尹文杰

水泥生產(chǎn)線大多采用錐形口流量測量裝置測量熟料冷卻風(fēng)機流量，測量裝置測得壓差值后，通過差壓變送器經(jīng)DCS 系統(tǒng)變換為風(fēng)量，通過PID 調(diào)節(jié)器組成風(fēng)量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，差壓測量值影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。

我公司某海外水泥項目采用錐形口流量測量裝置測量熟料冷卻風(fēng)機風(fēng)量，測量裝置選型偏小，多數(shù)風(fēng)機風(fēng)量接近額定值時，測得的差壓值在115～180Pa左右，有的僅為80Pa，測量值對風(fēng)機風(fēng)量變化不敏感，導(dǎo)致風(fēng)量自動PID調(diào)節(jié)回路投入后不穩(wěn)定，易發(fā)生震蕩，甚至PID調(diào)節(jié)回路無法自動投運，尤其是采用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量回路時，擋板執(zhí)行機構(gòu)有“死區(qū)”范圍。如，該項目某臺風(fēng)機額定風(fēng)量為28 300m3/h，設(shè)計風(fēng)量為21 900m3/h，在額定風(fēng)量下運行時，測得的差壓值為115Pa，在設(shè)計風(fēng)量下運行時，差壓值僅為69Pa?，F(xiàn)場的輕微擾動即會使測量裝置測量值發(fā)生較大變化，如果現(xiàn)場有10Pa 的擾動，則測量的風(fēng)量值將變化8 345m3/h。風(fēng)機在設(shè)計選型時往往會留有裕量，實際生產(chǎn)時，一般在85%～95%的額定風(fēng)量下運行，測得的差壓值往往低于額定風(fēng)量時測得的差壓值。錐形口流量測量裝置示意見圖1，現(xiàn)場實物照片見圖2。

圖1 錐形口流量測量裝置示意

圖2 錐形口流量測量裝置現(xiàn)場實物照片

冷卻機風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)節(jié)通常都要求投入自動控制回路。為滿足該項目PID 控制系統(tǒng)投運要求，決定現(xiàn)場改造風(fēng)機錐形口流量測量裝置，提高測量裝置測量反饋的靈敏度。

1 錐形口流量測量裝置的改造要求

冷卻風(fēng)機風(fēng)量測量一般要求差壓測量精度偏差范圍為±2.5%，風(fēng)量測量裝置測得的風(fēng)量與實際風(fēng)量最大偏差為，在25%～110%的額定風(fēng)量范圍內(nèi)不超過額定風(fēng)量的3%。

錐形或弧形進口流量測量裝置均適用于從開式（自由）空間吸入空氣的情況，考慮現(xiàn)場改造時弧形進口裝置的制作難度較大，選擇錐形進口裝置進行改造。錐形口流量測量裝置的制作和使用應(yīng)遵循GB/T 10178-2006《工業(yè)通風(fēng)機現(xiàn)場性能試驗》、GB/T 1236-2017《工業(yè)通風(fēng)機用標準化風(fēng)道性能試驗》和GB/T 2624.1-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》。

2 錐形口流量測量裝置的制作安裝要求

錐形口流量測量裝置制作示意及制作公差要求如圖3 所示，只要確定了流量測量裝置喉道部分的直徑d，即可確定其他各部分尺寸。

圖3 錐形口流量測量裝置制作示意及制作公差要求

制作時，錐形口進口部分與喉道部分連接處為銳角30°，要求連接處裝置內(nèi)側(cè)無隆起、無凸出，進口軸線與風(fēng)道軸線一致。取壓點測量孔在制作完成后，作環(huán)形均壓連接。取壓點測量孔制作如圖4所示，對于水泥行業(yè)冷卻風(fēng)機而言，取壓點測量孔a一般取4mm。

圖4 取壓點測量孔制作示意

若流量測量裝置與風(fēng)機風(fēng)道連接存在擴散段，則擴散段的夾角θ不宜過大，以θ＜30°為宜，避免在擴散段產(chǎn)生渦流，影響測量精度。θ選擇時應(yīng)考慮現(xiàn)場安裝空間和風(fēng)機風(fēng)道的具體布置，此處選取θ≤15°。

現(xiàn)場差壓變送器距測量裝置不宜太遠，一般安裝在測量裝置側(cè)面、進口區(qū)域范圍內(nèi)，應(yīng)盡量避開錐形進口正面，確保其高壓端測得的為進口區(qū)域的環(huán)境壓力。錐形口流量測量裝置進口區(qū)域如圖5所示。

圖5 錐形口流量測量裝置進口區(qū)域的范圍

風(fēng)機以設(shè)計流量運行時，喉道內(nèi)的雷諾數(shù)很高，即使在25%的額定風(fēng)量下運行時，喉道內(nèi)的雷諾數(shù)仍＞3×105，按照此方法制作的錐形口流量測量裝置基本不確定度為1.5%，其他附加不確定度為0.5%，最大不確定度≯2%。

3 錐形口流量測量裝置的流量系數(shù)計算

以一臺風(fēng)機為例，介紹現(xiàn)場實際改造的情況。風(fēng)機改造前，額定風(fēng)量32 464m3/h，全壓1 980Pa，設(shè)計使用風(fēng)量29 965m3/h，設(shè)計使用風(fēng)壓1 720Pa，采用進口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量。改造前，流量測量裝置為錐形進口裝置，其喉道直徑d為828mm，現(xiàn)場測量風(fēng)機風(fēng)量～31 500m3/h 時，差壓測量值為141Pa。改造目標為：當風(fēng)機在額定風(fēng)量32 464m3/h運行時，通過減小錐形口流量測量裝置喉道直徑，使差壓測量值ΔP在400Pa左右。

錐形口流量測量裝置適用流量計算公式為：

式中：

Qm——質(zhì)量流量，kg/s

α——錐形口測量裝置的流量系數(shù)

ε——膨脹系數(shù)

d——錐形口流量測量裝置喉道直徑，m

ρu——上游空氣密度，即吸入大氣密度，kg/m3

ΔP——差壓測量值，Pa

用式（2）將測量流量換算為工程常用氣體體積流量Qv：

αε可看作與雷諾數(shù)和測量裝置喉道直徑d相關(guān)的復(fù)合系數(shù)，通過GB/T 1236-2017《工業(yè)通風(fēng)機用標準化風(fēng)道性能試驗》中的相關(guān)表格、公式求取。

在正常操作條件下，通過流量測量裝置喉道氣體的雷諾數(shù)＞4×105，在未知流量測量裝置喉道直徑的情況下，可先取d=0.63～0.80m之間的復(fù)合系數(shù)αε計算（見圖6），此處取αε=0.95。

圖6 αε復(fù)合系數(shù)

項目所在位置海拔較高，空氣密度取項目所在地20℃時的空氣密度0.984kg/m3。

將Qm=32 464m3/h，αε=0.95，ΔP=400Pa，ρu=0.984kg/m3代入式（2），得出測量裝置喉道直徑d=0.651 0m，再利用公式（3）核算αε復(fù)合系數(shù)取值是否合適。

式中：

Red——通過流量測量裝置喉道氣體的雷諾數(shù)

m、C——中間變量

按照GB/T 1236-2017《工業(yè)通風(fēng)機用標準化風(fēng)道性能試驗》中給出的公式進行計算：

計算可得：當通過流量測量裝置喉道氣體風(fēng)量為額定風(fēng)量的25%～100%時，復(fù)合流量系數(shù)αε=0.93～0.94，再次代入公式（2）中，得出d=0.654 0m。由以上結(jié)果可以看出，復(fù)合流量系數(shù)αε對流量測量裝置喉道直徑的影響不大。

選定d=0.65m作為錐形口流量測量裝置喉道直徑值，重新計算復(fù)合流量系數(shù)αε=0.94，并計算錐形口流量測量裝置的綜合流量系數(shù)Ft值，將公式（2）簡化為公式（4）：

改造后，當風(fēng)機在額定風(fēng)量32 464m3/h運行時，測得的差壓值為411Pa，滿足改造目標。由于現(xiàn)場制造存在誤差，需在安裝完成后對綜合流量系數(shù)Ft進行標定，經(jīng)過標定的綜合流量系數(shù)Fc供DCS編程時使用。

風(fēng)機在額定風(fēng)量的110%運行時，計算的差壓值為498Pa。差壓儀表量程范圍可設(shè)置為0～500Pa，對應(yīng)風(fēng)機風(fēng)量范圍為0～35 796m3/h。

4 現(xiàn)場標定結(jié)果示例

標定方法采用GB/T 10178-2006《工業(yè)通風(fēng)機現(xiàn)場性能試驗》推薦的速度場法。風(fēng)量標定點可選擇在風(fēng)機風(fēng)道上的適合部分，最小尺寸要求標定點上游有3D直管段長度，下游有2D直管段長度，D為標定點處管道的內(nèi)徑。在圓形測量截面上選擇3條直徑線，每條直徑線8 個點，采用“切夫-貝夫”法確定各個測點在測量截面上的位置（見圖7），風(fēng)管中的平均風(fēng)速取各個測點風(fēng)速測量值的算術(shù)平均值。風(fēng)管中的體積流量由測量截面面積乘以平均風(fēng)速得出。風(fēng)速測量儀器可選用標準皮托管或轉(zhuǎn)葉式風(fēng)速計，此處選用的是轉(zhuǎn)葉式風(fēng)速計，型號為TESTO-435。

圖7 采用“切夫-貝夫”法確定圓形截面內(nèi)測試點位置

由于風(fēng)機測試是在工藝生產(chǎn)線帶料生產(chǎn)前完成，閥門開度在40%時即已接近額定流量，風(fēng)量標定前，已完成差壓變送器的標定和閥門開度的標定。

按照標定的流量系數(shù)，風(fēng)機在額定風(fēng)量下運行時，錐形口流量測量裝置測量的差壓值為438Pa。在設(shè)置0～500Pa作為本臺風(fēng)機差壓儀表的量程范圍時，對應(yīng)風(fēng)機風(fēng)量范圍為0～34 678m3/h。

5 改造效果

（1）表1為理論計算數(shù)據(jù)和實際標定數(shù)據(jù)對比，從表1 數(shù)據(jù)來看，流量實際標定值和計算值非常接近，兩者之間的偏差主要是由制造誤差、測量誤差、讀數(shù)偏差和計算取值精度偏差等因素導(dǎo)致，可采用不同測量點所計算的流量系數(shù)的算術(shù)平均值，作為本流量測量裝置標定后的綜合流量系數(shù)Fc，此值將在DCS程序中采用。

表1 理論計算數(shù)據(jù)和實際標定數(shù)據(jù)對比

（2）改造后，管路系統(tǒng)阻力發(fā)生了改變，但風(fēng)機自身的流量-壓力特性曲線并沒有改變，管路系統(tǒng)曲線和風(fēng)機特性曲線的交點不再是風(fēng)機在設(shè)計選型時的最佳效率點。

（3）冷卻風(fēng)機在設(shè)計選型時都留有一定的壓力和風(fēng)量的裕量，本例中風(fēng)機風(fēng)量富裕系數(shù)為10%，風(fēng)機壓力富裕系數(shù)為15%。實際運行時，在設(shè)計使用風(fēng)量為29 965m3/h 時，差壓值為373Pa，改造前的差壓值為123Pa，管路系統(tǒng)靜壓增加了248Pa，風(fēng)機依然能夠覆蓋全部管路系統(tǒng)的阻力，可以正常使用。改造后，風(fēng)量檢測靈敏度提高，實現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)回路的穩(wěn)定自動調(diào)節(jié)。

若在設(shè)計選型時考慮錐形口流量測量裝置差壓值為400Pa，改造后的電耗和改造前基本相同，可以認為沒有增加電耗。錐形口流量測量裝置測量的是靜壓，增加的差壓值反映到風(fēng)機功率上，增加了風(fēng)機的靜壓功率，那么風(fēng)機在設(shè)計風(fēng)量運行時效率會降低。

（4）現(xiàn)場改造時需注意冷卻風(fēng)機的選型參數(shù)和使用參數(shù)，避免出現(xiàn)改造后風(fēng)機風(fēng)壓不足的情況。最好的方法是在設(shè)計選型階段，考慮PID 調(diào)節(jié)回路的穩(wěn)定，要求測量裝置的差壓值在額定風(fēng)量時為400～600Pa。本文介紹的方法并不是改造流量測量裝置的唯一方法，還可通過更換流量測量裝置的方式來實現(xiàn)，如，采用阿牛巴流量計代替錐形口流量測量裝置，但阿牛巴流量計對裝置使用前后有一定的直管段要求，而冷卻風(fēng)機的布置相對緊湊，現(xiàn)場改造很難達到這一要求。

另外，本例假設(shè)環(huán)境溫度為20℃，在晝夜及季節(jié)環(huán)境溫度變化很大的區(qū)域，可以考慮引入溫壓補償。