欧洲平衡流量计在钢铁行业中的应用
发布时间：2017-11-22
1 追溯平衡流量计的发展历程
平衡流量计作为第三代节流装置，它的历史悠久。最早的孔板、喷嘴、文丘里等传统的差压节流装置，结构简单、牢固、性能稳定可靠，并且得到了国际标准化组织的认可，是全世界通用的，从使用数量上，差压式流量计占了一半以上的份额，应用范围极广，包括全部单相流体 ( 液、气、蒸汽) 、部分混相流，一般生产过程的管径、工作状态 ( 温度、压力)皆有用到，并且节流装置和差压显示仪表已实现专业化规模生产，现场维护和检修方便，群众基础极好。
然而，由于设计的历史局限性，以孔板为代表的传统节流装置，明显存在一些缺点，例如: 精度已经难以跟上时代的要求; 量程比的范围也仅仅只有3∶1; 直管段要求难以满足，尤其是对于较大管径;采用法兰连接，易产生跑、冒、滴、漏问题，大大增加了维护工作量等一系列的问题，都不得不使得差压节流装置进行一次大改革，因此，全世界许多从事流量的专业人士都从不同的角度，对使用最广泛的差压式流量计进行设计改进。
就这样，第二代锥形流量计诞生了，它的节流原理与孔板相反，将孔板的边缘节流改为中央节流，通过在密闭管道中心线悬挂一个特制的流线型锥体来进行中央节流，用上游管壁和锥体尾部测量的差压来计算流量。
接着便是第三代节流装置，由欧洲 TNO 皇家科学院成立项目组，通过数年时间研发的新型平衡整流器。这种流量计的测量精度是传统节流装置的 5 ～ 10倍，流动噪声降低到 1/15，永久压力损失约为第二代的 1/3，压力恢复快 2 倍，最小直管段可以小于0. 5D，没有活动的部件，安装和使用非常方便简单，因省去大直管段，大大减少流体运行所需的能量消耗，是一种具有广阔应用前景的节能仪表。
2 平衡流量计的技术引进
HQ 系列平衡流量计是由上海华强仪表有限公司耗巨资引进欧洲皇家科学研究院 ( TNO NederlandseOrganisatie voor Toegepastk - natuurwetenschappelijk on-derzoek) 的最新流量计量技术 ( 已在中国商务部备案国外技术进口合同) 。该产品在欧洲已有数年应用历史，并被欧洲权威计量检测机构证明是一种高精度、高性能的革命性差压式流量计。
3 平衡流量计是新颖的差压式节流装置
3. 1 平衡流量计的测量原理
平衡流量节流装置设计原理是基于伯努利能量守恒定律，实现等雷诺数、动量平衡。核心技术是通过一个特殊优化设计的多孔圆盘节流整流传感器 ( 平衡流量传感器) ，与工况流场配合，来完成其优越性能的 ( 见图 1) 。平衡流量传感器每个孔的形状、尺寸和分布是基于独特的等雷诺数、动量平衡公式和实流测试数据，通过流量仿真优化技术 ( QMC/MIMT)制，称为函数孔 ( Function Hole) 。当流体穿过圆盘的函数孔时，流体将被平衡调整，涡流被最小化，形成图 2 所示的理想流场，经取压装置获得稳定差压信号。
3. 2 平衡流量计的理论基础
平衡流量计与其他差压式流量计一样，根据伯努利方程计算体积流量和质量流量。质量流量计算公式[1]如下:
体积流量按下式计算:
4 钢铁行业存在的流量计量问题
4. 1 钢铁行业流量计量的现状
钢铁行业是耗能大户，能耗占全国总能耗的 10%以上，大量燃料在各种炉窖内燃烧，还需要助燃空气，有的属富氧燃烧，需要吹入氧气。有的炉子燃烧产生大量的荒煤气，经洗涤除尘等处理后，送到另一些炉窖作燃料。因此，助燃气体流量、煤气流量、烟道气流量等占了很大比例。这些测量对象流体压力低、流速低、密度低、管径大，要准确测量有一定难度，尤其是煤气，往往含水量、含尘量较高，有的还含有焦油，有的煤气管道内有排不尽的水，这些都要求仪表有适应能力，不能因凝液析出而影响测量，不能因灰尘而发生故障。国内的钢铁行业一般采用孔板流量计、V 锥流量计、涡街流量计等流量仪表，由于其自身的局限性，很难满足实际测量要求。
厂制水流量测量对象也有其特点，测量结果多半用于过程监视与控制，精确度要求不高，但稳定性、可靠性要求高。
4. 2 钢铁行业中的蒸汽计量
蒸汽是钢铁行业生产所必须的能源。根据对部分大中型企业的统计，蒸汽能耗占钢铁企业总能耗的10% 左右，而可回收利用的余热资源所占比例也很高，占整个企业能耗的 7% 左右。因此，优化蒸汽计量系统，保证能源利用率，对企业的整体节能将发挥重要作用。
目前使用流量仪表测量蒸汽流量，测量介质都是指单相的过热蒸汽或饱和蒸汽。对于相流经常变化的蒸汽，肯定会存在测量不准确的问题。这个问题的解决方法是保持蒸汽的过热度，尽量减少蒸汽的含水量，例如加强蒸汽管道的保温措施，减少蒸汽的压力损失等，以提高测量的准确度。然而这些方法并不能彻底解决蒸汽流量测量不准确的问题，解决这一问题的根本办法是开发一种可测两相流动介质的流量仪表[2]。
对于蒸汽计量应考虑 5 个主要因素: 被测流体特性、生产工艺情况、安装条件、维护需求以及流量仪表的特性。
4. 3 传统节流装置的计量隐患
( 1) 精度和重复性属于中下等水平，节流件精度为 1% ～ 2%，受安装条件和使用条件的影响精度更低;
( 2) 量程比窄，一般量程比仅 3∶1 到 4∶1;
( 3) 有较长的直管段要求，根据不同的流通孔径和不同的阻流件位置会有所不同，通常最小要求前10D、后 5D 的直管段长度来将流场整定成标准流场，在很多工况下都难以满足。尤其对较大管径，问题更加突出;
( 4) 压力损失很大，为差压值的60% ～100%;
( 5) 蒸汽中的水分会凝聚在标准孔板前，影响计量准确性，而当有压力的蒸汽冲击在凝水上会产生水锤发出冲击声，严重的会将标准孔板冲击变形。
5 平衡流量计解决钢铁行业计量的典型应用
中国经济的高效增长离不开工业的发展，更离不开能源的大量使用，节能减排将是中国当下最艰巨的任务，实现节能减排目标面临的形势十分严峻。从“十一五”开始实施节能减排政策以来，我国单位生产总值能耗降低 20%左右、主要污染物排放总量减少10% 。2011 年正值 “十二五” 的开端之年，在国务院召开的节能减排会议上，明确强调继续加大节能减排的力度，加强企业管理。
据国内外资料统计，差压式流量计至今仍然是全世界最主要的计量器具，目前在国外约占 70% 以上，在国内占将近 80%。针对传统节流装置在钢铁行业流量计量中的缺点，欧洲皇家科学院推出平衡流量计。
平衡流量计在欧洲已应用 13 年，大量取代传统节流装置，取得了非常好的应用效果。特别是其尺寸和使用方式与传统节流装置几乎一致，可直接替换孔板，为钢铁企业流量计量的改造节约了大量成本。平衡流量计的投入，将为钢铁行业带来一次新的改革。
5. 1 双向测量
平衡流量节流装置的上下游完全对称，没有标准孔板的下游斜角，因此可作为双向流体测量，完全解决了特殊工况时双向流介质的测量难题，见图 3。
例如，煤气化炉的蒸汽流量测量，由于 SCGP 装置采用共用汽包，在低负荷或高负荷时，出现两侧汽包液位相差过大，造成双向流，为此，可采用双向流流量测量装置，既可测量正向时的蒸汽流量，也可测量反向时的蒸汽流量，解决了多年困扰的双向流流量测量问题。
应用时，正反向流量的测量可采用同一台差压变送器，也可根据正反向最大流量选用两台差压变送器测量，下面是流量测量方法。
① 用一台变送器实现双向流量测量。
当正反向最大流量相同时，可选用同一台差压变送器测量双向流量。
② 用两台变送器实现双向流量测量。
当正反向流量不等，或需要用两台显示仪表分别显示正反向流量时，可采用两台差压变送器，连接到同一取压口。也可采用两个取压口和两台差压变送器实现双向流量测量。
5. 2 大量程比满足钢铁行业的多种需要
在一些应用场合，流体流量的变化范围很大，常需要大量程比的流量测量。采用常规流量仪表无法实现大量程比的测量要求。平衡流量计由于宽雷诺数范围和基本量程比宽，可以实现大量程比精确测量，量程比可达 10∶1 或更高。
5. 3 低压损降低能耗
平衡流量计的多孔对称平衡设计，减少涡流形成和降低流阻，大大降低动能损失。如图 4 所示，在同样工况下，选用同样差压值，与标准孔板比较，平衡流量计可降低 1/2 ～ 1/3 压力损失，从而节省运行能量成本。因此，平衡流量计是典型的节能型仪表。
5. 4 提高仪表精度及节能降耗计算
平衡流量计的多孔结构使流型平衡，流出系数稳定，降低了涡流、振动和信号噪声，使计量精度大大提高。经型式试验检测，平衡流量计的准确度为 ±0. 3% ～ ±0. 5% ( 标准孔板为 ±1%) 。
对于流量仪表，提高其精度是节能减排降耗的重要措施。
例: DN200 的蒸汽管道，压力为 1MPa ( 表压) ，蒸汽流速为 32. 6m/s，蒸汽单价设为 0. 15 元/kg。根据流速 32. 6m/s，管道内径和蒸汽在 1MPa( 表压) 下的密度，可计算得到蒸汽质量流量为20392kg / h。如果测量精度提高 0. 5% ，以 365 天 / 年计算，则因精度提高可少支付费用为:
20392 × 0. 005 × 24 × 365 × 0. 15 = 133975 元 / 年。
上述计算表明由于采用高精度的流量计，该系统每年就可降耗约 13 万元，也减少了不必要的蒸汽浪费。
5. 5 短直管段长度条件下仍有高的测量精度
在工程应用中，满足节流装置直管段长度要求才能保证测量精度，如标准孔板一般要求前20D/后6D，此时能保证 ± 1% 精度。如具体现场只有前 10D/后3D，误差要增加 ± 0. 5% ，则精度变成 ± 1. 5% 。采用平衡流量计只要求直管段长度为前 0. 5D ～ 2D，后2D，则在短直管段时仍能保证测量精度为 ± 0. 3% ～± 0. 5%[3]。
5. 6 短直管段减少贵金属的应用
对于价格昂贵的工艺管道，设计时应尽量缩短工艺管路。因此，工艺管道上流量计的直管段往往很短，如高温高压强酸用的锆材、哈氏合金，高温高压蒸汽用的铬钼合金钢，高流速纯氧气用的蒙乃尔和英科奈尔合金，高温高压强酸强碱性的烟气、合成气、含硫尾气等用的双相钢。采用标准孔板由于工艺直管段短而影响测量精度。如果采用平衡流量计则不仅可在前 2D/后 2D 的情况下保证测量精度，还可大大节约贵金属管道材料。
5. 7 平衡流量计是蒸汽流量测量的最佳选择
对于蒸汽流量中的凝水，会凝聚在标准孔板前，影响计量准确性，而当开停车时，有压力的蒸汽冲击在凝水上会产生水锤发出冲击声，严重的会将标准孔板冲击变形。平衡流量计由于四周有孔，凝水会从下部孔流过 ( 见图 1) ，避免了凝水，亦防止了水锤现象发生，更避免了弯曲变形。且平衡流量计精度为± 0. 3% ～ ± 0. 5% ，比标准孔板的 ± 1% 高。类似地，对含有气泡的液体可从平衡流量计的上部孔通过。故在这两种情况下，平衡流量计均为最佳选择。
中石化江苏仪征化纤使用了大量我司的 HQ 系列平衡流量计，主要用来测量蒸汽流量，实际使用状况极佳。而且通过其他大量使用平衡流量计的客户反馈，平衡流量计具有精度高、维护量低、长期稳定性好等优点。
6 为平衡流量计在钢铁行业的应用不断努力
钢铁的产量在很长的一段时间以来，一直是衡量一个国家工业水平的一个指标，我国从一个钢铁零生产国到现在的钢铁进出口大国，可以说有了飞跃的发展。但是随着钢铁工业的发展，环境问题也越发突出，从国家 “十一五”战略开始，节能减排将是钢铁企业发展的基础，所以对企业内部计量改造就势在必行。据统计，传统的孔板流量计在钢铁行业的应用占50% 以上，这就为平衡流量计的大量应用提供了大展拳脚的机会。
6. 1 HQ 系列平衡流量计的授权
欧洲皇家科学院 ( Nederlandse Organisatie voorToegepastk - natuurwetenschappelijk onderzoek TNO) 作为现阶段欧洲最大的应用科学研究院，其在流量领域的成就已瞩目全球。上海华强仪表有限公司生产的每台平衡流量计都经其优化计算方法确定，此产品在中国已有多项国家专利保护。
6. 2 拥有全球最大的流体标定实验室
节流装置的机械加工装配偏差，往往会带来很大的附加测量误差 ( 可达 1% ～3%) ，上海华强仪表有限公司的流体实验室有能力采用先进的无应力加工和装配技术来制造平衡流量计，可锁定节流元件和取压装置的相对位置，最大限度消除加工装配偏差、应力形变和现场安装偏差。另外，为解决大口径平衡流量计的实流标定问题，使任意口径平衡流量计校验精度达 0. 3 级，上海华强仪表有限公司共投资 3000 多万，于 2009 年建成目前全球最大的变水头流量标定装置并获国家专利 ( 专利号: ZL200920074182. 1) 。该装置的各项指标均超过德国科隆公司建在荷兰的流量装置 ( 原全球最大) 。其塔高 34m，直径 5. 5m，容积650m3，最 大 标 定 口 径 3800mm，最 大 标 准 流 量30000m3/ h。该装置设计原理独特、自动化程度高，解决了国内大口径流量计实流标定的难题。
摘自：中国计量测控网
