計(jì)，自整流V型皮托式流量計(jì)很好地解決了在測(cè)量煤氣、煙道氣等臟污介質(zhì)的堵塞、取壓管內(nèi)壁結(jié)垢、積水等問題。

5 流量計(jì)算機(jī)在煤氣流量測(cè)量中的應(yīng)用

自整流V 型皮托式流量計(jì)配套了流量計(jì)算機(jī)來(lái)完成信號(hào)采集和流量的補(bǔ)償修正計(jì)算。通過(guò)理論模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用流量計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，可以解決煤氣流量測(cè)量中的小差壓測(cè)量精度低、現(xiàn)場(chǎng)直管段不足等問題。流量計(jì)算機(jī)按照J(rèn)JG 1003中的公式進(jìn)行煤氣物性值的計(jì)算。

5.1 小差壓測(cè)量

由于冶金企業(yè)中的煤氣介質(zhì)工況密度小，流速低，插入式差壓流量計(jì)測(cè)量煤氣時(shí)，差壓值都較小，通常在幾十到幾百帕。如何提高小差壓測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，是這類流量計(jì)能否成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵問題。

自整流V 型皮托式流量計(jì)配套的流量計(jì)算機(jī)采用HART協(xié)議數(shù)字通訊和小波分析法，大大提高了小差壓測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的4～20 mA 信號(hào)的分辨率有限，且模擬信號(hào)傳輸不可避免存在誤差，因此在小差壓的測(cè)量上誤差較大，導(dǎo)致較大的流量測(cè)量誤差。目前冶金企業(yè)使用的差壓變送器都帶HART 協(xié)議，通常HART 功能還僅僅停留在使用手操器設(shè)置量程和調(diào)整零點(diǎn)上。流量計(jì)算機(jī)直接采用HART 協(xié)議讀取變送器差壓的數(shù)字信號(hào)，徹底消除了模擬信號(hào)采集的誤差，大大提高了小差壓測(cè)量的精度。這一點(diǎn)在差壓式流量計(jì)的應(yīng)用中有著質(zhì)的飛躍。同時(shí)，流量計(jì)算機(jī)采用小波分析算法，解決了干擾信號(hào)對(duì)小差壓信號(hào)帶來(lái)的波動(dòng)大的問題。“小波分析”是分析原始信號(hào)各種變化的特性，進(jìn)一步用于數(shù)據(jù)壓縮、噪聲去除、特征選擇等的一種數(shù)學(xué)分析方法。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)管道流體力學(xué)模型算法

現(xiàn)場(chǎng)煤氣管道可供流量計(jì)安裝的直管段不足是經(jīng)常會(huì)碰到的問題，也是很難解決的問題。流量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使該問題的解決成為可能。

首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤氣管道的走向、長(zhǎng)度、口徑，以及上下游阻流件的類型，建立計(jì)算流體力學(xué)模型，模擬實(shí)際的流量范圍，擬合出干擾系數(shù)的修正算法公式；然后將此修正算法公式編入到流量計(jì)算機(jī)的軟件中。這樣流量計(jì)算機(jī)在安裝到現(xiàn)場(chǎng)后，即按照該修正算法公式，動(dòng)態(tài)計(jì)算該管道的干擾系數(shù)，從而解決現(xiàn)場(chǎng)直管段不足的問題。

6 結(jié)語(yǔ)

自整流V型皮托式流量計(jì)自2018年11月投入使用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，沒有發(fā)生取壓部堵塞的故障，這說(shuō)明針對(duì)臟污煤氣介質(zhì)而特殊設(shè)計(jì)的皮托管類流量計(jì)，完全能夠適應(yīng)煤氣臟污問題。同時(shí)，該流量計(jì)測(cè)量的是點(diǎn)流速，可以在風(fēng)洞中標(biāo)定測(cè)頭系數(shù)，解決了以往大口徑流量計(jì)無(wú)法標(biāo)定的難題，使得測(cè)量數(shù)據(jù)有說(shuō)服力，符合計(jì)量需求。