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熱式氣體質量流量計在鋼鐵氧氮氬中應用
發布時間:2019-06-05

摘要:文章就鋼鐵企業氧氮氬計量過程中容易出現的問題以及由此造成的后果進行了分析,對熱式氣體質量流量計的一般工作原理、分類、不同的技術路線和優劣比較以及選型方式進行了闡述,并重點分析了熱式流量計相對孔板流量計的優特點及其適用場合,以及通過熱式氣體質量流量計解決鋼鐵企業氧氮氬計量問題所收到的效果。
1背景
  鋼鐵企業因煉鋼工藝要求,對氧氣、氮氣和氬氣有大量需求,這3種氣體在冶煉現場的支管計量一般采用孔板等節流裝置測量差壓值來進行計量,由于現場工藝流量設定值相對固定,波動較小,所以測量精度一般能夠滿足現場工藝要求。
  但是對于廠際計量的總管而言,節流裝置的應用存在較大問題,實際應用中往往存在較大誤差,以某鋼鐵公司為例,其煉鋼廠的氧氮氬消耗報表和總公司的計量統計報表長期存在偏差,導致成本考核數據失真,對生產經濟責任制考核造成較大影響,而計量部門使用了各種包括球罐容積標定法在內的計量手段,對總管和支管的檢測儀表進行了多次測量或者標定,均證明儀表參數選型和計算書符合設計和實際工況要求,沒有大的偏差。
2原因分析
  排除了參數設置和計算方法問題,我們把目光轉向了計量儀表本身。經過認真分析,我們認為主要原因是由孔板流量計本身的特點造成的:一般鋼鐵企業煉鋼廠都有多臺轉爐設備,轉爐屬于間歇式冶煉設備,總體上看這些設備對氧氮氬氣體的使用是一種隨機的狀態,節流裝置由于量程比較小,其選型一般是以滿足這些設備同時工作為依據,但是在實際生產中,流量存在較大波動,尤其在小流量處會超出正常的量程比。
  以該鋼鐵公司為例,該公司煉鋼廠有4座轉爐,2座容量較小,2座容量較大,這樣在實際生產中,各轉爐的生產時間有一定的隨機性和交叉性,所以同時只有1座小轉爐生產和4座轉爐同時生產這2種比較極端的情況均會出現,以氧氣為例,實際冶煉時平均工作流量如表1所示。

根據上表可以算出:
最小工作流量(1座小轉爐工作)Lmin=11800Nm3/h
最大工作流量(4座同時工作)Lmax=(11800×2+22500×2)=68600Nm3/h
計算工作量程比Rw=Lmax∶Lmin=68600∶11800≈5.8∶1
  考慮到煉鋼廠內氧氣還有連鑄坯切割和日常檢修等用途,實際量程比應該比計算值更大,按具體測量值已經超出了7∶1。而一般孔板流量計的量程比為3∶1,超出該量程比范圍的精度則難以保證,在本案例中,總管最大最小流量已經超過了7倍,由此導致總管計量和支管計量嚴重不符。
以2016年1~4月的統計值為例如表2所示。

  根據上述分析和統計數據,我們得出結論,對于鋼鐵企業氧氮氬總管計量這種工況,常規的孔板流量計已經不太適用,需要尋找一種量程比大的流量計量儀表,來替代原有的差壓式孔板流量計。
3熱式氣體質量流量計原理
3.1發展歷史
  通過認真研究分析,一種基于熱傳導效應原理的新型儀表進入了我們的視線,這種儀表就是熱式氣體質量流量計(以下簡稱熱式流量計)。雖然是新型儀表,但是其測量原理在20世紀早就提出,20世紀80年代,在一些發達國家熱傳導技術已經開始用于氣體質量流量的測量。不過由于受微電子技術所限,當時熱式流量計存在很多缺陷,例如響應速度慢,易受干擾等,所有只在一些特殊場合應用于小流量監測,或者作為流量開關使用。
  進入21世紀后,隨著微電子和計算機技術的迅猛發展,過去制約熱式流量計的瓶頸不復存在,計算速度、精度、抗干擾能力都大幅提升,熱式流量計技術得到了快速發展,目前已經廣泛應用于石油、化工、鋼鐵冶金、電力、輕工、醫藥、環保等行業。
3.2常用測量方式
  熱式流量計根據熱傳遞方式和加熱方式的不同有多種實現形式,目前比較常用的有恒溫差式和恒功率式2種。2種方式均需要2個熱敏元件作為傳感器,并配套相應的控制和計算電路,以及處理器和加熱器。
  恒溫差方式是先加熱一個熱敏元件,使其比不加熱的元件高出一個恒定的溫度。隨著介質的流動,被加熱的元件由于散熱溫度會降低,通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流(也可以是電壓)來保持其溫差為恒定值,再通過檢測變化的電流(或電壓)來獲得流量的變化值。
  恒功率方式是在加熱器上加上一個恒定的功率對其中一個熱敏元件加熱,介質在靜態時被加熱的元件和不加熱的元件之間溫差最大,隨著介質的流動溫差減小,通過測量溫差的變化來獲得流量的變化。
3.3恒溫差和恒功率方式比較
  從控制角度,早期實現恒溫差控制比實現恒功率更容易,響應更快,因此最初恒溫差方式應用較多。但是,恒功率式相比恒溫差有幾個不可替代的優點,所以目前恒功率熱式流量計成為了主流,這些優點包括:[1]
(1)恒功率式流量計的量程更大。隨著介質流量的增加,被加熱的電阻的熱量被迅速帶走。對于恒溫差式流量計,要保持恒定的溫差,需要加熱電路能夠快速反應。但是,受輸出功率和線路最大電流影響,流量計的加熱功率不可能無限制增加,因此其最大值受到限制。而恒功率型的則不受這點影響,其量程能夠做的比較大。
(2)恒功率流量計不容易受到臟濕介質的影響。恒溫差流量計需要快速調節溫度響應,一般熱電阻均比較細,而恒功率流量計熱電阻可以做得比較粗。對于臟濕介質測量時,較細的電阻,其附著物對熱電阻散熱產生較大的影響,嚴重時使其測量精度大大降低。恒功率由于熱電阻可以做的相對較粗,對臟濕介質的測量會好很多。
(3)恒溫差式流量計不對溫度的變化進行補償,恒功率式卻能對全范圍溫度變化進行自動補償。由于熱流量和平衡常數隨溫度的變化而變化,一般在30℃的范圍內為常數,當測量氣體溫度超過這一范圍時,氣體的熱流量系數和平衡常數均會發生變化。恒功率式流量計由于其測量原理,能對全溫度變化范圍內的熱流量系數和平衡常數進行自動補償。
(4)恒功率與恒溫差式流量計在耐高溫方面有著顯著的差異。目前而言,恒功率的最高耐溫可以做到454℃,而恒溫差的流量計一般都在260℃以內,這對于測量過熱蒸汽而言,其適應性有很大的差別。
3.4恒功率插入熱式流量計測量原理
  綜上所述,本次課題我們決定選用恒功率熱式插入流量計,具體結構如圖1所示。該型流量計的插入探頭帶有2個鉑熱電阻傳感器,以一定的位置置于流體中,其中一個給予加熱功率P,使其溫度升至T1,另一個不加熱,用于監測介質溫度,設為T2。于是2個溫度傳感器之間產生溫差ΔT=T1-T2。在流量為零時,ΔT最大,隨著介質流量Q的增大,溫度傳感器T1的熱量被帶走,T1減小,ΔT減小。因此,上述的加熱功率P、溫差ΔT與質量流量Q之間存在對應的函數關系,對于恒功率熱式流量計而言,加熱功率P等于常數P0。根據流體力學,該函數關系可用下式表示:

  式中,K1、K2、K3為與氣體物理性質有關的常數。
  由上式可以看出,在加熱功率P恒定的情況下,通過測量溫差ΔT的變化,就可以求得質量流量Q。
熱式氣體質量流量計測量原理圖
4熱式流量計同孔板流量計的優缺點分析
  熱式流量計由于其獨特的原理和結構,使其具備一些常規儀表所不具備的特點,同傳統的以孔板為代表的差壓流量計相比較,熱式流量計的主要優勢如下
[2]:
(1)具備較高的量程比,最高可達1000∶1,遠遠超過孔板流量計的3∶1,基本覆蓋了一般工業企業的流速范圍,能夠極大地方便技術人員選型,易于管理,提高了系統的可靠性。
(2)不需要進行溫度和壓力補償,直接測量流體的質量流量或標準狀態下的體積流量,簡化系統結構,減少維護量。
(3)同節流裝置相比,幾乎無壓力損失,減少介質能耗。
(4)一次元件結構簡單,采用不銹鋼或特種合金外殼覆蓋,不怕臟污或腐蝕,不存在堵塞問題,且插入式結構便于維護清洗。
(5)傳感器對流量的變化非常靈敏,測量精度高。
  通過對熱式流量計的原理和特點分析,特別是高量程比和不需要溫度壓力補償的特點,非常符合現場需求。通過分析可以認為,熱式流量計能夠較好地解決鋼鐵企業氧氮氬計量中存在的問題。
5應用及效果
  確認選型以后,我們在該鋼鐵公司氧氮氬總管各安裝了1臺熱式氣體質量流量計,運行了一段時間以后,效果令人滿意,以2017年1~4月份的氧氣數據進行對比,如表3所示。

  同2016年1~4月份統計數據相比,更換流量計后,總管和支管統計數量相比,從負差變成了正差,但是差額從四位數降到了三位數,誤差率的絕對值從10%左右降到了不到3%。可以認定,這次技術改造收到了良好的效果。
6結束語
  熱式氣體質量流量計作為一種新型的流量檢測儀表,具有結構簡單,安裝方便,無壓損,靈敏度高,不需要溫壓補償等特點,尤其該型儀表具備其他常規儀表所不具備的超高量程比特點,能夠適應各種復雜的工況和計量性能要求,在鋼鐵、有色、化工、環保、電力等領域具備廣泛的應用空間。

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