熟料冷卻風機錐形口流量測量裝置的現場改造

尹文杰

水泥生產線大多采用錐形口流量測量裝置測量熟料冷卻風機流量，測量裝置測得壓差值后，通過差壓變送器經DCS 系統變換為風量，通過PID 調節器組成風量自動調節系統，差壓測量值影響調節系統的靈敏度和穩定性。

我公司某海外水泥項目采用錐形口流量測量裝置測量熟料冷卻風機風量，測量裝置選型偏小，多數風機風量接近額定值時，測得的差壓值在115～180Pa左右，有的僅為80Pa，測量值對風機風量變化不敏感，導致風量自動PID調節回路投入后不穩定，易發生震蕩，甚至PID調節回路無法自動投運，尤其是采用擋板調節風量回路時，擋板執行機構有“死區”范圍。如，該項目某臺風機額定風量為28 300m3/h，設計風量為21 900m3/h，在額定風量下運行時，測得的差壓值為115Pa，在設計風量下運行時，差壓值僅為69Pa。現場的輕微擾動即會使測量裝置測量值發生較大變化，如果現場有10Pa 的擾動，則測量的風量值將變化8 345m3/h。風機在設計選型時往往會留有裕量，實際生產時，一般在85%～95%的額定風量下運行，測得的差壓值往往低于額定風量時測得的差壓值。錐形口流量測量裝置示意見圖1，現場實物照片見圖2。

圖1 錐形口流量測量裝置示意

圖2 錐形口流量測量裝置現場實物照片

冷卻機風機的風量調節通常都要求投入自動控制回路。為滿足該項目PID 控制系統投運要求，決定現場改造風機錐形口流量測量裝置，提高測量裝置測量反饋的靈敏度。

1 錐形口流量測量裝置的改造要求

冷卻風機風量測量一般要求差壓測量精度偏差范圍為±2.5%，風量測量裝置測得的風量與實際風量最大偏差為，在25%～110%的額定風量范圍內不超過額定風量的3%。

錐形或弧形進口流量測量裝置均適用于從開式（自由）空間吸入空氣的情況，考慮現場改造時弧形進口裝置的制作難度較大，選擇錐形進口裝置進行改造。錐形口流量測量裝置的制作和使用應遵循GB/T 10178-2006《工業通風機現場性能試驗》、GB/T 1236-2017《工業通風機用標準化風道性能試驗》和GB/T 2624.1-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》。

2 錐形口流量測量裝置的制作安裝要求

錐形口流量測量裝置制作示意及制作公差要求如圖3 所示，只要確定了流量測量裝置喉道部分的直徑d，即可確定其他各部分尺寸。

圖3 錐形口流量測量裝置制作示意及制作公差要求

制作時，錐形口進口部分與喉道部分連接處為銳角30°，要求連接處裝置內側無隆起、無凸出，進口軸線與風道軸線一致。取壓點測量孔在制作完成后，作環形均壓連接。取壓點測量孔制作如圖4所示，對于水泥行業冷卻風機而言，取壓點測量孔a一般取4mm。

圖4 取壓點測量孔制作示意

若流量測量裝置與風機風道連接存在擴散段，則擴散段的夾角θ不宜過大，以θ＜30°為宜，避免在擴散段產生渦流，影響測量精度。θ選擇時應考慮現場安裝空間和風機風道的具體布置，此處選取θ≤15°。

現場差壓變送器距測量裝置不宜太遠，一般安裝在測量裝置側面、進口區域范圍內，應盡量避開錐形進口正面，確保其高壓端測得的為進口區域的環境壓力。錐形口流量測量裝置進口區域如圖5所示。

圖5 錐形口流量測量裝置進口區域的范圍

風機以設計流量運行時，喉道內的雷諾數很高，即使在25%的額定風量下運行時，喉道內的雷諾數仍＞3×105，按照此方法制作的錐形口流量測量裝置基本不確定度為1.5%，其他附加不確定度為0.5%，最大不確定度≯2%。

3 錐形口流量測量裝置的流量系數計算

以一臺風機為例，介紹現場實際改造的情況。風機改造前，額定風量32 464m3/h，全壓1 980Pa，設計使用風量29 965m3/h，設計使用風壓1 720Pa，采用進口擋板調節風量。改造前，流量測量裝置為錐形進口裝置，其喉道直徑d為828mm，現場測量風機風量～31 500m3/h 時，差壓測量值為141Pa。改造目標為：當風機在額定風量32 464m3/h運行時，通過減小錐形口流量測量裝置喉道直徑，使差壓測量值ΔP在400Pa左右。

錐形口流量測量裝置適用流量計算公式為：

式中：

Qm——質量流量，kg/s

α——錐形口測量裝置的流量系數

ε——膨脹系數

d——錐形口流量測量裝置喉道直徑，m

ρu——上游空氣密度，即吸入大氣密度，kg/m3

ΔP——差壓測量值，Pa

用式（2）將測量流量換算為工程常用氣體體積流量Qv：

αε可看作與雷諾數和測量裝置喉道直徑d相關的復合系數，通過GB/T 1236-2017《工業通風機用標準化風道性能試驗》中的相關表格、公式求取。

在正常操作條件下，通過流量測量裝置喉道氣體的雷諾數＞4×105，在未知流量測量裝置喉道直徑的情況下，可先取d=0.63～0.80m之間的復合系數αε計算（見圖6），此處取αε=0.95。

圖6 αε復合系數

項目所在位置海拔較高，空氣密度取項目所在地20℃時的空氣密度0.984kg/m3。

將Qm=32 464m3/h，αε=0.95，ΔP=400Pa，ρu=0.984kg/m3代入式（2），得出測量裝置喉道直徑d=0.651 0m，再利用公式（3）核算αε復合系數取值是否合適。

式中：

Red——通過流量測量裝置喉道氣體的雷諾數

m、C——中間變量

按照GB/T 1236-2017《工業通風機用標準化風道性能試驗》中給出的公式進行計算：

計算可得：當通過流量測量裝置喉道氣體風量為額定風量的25%～100%時，復合流量系數αε=0.93～0.94，再次代入公式（2）中，得出d=0.654 0m。由以上結果可以看出，復合流量系數αε對流量測量裝置喉道直徑的影響不大。

選定d=0.65m作為錐形口流量測量裝置喉道直徑值，重新計算復合流量系數αε=0.94，并計算錐形口流量測量裝置的綜合流量系數Ft值，將公式（2）簡化為公式（4）：

改造后，當風機在額定風量32 464m3/h運行時，測得的差壓值為411Pa，滿足改造目標。由于現場制造存在誤差，需在安裝完成后對綜合流量系數Ft進行標定，經過標定的綜合流量系數Fc供DCS編程時使用。

風機在額定風量的110%運行時，計算的差壓值為498Pa。差壓儀表量程范圍可設置為0～500Pa，對應風機風量范圍為0～35 796m3/h。

4 現場標定結果示例

標定方法采用GB/T 10178-2006《工業通風機現場性能試驗》推薦的速度場法。風量標定點可選擇在風機風道上的適合部分，最小尺寸要求標定點上游有3D直管段長度，下游有2D直管段長度，D為標定點處管道的內徑。在圓形測量截面上選擇3條直徑線，每條直徑線8 個點，采用“切夫-貝夫”法確定各個測點在測量截面上的位置（見圖7），風管中的平均風速取各個測點風速測量值的算術平均值。風管中的體積流量由測量截面面積乘以平均風速得出。風速測量儀器可選用標準皮托管或轉葉式風速計，此處選用的是轉葉式風速計，型號為TESTO-435。

圖7 采用“切夫-貝夫”法確定圓形截面內測試點位置

由于風機測試是在工藝生產線帶料生產前完成，閥門開度在40%時即已接近額定流量，風量標定前，已完成差壓變送器的標定和閥門開度的標定。

按照標定的流量系數，風機在額定風量下運行時，錐形口流量測量裝置測量的差壓值為438Pa。在設置0～500Pa作為本臺風機差壓儀表的量程范圍時，對應風機風量范圍為0～34 678m3/h。

5 改造效果

（1）表1為理論計算數據和實際標定數據對比，從表1 數據來看，流量實際標定值和計算值非常接近，兩者之間的偏差主要是由制造誤差、測量誤差、讀數偏差和計算取值精度偏差等因素導致，可采用不同測量點所計算的流量系數的算術平均值，作為本流量測量裝置標定后的綜合流量系數Fc，此值將在DCS程序中采用。

表1 理論計算數據和實際標定數據對比

（2）改造后，管路系統阻力發生了改變，但風機自身的流量-壓力特性曲線并沒有改變，管路系統曲線和風機特性曲線的交點不再是風機在設計選型時的最佳效率點。

（3）冷卻風機在設計選型時都留有一定的壓力和風量的裕量，本例中風機風量富裕系數為10%，風機壓力富裕系數為15%。實際運行時，在設計使用風量為29 965m3/h 時，差壓值為373Pa，改造前的差壓值為123Pa，管路系統靜壓增加了248Pa，風機依然能夠覆蓋全部管路系統的阻力，可以正常使用。改造后，風量檢測靈敏度提高，實現了PID調節回路的穩定自動調節。

若在設計選型時考慮錐形口流量測量裝置差壓值為400Pa，改造后的電耗和改造前基本相同，可以認為沒有增加電耗。錐形口流量測量裝置測量的是靜壓，增加的差壓值反映到風機功率上，增加了風機的靜壓功率，那么風機在設計風量運行時效率會降低。

（4）現場改造時需注意冷卻風機的選型參數和使用參數，避免出現改造后風機風壓不足的情況。最好的方法是在設計選型階段，考慮PID 調節回路的穩定，要求測量裝置的差壓值在額定風量時為400～600Pa。本文介紹的方法并不是改造流量測量裝置的唯一方法，還可通過更換流量測量裝置的方式來實現，如，采用阿牛巴流量計代替錐形口流量測量裝置，但阿牛巴流量計對裝置使用前后有一定的直管段要求，而冷卻風機的布置相對緊湊，現場改造很難達到這一要求。

另外，本例假設環境溫度為20℃，在晝夜及季節環境溫度變化很大的區域，可以考慮引入溫壓補償。