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热式气体质量流量计在钢铁氧氮氩中应用
发布时间:2019-06-05

摘要:文章就钢铁企业氧氮氩计量过程中容易出现的问题以及由此造成的后果进行了分析,对热式气体质量流量计的一般工作原理、分类、不同的技术路线和优劣比较以及选型方式进行了阐述,并重点分析了热式流量计相对孔板流量计的优特点及其适用场合,以及通过热式气体质量流量计解决钢铁企业氧氮氩计量问题所收到的效果。
1背景
  钢铁企业因炼钢工艺要求,对氧气、氮气和氩气有大量需求,这3种气体在冶炼现场的支管计量一般采用孔板等节流装置测量差压值来进行计量,由于现场工艺流量设定值相对固定,波动较小,所以测量精度一般能够满足现场工艺要求。
  但是对于厂际计量的总管而言,节流装置的应用存在较大问题,实际应用中往往存在较大误差,以某钢铁公司为例,其炼钢厂的氧氮氩消耗报表和总公司的计量统计报表长期存在偏差,导致成本考核数据失真,对生产经济责任制考核造成较大影响,而计量部门使用了各种包括球罐容积标定法在内的计量手段,对总管和支管的检测仪表进行了多次测量或者标定,均证明仪表参数选型和计算书符合设计和实际工况要求,没有大的偏差。
2原因分析
  排除了参数设置和计算方法问题,我们把目光转向了计量仪表本身。经过认真分析,我们认为主要原因是由孔板流量计本身的特点造成的:一般钢铁企业炼钢厂都有多台转炉设备,转炉属于间歇式冶炼设备,总体上看这些设备对氧氮氩气体的使用是一种随机的状态,节流装置由于量程比较小,其选型一般是以满足这些设备同时工作为依据,但是在实际生产中,流量存在较大波动,尤其在小流量处会超出正常的量程比。
  以该钢铁公司为例,该公司炼钢厂有4座转炉,2座容量较小,2座容量较大,这样在实际生产中,各转炉的生产时间有一定的随机性和交叉性,所以同时只有1座小转炉生产和4座转炉同时生产这2种比较极端的情况均会出现,以氧气为例,实际冶炼时平均工作流量如表1所示。

根据上表可以算出:
最小工作流量(1座小转炉工作)Lmin=11800Nm3/h
最大工作流量(4座同时工作)Lmax=(11800×2+22500×2)=68600Nm3/h
计算工作量程比Rw=Lmax∶Lmin=68600∶11800≈5.8∶1
  考虑到炼钢厂内氧气还有连铸坯切割和日常检修等用途,实际量程比应该比计算值更大,按具体测量值已经超出了7∶1。而一般孔板流量计的量程比为3∶1,超出该量程比范围的精度则难以保证,在本案例中,总管最大最小流量已经超过了7倍,由此导致总管计量和支管计量严重不符。
以2016年1~4月的统计值为例如表2所示。

  根据上述分析和统计数据,我们得出结论,对于钢铁企业氧氮氩总管计量这种工况,常规的孔板流量计已经不太适用,需要寻找一种量程比大的流量计量仪表,来替代原有的差压式孔板流量计。
3热式气体质量流量计原理
3.1发展历史
  通过认真研究分析,一种基于热传导效应原理的新型仪表进入了我们的视线,这种仪表就是热式气体质量流量计(以下简称热式流量计)。虽然是新型仪表,但是其测量原理在20世纪早就提出,20世纪80年代,在一些发达国家热传导技术已经开始用于气体质量流量的测量。不过由于受微电子技术所限,当时热式流量计存在很多缺陷,例如响应速度慢,易受干扰等,所有只在一些特殊场合应用于小流量监测,或者作为流量开关使用。
  进入21世纪后,随着微电子和计算机技术的迅猛发展,过去制约热式流量计的瓶颈不复存在,计算速度、精度、抗干扰能力都大幅提升,热式流量计技术得到了快速发展,目前已经广泛应用于石油、化工、钢铁冶金、电力、轻工、医药、环保等行业。
3.2常用测量方式
  热式流量计根据热传递方式和加热方式的不同有多种实现形式,目前比较常用的有恒温差式和恒功率式2种。2种方式均需要2个热敏元件作为传感器,并配套相应的控制和计算电路,以及处理器和加热器。
  恒温差方式是先加热一个热敏元件,使其比不加热的元件高出一个恒定的温度。随着介质的流动,被加热的元件由于散热温度会降低,通过反馈电路反馈到处理器增大加热器的电流(也可以是电压)来保持其温差为恒定值,再通过检测变化的电流(或电压)来获得流量的变化值。
  恒功率方式是在加热器上加上一个恒定的功率对其中一个热敏元件加热,介质在静态时被加热的元件和不加热的元件之间温差最大,随着介质的流动温差减小,通过测量温差的变化来获得流量的变化。
3.3恒温差和恒功率方式比较
  从控制角度,早期实现恒温差控制比实现恒功率更容易,响应更快,因此最初恒温差方式应用较多。但是,恒功率式相比恒温差有几个不可替代的优点,所以目前恒功率热式流量计成为了主流,这些优点包括:[1]
(1)恒功率式流量计的量程更大。随着介质流量的增加,被加热的电阻的热量被迅速带走。对于恒温差式流量计,要保持恒定的温差,需要加热电路能够快速反应。但是,受输出功率和线路最大电流影响,流量计的加热功率不可能无限制增加,因此其最大值受到限制。而恒功率型的则不受这点影响,其量程能够做的比较大。
(2)恒功率流量计不容易受到脏湿介质的影响。恒温差流量计需要快速调节温度响应,一般热电阻均比较细,而恒功率流量计热电阻可以做得比较粗。对于脏湿介质测量时,较细的电阻,其附着物对热电阻散热产生较大的影响,严重时使其测量精度大大降低。恒功率由于热电阻可以做的相对较粗,对脏湿介质的测量会好很多。
(3)恒温差式流量计不对温度的变化进行补偿,恒功率式却能对全范围温度变化进行自动补偿。由于热流量和平衡常数随温度的变化而变化,一般在30℃的范围内为常数,当测量气体温度超过这一范围时,气体的热流量系数和平衡常数均会发生变化。恒功率式流量计由于其测量原理,能对全温度变化范围内的热流量系数和平衡常数进行自动补偿。
(4)恒功率与恒温差式流量计在耐高温方面有着显著的差异。目前而言,恒功率的最高耐温可以做到454℃,而恒温差的流量计一般都在260℃以内,这对于测量过热蒸汽而言,其适应性有很大的差别。
3.4恒功率插入热式流量计测量原理
  综上所述,本次课题我们决定选用恒功率热式插入流量计,具体结构如图1所示。该型流量计的插入探头带有2个铂热电阻传感器,以一定的位置置于流体中,其中一个给予加热功率P,使其温度升至T1,另一个不加热,用于监测介质温度,设为T2。于是2个温度传感器之间产生温差ΔT=T1-T2。在流量为零时,ΔT最大,随着介质流量Q的增大,温度传感器T1的热量被带走,T1减小,ΔT减小。因此,上述的加热功率P、温差ΔT与质量流量Q之间存在对应的函数关系,对于恒功率热式流量计而言,加热功率P等于常数P0。根据流体力学,该函数关系可用下式表示:

  式中,K1、K2、K3为与气体物理性质有关的常数。
  由上式可以看出,在加热功率P恒定的情况下,通过测量温差ΔT的变化,就可以求得质量流量Q。
热式气体质量流量计测量原理图
4热式流量计同孔板流量计的优缺点分析
  热式流量计由于其独特的原理和结构,使其具备一些常规仪表所不具备的特点,同传统的以孔板为代表的差压流量计相比较,热式流量计的主要优势如下
[2]:
(1)具备较高的量程比,最高可达1000∶1,远远超过孔板流量计的3∶1,基本覆盖了一般工业企业的流速范围,能够极大地方便技术人员选型,易于管理,提高了系统的可靠性。
(2)不需要进行温度和压力补偿,直接测量流体的质量流量或标准状态下的体积流量,简化系统结构,减少维护量。
(3)同节流装置相比,几乎无压力损失,减少介质能耗。
(4)一次元件结构简单,采用不锈钢或特种合金外壳覆盖,不怕脏污或腐蚀,不存在堵塞问题,且插入式结构便于维护清洗。
(5)传感器对流量的变化非常灵敏,测量精度高。
  通过对热式流量计的原理和特点分析,特别是高量程比和不需要温度压力补偿的特点,非常符合现场需求。通过分析可以认为,热式流量计能够较好地解决钢铁企业氧氮氩计量中存在的问题。
5应用及效果
  确认选型以后,我们在该钢铁公司氧氮氩总管各安装了1台热式气体质量流量计,运行了一段时间以后,效果令人满意,以2017年1~4月份的氧气数据进行对比,如表3所示。

  同2016年1~4月份统计数据相比,更换流量计后,总管和支管统计数量相比,从负差变成了正差,但是差额从四位数降到了三位数,误差率的绝对值从10%左右降到了不到3%。可以认定,这次技术改造收到了良好的效果。
6结束语
  热式气体质量流量计作为一种新型的流量检测仪表,具有结构简单,安装方便,无压损,灵敏度高,不需要温压补偿等特点,尤其该型仪表具备其他常规仪表所不具备的超高量程比特点,能够适应各种复杂的工况和计量性能要求,在钢铁、有色、化工、环保、电力等领域具备广泛的应用空间。

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