劉月琴

(寶鋼集團(tuán)八一鋼鐵股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830022)

寶鋼集團(tuán)八鋼公司新區(qū)A#2500 m3高爐安裝有一套蒸汽加濕調(diào)節(jié)系統(tǒng),系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)閥、差壓式流量計和節(jié)流裝置孔板。其作用一是當(dāng)高爐內(nèi)加入一定量的蒸汽,高溫下蒸汽分解產(chǎn)生氫氣和氧氣,加速爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng),提高煉鐵產(chǎn)能;作用二是當(dāng)加入蒸汽量后,可減少富氧的加入量,起到節(jié)能降耗的作用;作用三是可有效地控制風(fēng)口溫度穩(wěn)定。這套系統(tǒng)自高爐投產(chǎn)以來,一直故障不斷,通過實踐探索,我們就如何提高這套系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究和改進(jìn)。

1 差壓式流量計

1.1 差壓式流量計的基本原理

差壓式流量計是在流通管道內(nèi)安裝流動阻力元件,流體通過阻力元件時,流體將在節(jié)流件處形成局部收縮,使流速增大,靜壓力降低,于是在阻力件前后產(chǎn)生壓力差。該壓力差通過差壓計檢出,流體的體積流量或質(zhì)量流量與差壓計所測得的差壓值有確定的數(shù)值關(guān)系。通過測量差壓值便可求得流體流量,并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

差壓ΔP=P1-P2與體積流量Qv或質(zhì)量流量Qm有如下關(guān)系 (1)或 (2):

式中:ΔP為差壓;Kqv、Kqm為常數(shù)。

1.2 差壓式流量計的基本結(jié)構(gòu)

差壓式流量計主要由節(jié)流裝置、信號管路、差壓變送器和顯示儀表組成。節(jié)流裝置將被測流體的流量轉(zhuǎn)換成差壓信號,信號管路把差壓信號傳輸?shù)讲顗鹤兯推?。差壓變送器對差壓信號進(jìn)行測量并顯示出來,差壓變送器將差壓信號轉(zhuǎn)換為與流量相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號,通過顯示儀表進(jìn)行顯示、記錄與控制。

1.3 差壓流量計的安裝

被測流體為蒸汽,信號管路的正確安裝方式如圖1所示。

1.4 差壓流量計在使用過程中需要注意的問題

流量測量中,國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:節(jié)流裝置適用的流量比為 30% (最小流量∶最大流量 =1∶3)。這是因為差壓與流量的平方成比例,流量比低于 30%,精度就不能保證。另外,流量小于 30%時,雷諾數(shù)往往低于界限雷諾數(shù),流量系數(shù)a不是常數(shù),造成流量測量不準(zhǔn)。

2 調(diào)節(jié)閥的流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對位移 (閥門的相對開度)間的關(guān)系,數(shù)學(xué)表達(dá)式如 (3):式中:Q/Qmax為相對流量,調(diào)節(jié)閥在某一開度時流量Q與全開流量Qmax;

l/L為相對位移,調(diào)節(jié)閥在某一開度時閥芯位移l與全開位移L之比。

一般來說,改變調(diào)節(jié)閥的閥芯與閥座之間的流通面積,便可以控制流量。但實際上,由于多種因素的影響,如在節(jié)流面積變化的同時,還發(fā)生閥前、閥后壓差的變化,而壓差的變化又將引起流量的變化。假定閥前后壓差不變的流量特性稱為理想流量特性,真實情況時的流量特性稱為工作流量特性。

理想流量特性主要有直線、等百分比 (對數(shù))、拋物線及快開等 4種。

2.1 直線流量特性

直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關(guān)系,即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù),數(shù)學(xué)表達(dá)式如 (4):式中:K為常數(shù),即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。

直線特性的閥門在開度小時流量相對變化值大,靈敏度高,不易控制,甚至發(fā)生振蕩;而在大開度時,流量相對變化值小,調(diào)節(jié)緩慢,不夠及時。

2.2 等百分比 (對數(shù))流量特性

等百分比流量特性是指單位相對位移變化所引起的流量相對變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是變化的,它隨相對流量的增大而增大。等百分比流量特性在小開度時,調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)小,調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和;在大開度時,放大系數(shù)大,調(diào)節(jié)靈敏有效。

2.3 拋物線特性

拋物線流量特性是指單位相對位移的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根成正比關(guān)系。

2.4 快開特性

這種流量特性在開度較小時就有較大流量,隨開度的增大,流量很快就達(dá)到最大;此后再增加開度,流量變化很小,故稱快開特性。

2.5 確定調(diào)節(jié)閥的步驟

1)確定計算流量——根據(jù)生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷及介質(zhì)狀況,確定Qmax和Qmin;

2)確定計算差壓——根據(jù)系統(tǒng)特點選定S值,然后確定計算壓差 (閥門全開時的壓差);

3)計算流量系數(shù)——選擇合適的計算公式或圖表,求取最大和最小流量時的Cmax、Cmin;

4)C值的選取——根據(jù)Cmax,在所選產(chǎn)品型式的標(biāo)準(zhǔn)系列中,選取大于Cmax并最接近的那一級C值;

5)調(diào)節(jié)閥開度驗算——要求最大流量時閥開度不大于 90%,最小流量時開度不小于 10% (見說明);

6)實際可調(diào)比的驗算——一般要求實際可調(diào)比不小于 10;

7)口徑的確定——驗證合適后,根據(jù)C值決定;

說明:根據(jù)《自動化儀表選型規(guī)定》(HG20507-92),對于直線特性閥,最大開度應(yīng)≤80%,最小開度應(yīng)≥10%;等百分比特性閥,最大開度應(yīng)≤90%,最小開度應(yīng)≤30%。

3 系統(tǒng)改進(jìn)前的使用狀況

3.1 孔板安裝狀況

孔板安裝在垂直的蒸汽管道上,管徑DN 200,孔板量程10531 m3/h;差壓儀表量程 0-100 kPa;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選型為電動、單座、直行程調(diào)節(jié)閥,管徑DN 350,流量特性為直線特性。差壓變送器安裝在節(jié)流裝置上方。

3.2 系統(tǒng)使用狀況

該系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥已到關(guān)位,流量計還顯示 500～1500 m3/h左右,將手動閥關(guān)到位后,有時流量計顯示 0 m3/h,有時顯示500～1500 m3/h左右。手動閥全開,調(diào)節(jié)閥閥位在 6%以下時,流量顯示不跟蹤閥位變化,閥位在6%以上時,流量顯示跟蹤閥位變化。因此在小流量時,生產(chǎn)方無法準(zhǔn)確判斷加入蒸汽流量,對流量測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生懷疑,對生產(chǎn)操作產(chǎn)生了影響。

4 原因分析

1)差壓流量計安裝不符合要求,造成測量誤差。

2)生產(chǎn)上使用最大蒸汽流量為6000 m3/h,通常使用流量在1000～3000 m3/h之間,依據(jù)孔板的設(shè)計流量,實際使用流量必須大于3000 m3/h,安裝孔板不合適,造成測量誤差。

3)差壓變送器經(jīng)常工作在小流量狀況,輸入信號微小變化,開方后輸出則產(chǎn)生明顯變化,由于儀表內(nèi)部、外部存在一些干擾因素,盡管其很小,但經(jīng)開方運(yùn)算后的輸出信號卻包含較大誤差。

4)調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在 10%開度以下,直線特性的閥門在小開度時流量變化較大,靈敏度高,不易控制。

5 系統(tǒng)重新選型后的使用情況

5.1 孔板選型

孔板選型為孔徑 d=100 mm,流量系數(shù)為 1.03,飽和蒸汽最大流量為6500 m3/h,蒸汽壓力為 0.7 MPa(密度ρ=4 kg/m3),根據(jù)計算差壓公式:

式中:ΔPmax——最大差壓,100 kPa;

Mmax——最大質(zhì)量流量,26000 kg/h;

a——流量系數(shù) ,1.03;

d——孔板孔徑 ,100 mm;

ρ——被測流體密度,4 kg/m3。

代人公式 (5)

5.2 調(diào)節(jié)閥選型

調(diào)節(jié)閥重新選型為氣動調(diào)節(jié)閥,正作用,氣關(guān)式,口徑DN100,流量特性為等百分比特性。

5.3 氣體流量修正

測量氣體流量時,由于氣體是可以壓縮的,即同一質(zhì)量的氣體在不同溫度、不同壓力下的體積是不同的,所以計量氣體時都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,即溫度t=0℃,壓力p=101.33 kPa abs時的體積來計算。但在計算孔板時,卻要在操作條件下才可進(jìn)行。因此引入實際溫度、壓力信號,通過公式 (6)進(jìn)行流量修正。

式中:Q為工況流量;Qmax為標(biāo)況最大流量;P為工況壓力;Tn為標(biāo)況溫度;ΔP為工況壓差;Pn為標(biāo)況壓力;T為工況溫度;ΔPmax為標(biāo)況最大壓差。

5.4 正確安裝孔板

按圖1所示,將孔板安裝在水平管道上,差壓流量計安裝于管道下方,防止冷凝液不足產(chǎn)生測量誤差。

5.5 加大導(dǎo)壓管徑和采取保溫措施

使從節(jié)流裝置到冷凝器一段內(nèi)保持汽相,防止過多冷凝液的產(chǎn)生而引起汽錘現(xiàn)象,影響測量。

6 結(jié) 語

通過對蒸汽加濕調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計并重新選型后,新系統(tǒng)在使用性能方面較舊系統(tǒng)有所提高和改善,準(zhǔn)確校核和故障率更進(jìn)一步論證了選用新系統(tǒng)的合理性,但是對于新系統(tǒng)的具體使用壽命,考慮到實際操作情況的差異性和特殊性,并不能保證免維護(hù)及免更換的可靠性,因此建議每年至少對系統(tǒng)進(jìn)行一次全面的檢查直至把握其使用壽命,掌握更好周期。

[1]齊志才,劉紅麗.自動化儀表 [M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.

[2]朱祖濤.熱工測量和儀表 [M].北京:水利電力出版社,1991.