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            三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

            冶金工藝流程中測量介質的流量儀表選型

            來源: 作者: 發布日期:2021-05-13

             摘 要: 冶金行業工藝過程控制中的各種介質的流量測量的選擇以及測量方案的優化,過去一般沒有系統的文 件來指導。在世界自動化快速發展的今天,各類新型測量儀表層出不窮,如何選擇一種非常優的流量測量來適應冶金 工藝流程,并指導和保證生產的穩定運行,面臨一個新課題。論冶冶金工藝流程中測量介質的流量儀表選型,就是論 述為冶金流程工藝中的流量測量找到非常優的測量儀表和方案。

            引言

            流量同溫度、壓力、重量、物位等參數一樣是工業生 產過程的重要參數,直接或間接參與生產控制,依據這 些參數對生產流程進行監督和控制,對提高產品的質量 與產量,保障生產安全,改進生產工藝,改善生產條件等 方面有著重要意義。在工藝過程控制中的介質類型隨

            著不同工藝段壓力、溫度、濕度、含水量和含顆粒物的含 量的大小等因素的影響,介質特性在不斷的變化,需要 根據不同介質特性來選擇合適的測量儀表。 

            1 冶金工藝流程中的流量測量面臨問題

            在冶金各工藝段各種介質到底選擇哪種流量儀表

            來實現非常優化的測量,就是討論的問題。 

            1. 1 流量儀表種類復雜。 

            現代自動化儀表飛速發展,新型儀表層出不窮,每 種流量儀表都有其優勢和局限性,至今尚無一種適用于任何場合的流量儀表。有很多流量儀表只是聽說,但未 曾了解或者使用過,所以對有些流量儀表的特性是否適 應自身的工況特點,無法準確把握。 流量儀表通?煞殖蓧翰钍、速度式、容積式等種 類。像孔板流量計、噴嘴流量計,均速管等屬于差壓式。 電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計等屬于速度式。 腰輪流量計、雙轉子流量計等屬于容積式。不同類型的 流量儀表適應不同的工藝介質。例如水的測量,通常非常 優選擇電磁流量計,電磁流量計在我國工業、制造業及 其他行業的應用十分廣泛,在液體流量測量方面起到了

            不可替代的重要作用。 

            1. 2 冶金工藝流程中的工況和介質特性復雜。

            介質的溫度、壓力、密度都隨著工況的變化而變化。 每個鋼鐵廠自身工況的特點不同,介質特點也不一樣。 所以不能一概而就,完全復制其他鋼鐵廠的選型配置。 鋼鐵廠里工藝段比較多,主要工藝段有焦化、燒結、煉 鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼、煤氣處理、水處理、公輔( 自備電廠 類) 等。每個工藝段都有自身的特點,車間空間,管道大小等都不一樣,必須根據其特性進行合理科學選擇。 

            1. 3 鋼鐵廠對測量的要求較高 

            測量的穩定性和精度對安全高效的生產息息相關。 鋼鐵廠對于流量儀表的基本要求是長壽命、有效、穩定 測量,開車后無需隨意拆卸停車維護。隨著鋼鐵廠產能 設計愈大,工藝流量愈大,對于流量儀表的傳感器磨損 就愈大; 對于流量儀表的傳感器材料,產品截面的要求 以及在流場下的流體動力學分析就突顯重要。 綜上所述,鋼鐵廠工況的特殊性,儀表的多樣性導 致了鋼鐵廠選擇流量儀表的難度。如何選擇非常優的流 量測量方案就是面前面臨的問題。

             2 冶金工藝流程中的流量儀表的選擇

            通常每個工段的測量點的流量儀表都會按照設計院或者以往經驗進行選擇,但在一些測量點選擇的流量儀表存在使用效果不好的情況,導致生產勉強運行。所以需要 結合各種現場工藝因素,并結合流量儀表特點來選擇。

            2. 1 焦化燒結的流量儀表的選擇

            在焦化和燒結工藝段中,測量介質相對較少,主要 測量介質是水、空氣和瀝青等。水可以采用電磁流量計來測量,空氣可以采用渦街流量計孔板流量計,但瀝青相對比較特殊,一般采用差壓流量計中的楔形流量計來測量。楔形流量計自身的特點可以測量粘度較大的介質,在石油石化行業中經常來測一些油類,在煤化工行業中來測量灰水和黑水等高溫高粘度高磨損介質,所以楔形 流量計可以適應瀝青這種高溫高粘度的介質的測量。

             2. 2 煉鐵工藝段的流量儀表的選擇

            煉鐵工藝段中的主體部分就是高爐,而高爐上的流 量儀表較多,測量介質類型也較多,通常有軟水、高爐煤 氣、蒸汽、壓縮空氣等。軟水是高爐上主要的工藝介質, 軟水被稱為冷卻水,冷卻水的水量與水壓分配對高爐冷 卻效果和高爐長壽十分重要,高爐嚴格控制合理冷卻參 數變化。通過檢測進出口的流量來判斷冷卻壁是否正 常,一旦進回水誤差較大將會預示冷卻壁出現故障,將 對安全生產帶來隱患。在高爐風口尤其是小套處于環 境非常為惡劣的部位,漏水的概率遠遠超過冷卻壁。所以 高爐冷卻水的測量非常關鍵。 冷卻水的測量通常采用電磁流量計和超聲波流量 計來測量。國內大多數冶金行業的高爐本體冷卻壁的 進回水測量基本采用電磁流量計,電磁流量計的精度可以達到 0. 2 級,且在高爐測量應用是很成熟的,極少數采 用超聲波流量計,雖然超聲波流量計可管外安裝、非接觸 測流,儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關,但其穩定性和精度還是相對電磁流量計要略輸一籌。 

            2. 3 煉鋼工藝段的流量儀表的選擇

            2. 3. 1 轉爐本體

            煉鋼工藝段中的主體部分就是轉爐,轉爐相對高爐 上的流量儀表數量較少,測量介質也主要是軟水和氧 氣、轉爐煤氣等。按照高爐上軟水測量采用電磁流量計的經驗,轉爐上的水的測量也同樣采用電磁流量計來測量。轉爐上的軟水主要是用來給氧槍進行冷卻作用,氧 槍是氧氣頂吹和頂底復吹轉爐煉鋼法的主要設備,氧槍 噴頭參數和操作模式的合理性對于冶煉工藝、成本、產 品質量等有很大影響。一般通過進回水誤差來判斷冷 卻效果。一旦進回水誤差加大,氧槍將根據保護設置將 提槍,無法繼續往轉爐內部吹氧,導致煉鋼指標下降。 所以轉爐軟水的測量還是電磁流量計非常適合。 

            2. 3. 2 氧槍氧氣

            氧槍氧氣流量控制系統需要保證氧槍氧氣按工藝 設定要求模式穩定流量供氧。很多時候都采用標準孔 板來測量,但孔板畢竟安裝直管段要求過高,且壓損較 大,所以為了降低直管段和壓損,有一種新型儀表可適應,叫平衡流量計( 也稱為多孔孔板流量計) 。它是把整 流器和標準孔板結合而成( 見圖 1) ,平衡流量計具有對 稱多孔結構特點,非常大程度地減少死區效應,避免渦流 的產生,平衡流場,降低因渦流所引起的信號波動,提高取壓點數據的準確性。

            把整 流器和標準孔板結合

            2. 3. 3 轉爐煤氣 

            轉爐的煤氣與高爐煤氣的測量管徑都非常大,通常 都大于 1 200 mm,這也給安裝及采購增加了成本。在前 幾年,很多為了降低成本,開始采用均速管流量計( 也就是常說的巴類流量計) ,雖然均速管流量計在安裝維護 方便,尤其針對大管徑采購成本低等方面有它一定的優 勢,但本身測量上卻有它自身的不足,測量精度不高、差 壓小、易堵。尤其是高爐煤氣,焦油量較大,經常堵塞維 護量非常大。所以巴類流量計針對干凈氣體,且對精度 要求不高的大口徑氣體測量可以選擇,若用此巴類來測量煤氣需要增加一些實時吹掃裝置來減少雜質對取壓 孔的堵塞。 所以針對煤氣的測量,為了保持長期穩定性減少維 護工作量,可以選擇文丘里管、V錐流量計、圓缺孔板等來測量。這幾類節流裝置在抗污能力上是非常好的,且壓 差信號較大,信號很穩定,完全可適應煤氣測量。 

            2. 4 連鑄工藝段的流量儀表的選擇

            連鑄工藝段主要是一個拉鋼的過程,連鑄的二次冷 卻工藝對連鑄機的產量和質量有著重要影響。通過對鋼胚的不同斷面進行水量澆鑄,且每個斷面要求的水量 大小也不同,隨時進行調整,測量非常關鍵。通常對澆 鑄水量的控制的要求基本上有兩點: ( 1) 多流澆鑄時需要穩定一致的流量; ( 2) 閥門的快速調節時,水量的監控必須快速響應,流量信號與控制系統的要求必須非常好結 合。這樣的要求經常被看作“魚和熊掌不可兼得”,既要 穩定又要快速響應后再次快速穩定,這對儀表的要求就 非常的高。常規的差壓式、容積式等已經無法達到要求,必須采用一些速度式儀表來測量。通常采用電磁流 量計來測量,電磁流量計滿度流量時液體流速可在 1 m/s~ 10 m/s 范圍內選用,范圍比較寬。 所以針對連鑄的工藝要求,必須采用快速響應型的 電磁流量計,既可快速響應,又可快速穩定流量,這就需 要電磁流量計廠家具有一定技術實力才可做到這一點。 

            2. 5 軋鋼工藝段的流量儀表的選擇

            軋鋼工藝段一般分為熱軋和冷軋,熱軋主要采用煤 氣和空氣混合助燃熱軋爐來進行熱軋,爐上煤氣管道按 3 個供熱段進行配置,實現各段流量的測量與調節。各 段煤氣管道設置流量計和氣動調節閥,測量和調節本段 的煤氣供給量。而冷軋主要采用水量控制來進行冷軋。 熱軋車間中的煤氣主要是高爐煤氣和轉爐煤氣經 過凈化后輸送過來與熱空氣混合進入熱軋爐。針對煤 氣的測量前面提到采用文丘里管、V 錐和圓缺孔板來測量,在熱軋廠同樣可以采用這些差壓類流量計。但熱軋 廠煤氣管線口徑都比較大,通常都超過 1 200 mm,文丘 里管和 V 錐的價格是非常昂貴的,所以考慮成本問題, 可以選擇圓缺孔板( 見圖 2) ,采用圓缺設計,底部可方便雜質的流通,不易堵塞,其材料和加工成本比文丘里 和 V 錐大大降低。

            圓缺孔板

            冷軋車間主要測量介質是水,其工藝跟連鑄有點類 似,也是對水流量監控,所以一般采用電磁流量計來測量。若是快速冷軋的工藝,同樣與連鑄的選擇一樣,必 須采用快速響應型的電磁流量計來針對性的測量。 

            2. 6 公輔及水處理的流量儀表的選擇

            公輔及水處理車間主要包含三個車間: 動力站( 自備 電廠類) 、水處理站、氣體處理站( 空壓站和氧氣站等) 。 

            2. 6. 1 動力站 

            動力站主要是自備電廠或者鍋爐站,電廠的流量儀 表的選擇測量在《論火力發電的流量測量》一文中作了 很詳細的描述。而鍋爐站相對測量儀表較少,主要是天 然氣、蒸汽、除鹽水的測量。選擇蒸汽流量測量儀表應考慮 5 個主要因素,即被測流體特性、安裝條件、環境條 件、儀表性能及維護需求。動力站出來的蒸汽送往各個 車間,現在很多鋼鐵企業都上了能源管理系統,主要針對水電氣的能源管控,而蒸汽是非常難考核的,往往動力 站主管網蒸汽總量與各車間的蒸汽量之和差別特別大, 其實很多時候是測量儀表的選擇和現場工藝管路引起 的。近年來,流量測量技術獲得了飛速發展,蒸汽流量 測量大多使用差壓式流量計和渦街流量計,但差壓式流 量計壓損大,量程比低,一般只有 1 ∶ 3,在實際運行中, 由于管道流體流量增加超過孔板流量計原來設計的流 量上限,導致差壓變送器長期超量程運行,再加上安裝 直管段要求高等原因,導致一頭一尾差別特別大。所以 若管網口徑低于 300 mm 可改成渦街流量計來測量。渦 街壓損一般只有孔板的 1 /5,精度可以到 1 級,安裝直管 段也優于孔板類。但渦街對管道機械振動均較敏感,不 宜用于強震動場所。 除鹽水一般采用孔板類差壓流量儀表或者渦街流 量計來測量。針對天然氣的測量可以采用渦輪流量計, 渦輪流量計在流量儀表系列中屬于精度很高的儀表,再 加上天然氣密度低,流速低、壓力不高等因素,采用渦輪 流量計是非常理想的,而渦街流量計和差壓類一般不建 議來測量天然氣。 

            2. 6. 2 水處理站 

            水處理站主要是全廠用水的集中處理站,進水和出站水的管徑都比較大,一般也都超過 1 000 mm,大部分 都采用管道式電磁流量計來測量?紤]成本時,針對1 000 mm 以上的管徑可以采用電磁流量計系列中一款 插入式電磁流量計。插入式電磁是在管道式電磁的原 理上來開發而來,采用尼庫拉磁原理,但插入式測量的 是一個點的流速,不像管道式測量的是一個截面的平均 流速,所以穩定性和精度相對管道式較差。但插入式還有一個優勢,可在線不斷流安裝,在項目后期的技改上 或者原流量點出現故障時可以采用插入式電磁在線不 斷流安裝,不影響工藝生產。 

            2. 6. 3 空壓站 

            空壓站主要以氣體為主,基本介質為壓縮空氣、氮 氣和氧氣等。針對這類低溫氣體,可采用渦街流量計和差壓類流量計來測量。但針對氧氣,相對危險系數較 大,建議采用平衡流量計或者文丘里管流量計來測量。 這兩個差壓式流量計常常在一些煤化工行業中來測量 高壓氧,在降壓損、平滑流場方面有很大的優勢。所以針對鋼鐵廠的氧氣也可選這兩類流量儀表來測量。 

            3 結束語 

            總之,冶金工藝流程中的流體介質有一定的特殊 性,要根據介質的各項工藝參數和指標來選擇非常合適的 流量儀表,F場流量儀表是工藝生產的眼睛,流量儀表的穩定運行與生產的穩定運行息息相關。在各類新型流量儀表快速發展的今天,只有將流量儀表選擇非常優的 測量方案,才可保證鋼鐵廠的可靠穩定運行生產。

             

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