徐存琴 雷 震 陳紅云

（玉鋼公司煉鐵廠）

1 前言

高爐風(fēng)口小套在高溫環(huán)境下工作：前端是2 000～2 350 ℃的爐內(nèi)高溫環(huán)境（燃燒帶），套中有1 230 ℃左右、高流速、大流量的熱風(fēng)持續(xù)不斷的通過，因此，一般采用高壓水（≥1.4 MPa，45 m3/h）來進行冷卻。但是高壓水冷設(shè)備一旦燒壞就會向爐內(nèi)大量漏水，能夠及時的發(fā)現(xiàn)和處理非常重要。如果高壓力的冷卻水發(fā)生變化甚至突然中斷而沒有被及時發(fā)現(xiàn)，就會影響爐況甚至給高爐生產(chǎn)帶來很大的損失。一段時間來，玉鋼3#高爐風(fēng)口小套冷卻水流量監(jiān)測系統(tǒng)故障頻發(fā)，給生產(chǎn)帶來了較大影響。為保證高爐穩(wěn)定順行，煉鐵廠組織相關(guān)人員分析了故障原因，針對原來裝的渦輪流量計不適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境而導(dǎo)致幾乎全部損壞的現(xiàn)狀，提出了改進方法。經(jīng)過改造優(yōu)化，儀表運行平穩(wěn)，流量監(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。

2 基本概況

玉鋼3#高爐有效容積1 080 m3，設(shè)有20個風(fēng)口，正常情況下熱風(fēng)溫度1 230 ℃，熱風(fēng)流量2 600 Nm3/min，熱風(fēng)壓力0.28 MPa。

風(fēng)口設(shè)備主要由風(fēng)口大套、中套、小套以及緊固件構(gòu)成，大套緊連著中套，中套頂端是小套。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)口小套冷卻水流量測量方法改進前，采用溫州康福隆儀表有公司生產(chǎn)的KFL-Z型渦輪流檢測，其安裝方法如圖2所示，法蘭連接。

3 故障原因分析

3.1 渦輪流量計簡介

3.1.1 渦輪流量計的基本原理[1]

根據(jù)流體動量矩守恒原理，得出渦輪的運動方程：

式中：T— 推動渦輪旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩；

J — 渦輪的旋轉(zhuǎn)慣量；

由上式可以看出：渦輪要轉(zhuǎn)動，必須滿足主力矩T大于阻力矩Ti ，當流量較小時，流量計內(nèi)雖然已經(jīng)有流體通過，但是渦輪并沒有立即轉(zhuǎn)動，只有流量超過了閾值，主力矩T足夠克服阻力矩Ti，儀表內(nèi)部的渦輪才開始旋轉(zhuǎn)起來，儀表才開始測量流量。

其中Ti包括：①流體表面張力引起的張力力矩T1；②流體內(nèi)聚力引起的內(nèi)聚力力矩T2；③軸承與渦輪軸之間的相互摩擦引起的摩擦力阻力矩T3；④渦輪葉片切割磁力線時所引起的電磁力阻力矩T4。

3.1.2 渦輪流量計的結(jié)構(gòu)[2]

渦輪流量計的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由渦輪、導(dǎo)流器、感應(yīng)線圈、永久磁鋼、殼體、支承構(gòu)成。

3.2 故障原因

（1）軸承磨損

在實際生產(chǎn)過程中由于使用的時間長了，軸承不斷被磨損，流量特性逐漸變差，流量特性如圖4所示，流量較小時測不出來或測出來的值不準。

圖 3 渦輪流量計的結(jié)構(gòu)

（2）被測流體的潔凈度低

冷卻水里含有泥沙、碎石、樹葉、麻絲等雜質(zhì)，雜質(zhì)隨水流進入儀表堵塞表腔、卡住葉輪或損壞了表內(nèi)部的零件。

（3）直管段不滿足要求

渦輪流量計用于工業(yè)測量一般要求直管段上游側(cè)≥20 D，下游側(cè)≥5 D，以保證流體經(jīng)過流量計時處于層流狀態(tài)，由于現(xiàn)場管道沒有足夠長的直管段可供安裝，最多只有上游側(cè)6 D下游側(cè)5 D直管段，也沒有在上游側(cè)安裝整直（流）器流量器，流體在管道中形成了紊流狀態(tài)，管道內(nèi)流體分子相互作用加強，對渦輪的沖擊力減弱，降低了儀表的線性度。

3.3 儀表檢修維護方面的困難

（1）沒有旁路管道

由于沒有足夠的空間安裝檢修旁路管道，無論是正常生產(chǎn)或是休風(fēng)冷卻水都不能停，所以無法將渦輪流量計拆下來檢查、清洗、更換軸承。

（2）經(jīng)濟成本和人力成本高

精密儀表的配件更換或拆開重裝，都需要進行重新校驗，并根據(jù)校驗結(jié)果來更改儀表系數(shù)，流量儀表校驗經(jīng)濟成本和人力成本高。

4 提高風(fēng)口小套冷卻水流量監(jiān)控可靠度的方法

圖 4 渦輪流量計特性曲線

基于風(fēng)口小套冷卻水檢測儀表的損壞原因，為提高檢測可靠度，減低故障率，將渦輪流量計更換成電磁流量計。

4.1 電磁流量計簡介

4.1.1 電磁流量計的測量原理[3]

導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小與磁場強度、自身的運動速度成正比，方向與磁場方向?qū)w的運動方向相互垂直，如圖5所示。其表達式為：

EX=KBDV

式中：Ex感應(yīng)電勢；B磁感應(yīng)強度；垂直于磁力線方向的液體流速；D 管道直徑。

4.1.2 電磁流量計的結(jié)構(gòu)

電磁流量計主要由外殼、磁路系統(tǒng)、電極、襯里、和轉(zhuǎn)換器組成。磁路系統(tǒng)和電極埋在外殼與襯里之間的夾層內(nèi)，與外殼和襯里一起組成測量導(dǎo)管，轉(zhuǎn)換器是一個單獨的整體，通過緊固件固定在測量導(dǎo)管外殼上（一體式電磁流量計）或與測量導(dǎo)管分開，與專用電纜與測量導(dǎo)管連接（分體式電磁流量計）。

測量導(dǎo)管的作用是供被測介質(zhì)通過，并將流量值轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢，轉(zhuǎn)換器的作用是將與流量成正比的感應(yīng)電勢放大，并轉(zhuǎn)換成4～20 mA標準電流信號。

4.2 電磁流量計與渦輪流量計的適宜性對比

（1）耐磨性

電磁流量計：沒有可動部分，不作相對滑動或轉(zhuǎn)動，不存在相對運動帶來的磨損；

渦輪流量計：在工作過程中渦輪需要連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)，時間長了軸承磨損嚴重。

（2）容易卡塞方面

圖 5 電磁流量計測量原理

電磁流量計：其結(jié)構(gòu)簡單，測量管內(nèi)側(cè)沒有會阻礙被測流體流動的部件，不會出現(xiàn)卡塞的情況。因此，該儀表適用于潔凈度不高的介質(zhì)。

渦輪流量計：有雜質(zhì)進入表腔后，葉輪容易被卡塞住，儀表停止工作，沒有了流量顯示

（3）對被測介質(zhì)流動狀態(tài)的要求

電磁流量計：流量只與被測流體的流動速度成正比，而與是否是層流或紊流狀態(tài)無關(guān)。

渦輪流量計：必須是層流狀態(tài)。

（4）對直管段的要求

電磁流量計：流量計上游側(cè)≥5 D，下游側(cè)≥2 D的直管段。

渦輪流量計：流量計上游側(cè)≥20 D，下游側(cè)≥5 D直管段。

（5）靈敏度、線性度

電磁流量計：沒有可動部件，也就沒有機械慣性，不但反應(yīng)非常靈敏，瞬時脈動流量都可以測量得出來，而且線性度很好。

渦輪流量計：因為有可動部件，機械慣性較大，反應(yīng)速度慢，瞬時脈動流量測不出測量，儀表剛啟動、小流量、紊流狀態(tài)等情況下線性度較差。

（6）使用壽命

電磁流量計：因為測量管內(nèi)部沒有可動部件，維護簡單方便，使用壽命長。

渦輪流量計：由于渦輪高速轉(zhuǎn)動，軸承易損，降低了長期運行的穩(wěn)定性，影響使用壽命。

通過上述對比，電磁流量計更適合風(fēng)口小套冷卻水流量監(jiān)測。

5 實施及效果

5.1 實施方案

（1）根據(jù)工藝要求，重新設(shè)計風(fēng)口小套供水、回水流量監(jiān)測方案。主要為：①FL65047111A105ER5701121電磁流量計是2線制，即24 V供電電源和4～20 mA流量信號共用同一對線，原來的渦輪流量計是4線制，即電源線和4～20 mA流量信號線分開，各用一對線，4～20 mA流量信號直接進PLC。為實現(xiàn)2線制，同時將現(xiàn)場信號與PLC有效隔離，以保護PLC的AI模塊，延長其使用壽命， 供水、回水流量各加裝一只配電器，配電器型號為DGP-3100。②PLC的AI模塊配線方式不變，即 4線制4～20 mA ，PLC的AI模塊無需對現(xiàn)場流量計供電，DGG-3100配電器的5、6端子接收4～20 mA電流信號的同時對現(xiàn)場電磁流量計供出24 V電源。③現(xiàn)場設(shè)置電磁流量計的口徑、量程、流量系數(shù)等參數(shù)。④在現(xiàn)場用專用電纜將電磁流量計和轉(zhuǎn)換器連接?？刂圃砣鐖D6所示。

（2）利用高爐同步檢修時機實施改造安裝，并在PLC畫面上進行調(diào)試。

圖 6 電磁流量計流量控制原理圖

5.2 實施效果

2017年8月趁高爐檢修將7#風(fēng)口小套進水和回水管的渦輪流量計換成了MFL65047111A105ER5701121型分體式電磁流量計（共兩臺），更換后現(xiàn)場安裝如圖7所示。經(jīng)過一年多的實踐，儀表運行平穩(wěn)，測量數(shù)據(jù)準確可靠，證明該款電磁流量計能夠適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。于2018年12月高爐年度檢修期間，將剩余的的38臺渦輪流量計全部更換成電磁流量計，經(jīng)過四個多月的運行，無一故障。

圖 7 現(xiàn)場電磁流量計

6 結(jié)語

從風(fēng)口小套工作環(huán)境出發(fā)，對兩種流量計進行較為系統(tǒng)的比較分析，找到了玉鋼高爐風(fēng)口小套冷卻水監(jiān)控故障頻發(fā)的原因，采用優(yōu)化改造后的風(fēng)口小套檢測系統(tǒng)的生產(chǎn)實踐表明，電磁流量計替代渦輪流量計，達到玉鋼3#高爐風(fēng)口小套冷卻水的檢測要求，實踐過程中取得較好的效果。

（1）采用電磁流量計，測量可靠度明顯提高，解決了測不出流量或測量不準的問題。

（2）電磁流量計運行穩(wěn)定可靠，能夠幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)和處理因風(fēng)口小套燒壞或高壓冷卻水突然中斷出現(xiàn)的問題，避免給高爐生產(chǎn)帶來嚴重損失，為高爐節(jié)能降耗、安全、穩(wěn)定、高水平生產(chǎn)創(chuàng)造條件。