摘要:鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量過程中容易出現(xiàn)的問題以及由此造成的后果進(jìn)行了分析，對(duì)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的一般工作原理、分類、不同的技術(shù)路線和優(yōu)劣比較以及選型方式進(jìn)行了闡述，并重點(diǎn)分析了熱式流量計(jì)相對(duì)孔板流量計(jì)的優(yōu)特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，以及通過熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)解決鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量問題所收到的效果。
1背景
　　鋼鐵企業(yè)因煉鋼工藝要求，對(duì)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤庥写罅啃枨螅�這3種氣體在冶煉現(xiàn)場(chǎng)的支管計(jì)量一般采用孔板等節(jié)流裝置測(cè)量差壓值來進(jìn)行計(jì)量，由于現(xiàn)場(chǎng)工藝流量設(shè)定值相對(duì)固定，波動(dòng)較小，所以測(cè)量精度一般能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。
　　但是對(duì)于廠際計(jì)量的總管而言，節(jié)流裝置的應(yīng)用存在較大問題，實(shí)際應(yīng)用中往往存在較大誤差，以某鋼鐵公司為例，其煉鋼廠的氧氮?dú)逑�耗�?bào)表和總公司的計(jì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表長期存在偏差，導(dǎo)致成本考核數(shù)據(jù)失真，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任制考核造成較大影響，而計(jì)量部門使用了各種包括球罐容積標(biāo)定法在內(nèi)的計(jì)量手段，對(duì)總管和支管的檢測(cè)儀表進(jìn)行了多次測(cè)量或者標(biāo)定，均證明儀表參數(shù)選型和計(jì)算書符合設(shè)計(jì)和實(shí)際工況要求，沒有大的偏差。
2原因分析
　　排除了參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方法問題，把目光轉(zhuǎn)向了計(jì)量儀表本身。經(jīng)過認(rèn)真分析，認(rèn)為主要原因是由孔板流量計(jì)本身的特點(diǎn)造成的:一般鋼鐵企業(yè)煉鋼廠都有多臺(tái)轉(zhuǎn)爐設(shè)備，轉(zhuǎn)爐屬于間歇式冶煉設(shè)備，總體上看這些設(shè)備對(duì)氧氮?dú)鍤怏w的使用是一種隨機(jī)的狀態(tài)，節(jié)流裝置由于量程比較小，其選型一般是以滿足這些設(shè)備同時(shí)工作為依據(jù)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，流量存在較大波動(dòng)，尤其在小流量處會(huì)超出正常的量程比。
　　以該鋼鐵公司為例，該公司煉鋼廠有4座轉(zhuǎn)爐，2座容量較小，2座容量較大，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中，各轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)時(shí)間有一定的隨機(jī)性和交叉性，所以同時(shí)只有1座小轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)和4座轉(zhuǎn)爐同時(shí)生產(chǎn)這2種比較極端的情況均會(huì)出現(xiàn)，以氧氣為例，實(shí)際冶煉時(shí)平均工作流量如表1所示。

根據(jù)上表可以算出:
最小工作流量(1座小轉(zhuǎn)爐工作)Lmin=11800Nm3/h
最大工作流量(4座同時(shí)工作)Lmax=(11800×2+22500×2)=68600Nm3/h
計(jì)算工作量程比Ｒw=Lmax∶Lmin=68600∶11800≈5.8∶1
　　考慮到煉鋼廠內(nèi)氧氣還有連鑄坯切割和日常檢修等用途，實(shí)際量程比應(yīng)該比計(jì)算值更大，按具體測(cè)量值已經(jīng)超出了7∶1。而一般孔板流量計(jì)的量程比為3∶1，超出該量程比范圍的精度則難以保證，在本案例中，總管最大最小流量已經(jīng)超過了7倍，由此導(dǎo)致總管計(jì)量和支管計(jì)量嚴(yán)重不符。
以2016年1～4月的統(tǒng)計(jì)值為例如表2所示。

　　根據(jù)上述分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，對(duì)于鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)蹇偣苡?jì)量這種工況，常規(guī)的孔板流量計(jì)已經(jīng)不太適用，需要尋找一種量程比大的流量計(jì)量儀表，來替代原有的差壓式孔板流量計(jì)。
3熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理
3.1發(fā)展歷史
　　通過認(rèn)真研究分析，一種基于熱傳導(dǎo)效應(yīng)原理的新型儀表進(jìn)入了的視線，這種儀表就是熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱熱式流量計(jì))。雖然是新型儀表，但是其測(cè)量原理在20世紀(jì)早就提出，20世紀(jì)80年代，在一些發(fā)達(dá)國家熱傳導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)開始用于氣體質(zhì)量流量的測(cè)量。不過由于受微電子技術(shù)所限，當(dāng)時(shí)熱式流量計(jì)存在很多缺陷，例如響應(yīng)速度慢，易受干擾等，所有只在一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用于小流量監(jiān)測(cè)，或者作為流量開關(guān)使用。
　　進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，過去制約熱式流量計(jì)的瓶頸不復(fù)存在，計(jì)算速度、精度、抗干擾能力都大幅提升，熱式流量計(jì)技術(shù)得到了快速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵冶金、電力、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)。
3.2常用測(cè)量方式
　　熱式流量計(jì)根據(jù)熱傳遞方式和加熱方式的不同有多種實(shí)現(xiàn)形式，目前比較常用的有恒溫差式和恒功率式2種。2種方式均需要2個(gè)熱敏元件作為傳感器，并配套相應(yīng)的控制和計(jì)算電路，以及處理器和加熱器。
　　恒溫差方式是先加熱一個(gè)熱敏元件，使其比不加熱的元件高出一個(gè)恒定的溫度。隨著介質(zhì)的流動(dòng)，被加熱的元件由于散熱溫度會(huì)降低，通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流(也可以是電壓)來保持其溫差為恒定值，再通過檢測(cè)變化的電流(或電壓)來獲得流量的變化值。
　　恒功率方式是在加熱器上加上一個(gè)恒定的功率對(duì)其中一個(gè)熱敏元件加熱，介質(zhì)在靜態(tài)時(shí)被加熱的元件和不加熱的元件之間溫差最大，隨著介質(zhì)的流動(dòng)溫差減小，通過測(cè)量溫差的變化來獲得流量的變化。
3.3恒溫差和恒功率方式比較
　　從控制角度，早期實(shí)現(xiàn)恒溫差控制比實(shí)現(xiàn)恒功率更容易，響應(yīng)更快，因此最初恒溫差方式應(yīng)用較多。但是，恒功率式相比恒溫差有幾個(gè)不可替代的優(yōu)點(diǎn)，所以目前恒功率熱式流量計(jì)成為了主流，這些優(yōu)點(diǎn)包括:［1］
(1)恒功率式流量計(jì)的量程更大。隨著介質(zhì)流量的增加，被加熱的電阻的熱量被迅速帶走。對(duì)于恒溫差式流量計(jì)，要保持恒定的溫差，需要加熱電路能夠快速反應(yīng)。但是，受輸出功率和線路最大電流影響，流量計(jì)的加熱功率不可能無限制增加，因此其最大值受到限制。而恒功率型的則不受這點(diǎn)影響，其量程能夠做的比較大。
(2)恒功率流量計(jì)不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計(jì)需要快速調(diào)節(jié)溫度響應(yīng)，一般熱電阻均比較細(xì)，而恒功率流量計(jì)熱電阻可以做得比較粗。對(duì)于臟濕介質(zhì)測(cè)量時(shí)，較細(xì)的電阻，其附著物對(duì)熱電阻散熱產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)使其測(cè)量精度大大降低。恒功率由于熱電阻可以做的相對(duì)較粗，對(duì)臟濕介質(zhì)的測(cè)量會(huì)好很多。
(3)恒溫差式流量計(jì)不對(duì)溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，恒功率式卻能對(duì)全范圍溫度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。由于熱流量和平衡常數(shù)隨溫度的變化而變化，一般在30℃的范圍內(nèi)為常數(shù)，當(dāng)測(cè)量氣體溫度超過這一范圍時(shí)，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會(huì)發(fā)生變化。恒功率式流量計(jì)由于其測(cè)量原理，能對(duì)全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
(4)恒功率與恒溫差式流量計(jì)在耐高溫方面有著顯著的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫可以做到454℃，而恒溫差的流量計(jì)一般都在260℃以內(nèi)，這對(duì)于測(cè)量過熱蒸汽而言，其適應(yīng)性有很大的差別。
3.4恒功率插入熱式流量計(jì)測(cè)量原理
　　綜上所述，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該型流量計(jì)的插入探頭帶有2個(gè)鉑熱電阻傳感器，以一定的位置置于流體中，其中一個(gè)給予加熱功率P，使其溫度升至T1，另一個(gè)不加熱，用于監(jiān)測(cè)介質(zhì)溫度，設(shè)為T2。于是2個(gè)溫度傳感器之間產(chǎn)生溫差ΔT=T1－T2。在流量為零時(shí)，ΔT最大，隨著介質(zhì)流量Q的增大，溫度傳感器T1的熱量被帶走，T1減小，ΔT減小。因此，上述的加熱功率P、溫差ΔT與質(zhì)量流量Q之間存在對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于恒功率熱式流量計(jì)而言，加熱功率P等于常數(shù)P0。根據(jù)流體力學(xué)，該函數(shù)關(guān)系可用下式表示:

　　式中，K1、K2、K3為與氣體物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。
　　由上式可以看出，在加熱功率P恒定的情況下，通過測(cè)量溫差ΔT的變化，就可以求得質(zhì)量流量Q。

4熱式流量計(jì)同孔板流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析
　　熱式流量計(jì)由于其獨(dú)特的原理和結(jié)構(gòu)，使其具備一些常規(guī)儀表所不具備的特點(diǎn)，同傳統(tǒng)的以孔板為代表的差壓流量計(jì)相比較，熱式流量計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)如下
［2］:
(1)具備較高的量程比，最高可達(dá)1000∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過孔板流量計(jì)的3∶1，基本覆蓋了一般工業(yè)企業(yè)的流速范圍，能夠極大地方便技術(shù)人員選型，易于管理，提高了系統(tǒng)的可靠性。
(2)不需要進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償，直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少維護(hù)量。
(3)同節(jié)流裝置相比，幾乎無壓力損失，減少介質(zhì)能耗。
(4)一次元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用不銹鋼或特種合金外殼覆蓋，不怕臟污或腐蝕，不存在堵塞問題，且插入式結(jié)構(gòu)便于維護(hù)清洗。
(5)傳感器對(duì)流量的變化非常靈敏，測(cè)量精度高。
　　通過對(duì)熱式流量計(jì)的原理和特點(diǎn)分析，特別是高量程比和不需要溫度壓力補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，非常符合現(xiàn)場(chǎng)需求。通過分析可以認(rèn)為，熱式流量計(jì)能夠較好地解決鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量中存在的問題。
5應(yīng)用及效果
　　確認(rèn)選型以后，在該鋼鐵公司氧氮?dú)蹇偣芨靼惭b了1臺(tái)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，運(yùn)行了一段時(shí)間以后，效果令人滿意，以2017年1～4月份的氧氣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

　　同2016年1～4月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，更換流量計(jì)后，總管和支管統(tǒng)計(jì)數(shù)量相比，從負(fù)差變成了正差，但是差額從四位數(shù)降到了三位數(shù)，誤差率的絕對(duì)值從10%左右降到了不到3%。可以認(rèn)定，這次技術(shù)改造收到了良好的效果。
6結(jié)束語
　　熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為一種新型的流量檢測(cè)儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，無壓損，靈敏度高，不需要溫壓補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，尤其該型儀表具備其他常規(guī)儀表所不具備的超高量程比特點(diǎn)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工況和計(jì)量性能要求，在鋼鐵、有色、化工、環(huán)保、電力等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用空間。

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