歐洲平衡流量計在鋼鐵行業中的應用
發布時間：2017-11-22
1 追溯平衡流量計的發展歷程
平衡流量計作為第三代節流裝置，它的歷史悠久。最早的孔板、噴嘴、文丘里等傳統的差壓節流裝置，結構簡單、牢固、性能穩定可靠，并且得到了國際標準化組織的認可，是全世界通用的，從使用數量上，差壓式流量計占了一半以上的份額，應用范圍極廣，包括全部單相流體 ( 液、氣、蒸汽) 、部分混相流，一般生產過程的管徑、工作狀態 ( 溫度、壓力)皆有用到，并且節流裝置和差壓顯示儀表已實現專業化規模生產，現場維護和檢修方便，群眾基礎極好。
然而，由于設計的歷史局限性，以孔板為代表的傳統節流裝置，明顯存在一些缺點，例如: 精度已經難以跟上時代的要求; 量程比的范圍也僅僅只有3∶1; 直管段要求難以滿足，尤其是對于較大管徑;采用法蘭連接，易產生跑、冒、滴、漏問題，大大增加了維護工作量等一系列的問題，都不得不使得差壓節流裝置進行一次大改革，因此，全世界許多從事流量的專業人士都從不同的角度，對使用最廣泛的差壓式流量計進行設計改進。
就這樣，第二代錐形流量計誕生了，它的節流原理與孔板相反，將孔板的邊緣節流改為中央節流，通過在密閉管道中心線懸掛一個特制的流線型錐體來進行中央節流，用上游管壁和錐體尾部測量的差壓來計算流量。
接著便是第三代節流裝置，由歐洲 TNO 皇家科學院成立項目組，通過數年時間研發的新型平衡整流器。這種流量計的測量精度是傳統節流裝置的 5 ～ 10倍，流動噪聲降低到 1/15，永久壓力損失約為第二代的 1/3，壓力恢復快 2 倍，最小直管段可以小于0. 5D，沒有活動的部件，安裝和使用非常方便簡單，因省去大直管段，大大減少流體運行所需的能量消耗，是一種具有廣闊應用前景的節能儀表。
2 平衡流量計的技術引進
HQ 系列平衡流量計是由上海華強儀表有限公司耗巨資引進歐洲皇家科學研究院 ( TNO NederlandseOrganisatie voor Toegepastk - natuurwetenschappelijk on-derzoek) 的最新流量計量技術 ( 已在中國商務部備案國外技術進口合同) 。該產品在歐洲已有數年應用歷史，并被歐洲權威計量檢測機構證明是一種高精度、高性能的革命性差壓式流量計。
3 平衡流量計是新穎的差壓式節流裝置
3. 1 平衡流量計的測量原理
平衡流量節流裝置設計原理是基于伯努利能量守恒定律，實現等雷諾數、動量平衡。核心技術是通過一個特殊優化設計的多孔圓盤節流整流傳感器 ( 平衡流量傳感器) ，與工況流場配合，來完成其優越性能的 ( 見圖 1) 。平衡流量傳感器每個孔的形狀、尺寸和分布是基于獨特的等雷諾數、動量平衡公式和實流測試數據，通過流量仿真優化技術 ( QMC/MIMT)制，稱為函數孔 ( Function Hole) 。當流體穿過圓盤的函數孔時，流體將被平衡調整，渦流被最小化，形成圖 2 所示的理想流場，經取壓裝置獲得穩定差壓信號。
3. 2 平衡流量計的理論基礎
平衡流量計與其他差壓式流量計一樣，根據伯努利方程計算體積流量和質量流量。質量流量計算公式[1]如下:
體積流量按下式計算:
4 鋼鐵行業存在的流量計量問題
4. 1 鋼鐵行業流量計量的現狀
鋼鐵行業是耗能大戶，能耗占全國總能耗的 10%以上，大量燃料在各種爐窖內燃燒，還需要助燃空氣，有的屬富氧燃燒，需要吹入氧氣。有的爐子燃燒產生大量的荒煤氣，經洗滌除塵等處理后，送到另一些爐窖作燃料。因此，助燃氣體流量、煤氣流量、煙道氣流量等占了很大比例。這些測量對象流體壓力低、流速低、密度低、管徑大，要準確測量有一定難度，尤其是煤氣，往往含水量、含塵量較高，有的還含有焦油，有的煤氣管道內有排不盡的水，這些都要求儀表有適應能力，不能因凝液析出而影響測量，不能因灰塵而發生故障。國內的鋼鐵行業一般采用孔板流量計、V 錐流量計、渦街流量計等流量儀表，由于其自身的局限性，很難滿足實際測量要求。
廠制水流量測量對象也有其特點，測量結果多半用于過程監視與控制，精確度要求不高，但穩定性、可靠性要求高。
4. 2 鋼鐵行業中的蒸汽計量
蒸汽是鋼鐵行業生產所必須的能源。根據對部分大中型企業的統計，蒸汽能耗占鋼鐵企業總能耗的10% 左右，而可回收利用的余熱資源所占比例也很高，占整個企業能耗的 7% 左右。因此，優化蒸汽計量系統，保證能源利用率，對企業的整體節能將發揮重要作用。
目前使用流量儀表測量蒸汽流量，測量介質都是指單相的過熱蒸汽或飽和蒸汽。對于相流經常變化的蒸汽，肯定會存在測量不準確的問題。這個問題的解決方法是保持蒸汽的過熱度，盡量減少蒸汽的含水量，例如加強蒸汽管道的保溫措施，減少蒸汽的壓力損失等，以提高測量的準確度。然而這些方法并不能徹底解決蒸汽流量測量不準確的問題，解決這一問題的根本辦法是開發一種可測兩相流動介質的流量儀表[2]。
對于蒸汽計量應考慮 5 個主要因素: 被測流體特性、生產工藝情況、安裝條件、維護需求以及流量儀表的特性。
4. 3 傳統節流裝置的計量隱患
( 1) 精度和重復性屬于中下等水平，節流件精度為 1% ～ 2%，受安裝條件和使用條件的影響精度更低;
( 2) 量程比窄，一般量程比僅 3∶1 到 4∶1;
( 3) 有較長的直管段要求，根據不同的流通孔徑和不同的阻流件位置會有所不同，通常最小要求前10D、后 5D 的直管段長度來將流場整定成標準流場，在很多工況下都難以滿足。尤其對較大管徑，問題更加突出;
( 4) 壓力損失很大，為差壓值的60% ～100%;
( 5) 蒸汽中的水分會凝聚在標準孔板前，影響計量準確性，而當有壓力的蒸汽沖擊在凝水上會產生水錘發出沖擊聲，嚴重的會將標準孔板沖擊變形。
5 平衡流量計解決鋼鐵行業計量的典型應用
中國經濟的高效增長離不開工業的發展，更離不開能源的大量使用，節能減排將是中國當下最艱巨的任務，實現節能減排目標面臨的形勢十分嚴峻。從“十一五”開始實施節能減排政策以來，我國單位生產總值能耗降低 20%左右、主要污染物排放總量減少10% 。2011 年正值 “十二五” 的開端之年，在國務院召開的節能減排會議上，明確強調繼續加大節能減排的力度，加強企業管理。
據國內外資料統計，差壓式流量計至今仍然是全世界最主要的計量器具，目前在國外約占 70% 以上，在國內占將近 80%。針對傳統節流裝置在鋼鐵行業流量計量中的缺點，歐洲皇家科學院推出平衡流量計。
平衡流量計在歐洲已應用 13 年，大量取代傳統節流裝置，取得了非常好的應用效果。特別是其尺寸和使用方式與傳統節流裝置幾乎一致，可直接替換孔板，為鋼鐵企業流量計量的改造節約了大量成本。平衡流量計的投入，將為鋼鐵行業帶來一次新的改革。
5. 1 雙向測量
平衡流量節流裝置的上下游完全對稱，沒有標準孔板的下游斜角，因此可作為雙向流體測量，完全解決了特殊工況時雙向流介質的測量難題，見圖 3。
例如，煤氣化爐的蒸汽流量測量，由于 SCGP 裝置采用共用汽包，在低負荷或高負荷時，出現兩側汽包液位相差過大，造成雙向流，為此，可采用雙向流流量測量裝置，既可測量正向時的蒸汽流量，也可測量反向時的蒸汽流量，解決了多年困擾的雙向流流量測量問題。
應用時，正反向流量的測量可采用同一臺差壓變送器，也可根據正反向最大流量選用兩臺差壓變送器測量，下面是流量測量方法。
① 用一臺變送器實現雙向流量測量。
當正反向最大流量相同時，可選用同一臺差壓變送器測量雙向流量。
② 用兩臺變送器實現雙向流量測量。
當正反向流量不等，或需要用兩臺顯示儀表分別顯示正反向流量時，可采用兩臺差壓變送器，連接到同一取壓口。也可采用兩個取壓口和兩臺差壓變送器實現雙向流量測量。
5. 2 大量程比滿足鋼鐵行業的多種需要
在一些應用場合，流體流量的變化范圍很大，常需要大量程比的流量測量。采用常規流量儀表無法實現大量程比的測量要求。平衡流量計由于寬雷諾數范圍和基本量程比寬，可以實現大量程比精確測量，量程比可達 10∶1 或更高。
5. 3 低壓損降低能耗
平衡流量計的多孔對稱平衡設計，減少渦流形成和降低流阻，大大降低動能損失。如圖 4 所示，在同樣工況下，選用同樣差壓值，與標準孔板比較，平衡流量計可降低 1/2 ～ 1/3 壓力損失，從而節省運行能量成本。因此，平衡流量計是典型的節能型儀表。
5. 4 提高儀表精度及節能降耗計算
平衡流量計的多孔結構使流型平衡，流出系數穩定，降低了渦流、振動和信號噪聲，使計量精度大大提高。經型式試驗檢測，平衡流量計的準確度為 ±0. 3% ～ ±0. 5% ( 標準孔板為 ±1%) 。
對于流量儀表，提高其精度是節能減排降耗的重要措施。
例: DN200 的蒸汽管道，壓力為 1MPa ( 表壓) ，蒸汽流速為 32. 6m/s，蒸汽單價設為 0. 15 元/kg。根據流速 32. 6m/s，管道內徑和蒸汽在 1MPa( 表壓) 下的密度，可計算得到蒸汽質量流量為20392kg / h。如果測量精度提高 0. 5% ，以 365 天 / 年計算，則因精度提高可少支付費用為:
20392 × 0. 005 × 24 × 365 × 0. 15 = 133975 元 / 年。
上述計算表明由于采用高精度的流量計，該系統每年就可降耗約 13 萬元，也減少了不必要的蒸汽浪費。
5. 5 短直管段長度條件下仍有高的測量精度
在工程應用中，滿足節流裝置直管段長度要求才能保證測量精度，如標準孔板一般要求前20D/后6D，此時能保證 ± 1% 精度。如具體現場只有前 10D/后3D，誤差要增加 ± 0. 5% ，則精度變成 ± 1. 5% 。采用平衡流量計只要求直管段長度為前 0. 5D ～ 2D，后2D，則在短直管段時仍能保證測量精度為 ± 0. 3% ～± 0. 5%[3]。
5. 6 短直管段減少貴金屬的應用
對于價格昂貴的工藝管道，設計時應盡量縮短工藝管路。因此，工藝管道上流量計的直管段往往很短，如高溫高壓強酸用的鋯材、哈氏合金，高溫高壓蒸汽用的鉻鉬合金鋼，高流速純氧氣用的蒙乃爾和英科奈爾合金，高溫高壓強酸強堿性的煙氣、合成氣、含硫尾氣等用的雙相鋼。采用標準孔板由于工藝直管段短而影響測量精度。如果采用平衡流量計則不僅可在前 2D/后 2D 的情況下保證測量精度，還可大大節約貴金屬管道材料。
5. 7 平衡流量計是蒸汽流量測量的最佳選擇
對于蒸汽流量中的凝水，會凝聚在標準孔板前，影響計量準確性，而當開停車時，有壓力的蒸汽沖擊在凝水上會產生水錘發出沖擊聲，嚴重的會將標準孔板沖擊變形。平衡流量計由于四周有孔，凝水會從下部孔流過 ( 見圖 1) ，避免了凝水，亦防止了水錘現象發生，更避免了彎曲變形。且平衡流量計精度為± 0. 3% ～ ± 0. 5% ，比標準孔板的 ± 1% 高。類似地，對含有氣泡的液體可從平衡流量計的上部孔通過。故在這兩種情況下，平衡流量計均為最佳選擇。
中石化江蘇儀征化纖使用了大量我司的 HQ 系列平衡流量計，主要用來測量蒸汽流量，實際使用狀況極佳。而且通過其他大量使用平衡流量計的客戶反饋，平衡流量計具有精度高、維護量低、長期穩定性好等優點。
6 為平衡流量計在鋼鐵行業的應用不斷努力
鋼鐵的產量在很長的一段時間以來，一直是衡量一個國家工業水平的一個指標，我國從一個鋼鐵零生產國到現在的鋼鐵進出口大國，可以說有了飛躍的發展。但是隨著鋼鐵工業的發展，環境問題也越發突出，從國家 “十一五”戰略開始，節能減排將是鋼鐵企業發展的基礎，所以對企業內部計量改造就勢在必行。據統計，傳統的孔板流量計在鋼鐵行業的應用占50% 以上，這就為平衡流量計的大量應用提供了大展拳腳的機會。
6. 1 HQ 系列平衡流量計的授權
歐洲皇家科學院 ( Nederlandse Organisatie voorToegepastk - natuurwetenschappelijk onderzoek TNO) 作為現階段歐洲最大的應用科學研究院，其在流量領域的成就已矚目全球。上海華強儀表有限公司生產的每臺平衡流量計都經其優化計算方法確定，此產品在中國已有多項國家專利保護。
6. 2 擁有全球最大的流體標定實驗室
節流裝置的機械加工裝配偏差，往往會帶來很大的附加測量誤差 ( 可達 1% ～3%) ，上海華強儀表有限公司的流體實驗室有能力采用先進的無應力加工和裝配技術來制造平衡流量計，可鎖定節流元件和取壓裝置的相對位置，最大限度消除加工裝配偏差、應力形變和現場安裝偏差。另外，為解決大口徑平衡流量計的實流標定問題，使任意口徑平衡流量計校驗精度達 0. 3 級，上海華強儀表有限公司共投資 3000 多萬，于 2009 年建成目前全球最大的變水頭流量標定裝置并獲國家專利 ( 專利號: ZL200920074182. 1) 。該裝置的各項指標均超過德國科隆公司建在荷蘭的流量裝置 ( 原全球最大) 。其塔高 34m，直徑 5. 5m，容積650m3，最 大 標 定 口 徑 3800mm，最 大 標 準 流 量30000m3/ h。該裝置設計原理獨特、自動化程度高，解決了國內大口徑流量計實流標定的難題。
摘自：中國計量測控網
