混合煤氣流量測量中的補(bǔ)償算法及實(shí)現(xiàn)

宗素蘭，周 妍

（1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州234000；2.銅陵學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 銅陵 244000）

混合煤氣流量測量中的補(bǔ)償算法及實(shí)現(xiàn)

宗素蘭1，周 妍2

（1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州234000；2.銅陵學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 銅陵 244000）

分析了石灰窯煤氣流量檢測系統(tǒng)采用節(jié)流式流量計(jì)測量混合煤氣流量存在誤差的主要原因，提出采用高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)檢測總管煤氣流量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各支管煤氣流量進(jìn)行密度補(bǔ)償方案。根據(jù)該補(bǔ)償方案，分析并推導(dǎo)出加入基準(zhǔn)流量計(jì)后混合煤氣流量密度及綜合補(bǔ)償算法，以解決現(xiàn)用孔板流量計(jì)測量煤氣精度低的問題。最后，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例－梅山鋼鐵冶金石灰窯應(yīng)用該補(bǔ)償算法配上必要的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)了煤氣流量的在線補(bǔ)償，簡單介紹了補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)。

套筒石灰窯；煤氣流量；補(bǔ)償算法；流量計(jì)

國內(nèi)外大部分氣燒石灰窯在一般情況下采用高爐煤氣與焦?fàn)t混合或轉(zhuǎn)爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合來煅燒石灰［1－2］。由于轉(zhuǎn)爐、高爐、焦?fàn)t生產(chǎn)的工藝條件發(fā)生變化，會(huì)造成煤氣產(chǎn)出的不穩(wěn)定，從而使混合煤氣的混合比隨之發(fā)生變化，混合比的變化會(huì)使混合煤氣的密度發(fā)生變化。但是工程中常用的煤氣流量檢測儀器是節(jié)流式流量計(jì)，而節(jié)流式流量計(jì)在計(jì)量煤氣流量時(shí)是取煤氣的密度為一常數(shù)［3－5］，這勢必會(huì)造成一定的測量誤差。

目前，國內(nèi)外節(jié)流式流量計(jì)在石灰窯煤氣流量的檢測中都占有較大比重，尤其是在國內(nèi)，節(jié)流式流量計(jì)所占比重更大［3］。另外，非固定混合比的混合氣體的流量檢測也是工業(yè)流量測量中的技術(shù)難點(diǎn)。因此，本文重點(diǎn)推導(dǎo)了在套筒式石灰窯中混合煤氣流量檢測中的密度補(bǔ)償算法并簡單說明了這種算法如何應(yīng)用于實(shí)際。這有利于提高石灰窯混合煤氣流量檢測的精度、穩(wěn)定石灰生產(chǎn)過程的煅燒溫度，進(jìn)而可提高石灰的質(zhì)量、減少能耗。

1 煤氣流量檢測系統(tǒng)分析

為便于分析，文章以梅山石灰窯為研究對(duì)象。梅山石灰窯采用的是套筒窯結(jié)構(gòu)。燃料主要是轉(zhuǎn)爐煤氣，為增加煤氣的燃燒熱值，在轉(zhuǎn)爐煤氣中又加入了焦?fàn)t煤氣。下圖為梅山石灰窯煤氣流量檢測示意圖。

從圖1中可以看出，此梅山石灰窯的窯型為套筒式石灰窯。氣燒套筒窯一般以轉(zhuǎn)爐煤氣（或其他氣體燃料）為燃料 ，使得鋼鐵廠的二次能量可以得到充分利用。轉(zhuǎn)爐煤氣與空氣一起進(jìn)入上、下燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的熱氣進(jìn)入套筒窯。在窯的中心裝有一個(gè)立式或吊式的圓筒，就是圖上所示上下內(nèi)套筒，這樣煅燒帶便可以成為環(huán)形截面，利于石灰充分煅燒。

套筒石灰窯的燃燒室設(shè)為上下兩層，上層的稱為上燃燒室，下層的稱為下燃燒室。上下兩層燃燒室共有8到12個(gè)不等，圖中為12個(gè)。

圖1 套筒石灰窯煤氣流量檢測系統(tǒng)示意圖

石灰窯的供氣方式是由一個(gè)總管向所有支管供氣，每一燃燒室有一條支管向其供氣，為簡化作圖，圖1中只畫了1＃上燃燒室和1＃下燃燒室的支管?？偣苌嫌幸还?jié)流式流量計(jì)檢測煤氣流量，每一支管上也各有一節(jié)流式流量計(jì)檢測煤氣流量。另總管和支管上均有煤氣調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)煤氣流量。

2 節(jié)流式流量計(jì)檢測原理及存在誤差原因分析

如果在充滿流體的管道中固定放置一個(gè)流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，則管內(nèi)流束在通過該節(jié)流件時(shí)就會(huì)造成局部收縮。在收縮處，流體流速增加、靜壓力降低，因此，在節(jié)流件前后將產(chǎn)生一定的壓力差［3］。實(shí)踐證明，對(duì)于一定形狀和尺寸，一定的測壓位置和前后直管段，在一定的流體參數(shù)情況下，節(jié)流件前后的差力壓與流體的流量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系［3］。因此，可通過測量節(jié)流件前后的壓力差來測量流量。

剛才已經(jīng)敘述過，節(jié)流件前后的差力壓和流體流量之

A0是節(jié)流件開孔截面積，ρ1－節(jié)流件入口端流體密度，（p1－p2）是實(shí)際取壓位置取出的壓力差。在計(jì)算氣體流量時(shí)，節(jié)流式流量計(jì)把α、A0、ρ1、ε均取為常數(shù)。實(shí)際上，流量系數(shù)α、可膨脹系數(shù)ε、密度ρ1不是常數(shù)，這些量與被測氣體的溫度、壓力及成分變化等有關(guān)。A0的精度可以通過精確測量節(jié)流件開孔直徑來保證；流量系數(shù)α通過實(shí)驗(yàn)來確定；在線測量可膨脹系數(shù)ε十分困難，但在差力壓和流體本身的壓力相比較小時(shí)，其變化可以忽略不計(jì)。所以由以上分析可知，在實(shí)際測量時(shí)，即使α、ε的值變化了，我們也無法把改變的影響施加進(jìn)去［3］［6］。

從公式（1）中可以看出，在流量計(jì)量時(shí)，密度和壓力差處于同樣的地位。如果密度值不準(zhǔn)確，即使壓力差的測量精度較高，測量結(jié)果也達(dá)不到較高的精度。所以密度的變化對(duì)流量測量的影響不可忽略，氣體的密度與氣體的溫度、壓力有關(guān)，一般可以通過測量溫度和壓力，使用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算出密度進(jìn)行間接補(bǔ)償［6］。如果所測量的氣體是混合氣體，只做溫度、壓力的補(bǔ)償是不夠的。因?yàn)楫?dāng)混合氣體的混合比例發(fā)生變化時(shí)，即使溫度、壓力不變，密度也發(fā)生了較大改變，如果仍用原來的參數(shù)計(jì)算必然會(huì)出現(xiàn)較大的計(jì)量誤差［6－7］。因此，在混合煤氣流量測量中對(duì)密度補(bǔ)償十分重要。壓力差的測量精度由節(jié)流式流量計(jì)本身來保證，所以測量誤差主要是由于密度的改變帶給流量的誤差。前已述及，節(jié)流式流量計(jì)在測量氣體流量時(shí)把密度取為常數(shù)。這對(duì)于測量單一氣源的煤氣流量時(shí)，影響不大，因?yàn)閱我粴庠吹拿簹獬煞莼灸芊€(wěn)定在一定范圍內(nèi)，所以密度沒有太大變化。如果摻入其它氣源，由于成分變化大，實(shí)際煤氣的密度變化也大。這時(shí)如果仍把煤氣密度取為常數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，在對(duì)混合煤氣流量計(jì)量時(shí)需要對(duì)密度進(jìn)行補(bǔ)償［6－9］。

3 混合煤氣流量計(jì)量的密度補(bǔ)償算法

氣體的測量要比液體復(fù)雜，因?yàn)闅怏w是可壓縮的。氣體狀態(tài)的變化會(huì)引起密度的變化，從以上分析可知密度對(duì)節(jié)流式流量計(jì)有很大影響。通過以上對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的誤差分析可知，密度和壓力差對(duì)節(jié)流式流量計(jì)檢測精度的影響都比較大。壓力差的測量精度由節(jié)流式流量計(jì)本身來保證。煤氣的密度與溫度、壓力的變化有很大的關(guān)系，因此可通過密度、溫度、壓力的補(bǔ)償算法來實(shí)現(xiàn)各支管煤氣流量的在線補(bǔ)償。

3.1 密度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采用密度補(bǔ)償算法的思想是在煤氣總管上增加一臺(tái)精度非常高的基準(zhǔn)流量計(jì)用以測量總管的煤氣流量。由于只需在圖1的總管上增加一臺(tái)基準(zhǔn)流量計(jì)即可，所以在這里不再另作圖表示。根據(jù)總管上基準(zhǔn)流量計(jì)所測煤氣流量、總管上節(jié)流式流量計(jì)所測煤氣流量以及支管上節(jié)流式流量計(jì)所測煤氣流量可以推導(dǎo)出流過各支管的煤氣實(shí)時(shí)流量。從而可通過高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)來提高各支管煤氣流量的測量精度。高精度的流量計(jì)一般情況下市場價(jià)格也會(huì)較高，所以在這里只在總管上增加一臺(tái)，以達(dá)到間有一定的函數(shù)關(guān)系，如果測量的是氣體的流量，這一函數(shù)關(guān)系可以表示為：即能節(jié)約改造成本，又能提高現(xiàn)場流量計(jì)檢測精度的目的。

在該設(shè)計(jì)方案中，基準(zhǔn)流量計(jì)與節(jié)流式流量計(jì)都以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出煤氣流量，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)這些流量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，然后采用下文所述的補(bǔ)償算法對(duì)各支管的煤氣流量進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 密度補(bǔ)償算法

設(shè)總管上節(jié)流式流量計(jì)所測混合煤氣流量是Q′V，總管增加的基準(zhǔn)流量計(jì)所測流量是Q″V，當(dāng)煤氣以密度為ρ1的設(shè)計(jì)狀態(tài)流過總管節(jié)流式流量計(jì)時(shí)，總管上的節(jié)流裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差力壓（p1－p2）。因?yàn)榭偣芎透髦Ч苌瞎?jié)流式流量計(jì)都是以設(shè)計(jì)密度ρ1來計(jì)算的，所以總管上節(jié)流式流量計(jì)所顯示的煤氣總流量Q′V為：

如果煤氣以密度ρ2流過節(jié)流式流量計(jì)時(shí)，總管上的節(jié)流裝置產(chǎn)生的差力壓仍然是（p1－p2）［8］，這時(shí)，總管上的顯示的流量應(yīng)該是用下面的公式計(jì)算出來的流量QV。

即

因?yàn)楣?jié)流式流量計(jì)的設(shè)計(jì)密度是ρ1，，所以總管上的節(jié)流式流量計(jì)仍以公式（2）來計(jì)算混合煤氣流量，所以儀表顯示的流量還是Q′V。實(shí)際上，此時(shí)總管上的煤氣流量應(yīng)以公式（3）來計(jì)算，即總管上的實(shí)際流量應(yīng)該是QV。（3）式比（2）式可得：

因?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)思想是在總管上增加一臺(tái)精度非常高的流量計(jì)來測量混合煤氣總流量，所以可認(rèn)為總管上基準(zhǔn)流量計(jì)所測流量即為混合煤氣的實(shí)際流量，

總管在輸送煤氣的過程中，煤氣的狀態(tài)變化較小，可以認(rèn)為煤氣從總管輸送到各支管時(shí)煤氣密度不變，所以其余12個(gè)支管內(nèi)的煤氣密度可認(rèn)為仍是ρ2。設(shè)12只支管上的節(jié)流式流量計(jì)所測得的混合煤氣流量為q′1，q′2，…q′12，各支管相對(duì)應(yīng)的實(shí)際流量為q1，q2，…q12，下面以支管1為例介紹密度補(bǔ)償算法，其余支管補(bǔ)償方式相同，則根據(jù)公式（3）、（4）、（5）可以得到下面的公式：

公式（7）中，q′1——支管1上節(jié)流式流量計(jì)所測得的煤氣流量，Q″V——總管基準(zhǔn)流量計(jì)所測得的煤氣流量總量，Q′V——總管節(jié)流式流量計(jì)所測得的煤氣流量總量，q1——支管1經(jīng)密度補(bǔ)償后的煤氣流量。采用公式（7）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有支管上混合煤氣流量的在線密度補(bǔ)償。

3.3 補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)

下圖為補(bǔ)償結(jié)果圖：

圖2 補(bǔ)償結(jié)果圖

圖中左邊為煤氣總管及1＃到6＃煤氣支管，右邊為空氣總管及1＃到6?？諝庵Ч埽虏咳紵遗c上部燃燒室類似，圖中只截取上部燃燒室畫面用以說明。監(jiān)控畫面可實(shí)時(shí)顯示調(diào)節(jié)閥開度及各支管煤氣流量及空氣流量。從圖中可以看出，當(dāng)總管基準(zhǔn)流量計(jì)所測煤氣流量為3980m3／h，總管孔板流量計(jì)所測煤氣流量為4128m3／h，1＃支管上的孔板流量計(jì)所測煤氣流量為297m3／h，那么經(jīng)補(bǔ)償后的1＃支管的煤氣流量就是287m3／h，而2＃支管上的節(jié)流式流量計(jì)所測煤氣流量是285m3／h，相應(yīng)的補(bǔ)償后的煤氣流量為275m3／h，其余支管節(jié)流式流量計(jì)所測流量及補(bǔ)償后的煤氣流量均可從圖2中看出，不再贅述。在現(xiàn)場中，只需將變量與工程中所用總管基準(zhǔn)流量計(jì)、總管節(jié)流式流量計(jì)、以及各支管節(jié)流式流量計(jì)聯(lián)系起來，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各支管流量的補(bǔ)償，并顯示出補(bǔ)償后的流量。

4 結(jié)論

文中未對(duì)究竟選用何種流量計(jì)作為基準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行說明，各企業(yè)可根據(jù)自己的實(shí)際情況選用合適的儀表。但選用的基準(zhǔn)流量計(jì)一定要滿足兩個(gè)條件：一是該種流量計(jì)一定要適合測混合煤氣的流量。二是所選用的基準(zhǔn)流量計(jì)精度一定要非常高，可近似認(rèn)為基準(zhǔn)流量計(jì)所測混合煤氣流量即為實(shí)際流量，如果用一個(gè)和原來節(jié)流式流量計(jì)的精度相差不多的流量計(jì)來進(jìn)行補(bǔ)償是沒有意義的。本文在分析混合煤氣流量計(jì)量誤差產(chǎn)生原因基礎(chǔ)上，提出采用一臺(tái)高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)檢測總管煤氣流量以實(shí)現(xiàn)對(duì)各支管煤氣流量進(jìn)行密度補(bǔ)償方案，分析并推導(dǎo)出加入基準(zhǔn)流量計(jì)后混合煤氣流量密度及綜合補(bǔ)償算法，應(yīng)用補(bǔ)償算法對(duì)各個(gè)燃燒室的煤氣流量進(jìn)行補(bǔ)償，以提高混合煤氣流量檢測精度。只在總管上增加一臺(tái)高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)可以有效降低系統(tǒng)改造成本。

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The Density Compensation in the Measurement of Mixed Gas Flow

Zong Sulan1，Zhou Yan2

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China；2.Department of Mechanical Engineering，Tongling University，Tongling 244000，China）

The main reasons of the measurement error for using orifice flow meter to measure the gas flow in limekiln was analyzed.A method of adopting a high-precision flow meter as a basic flow meter was proposed in order to realize the gas-flow compensation in the branch pipes by testing the gas flow in the main pipe.Then，according to the compensation method，the article analyzed and concluded an density-compensation algorithm and comprehensive compensation algorithm of mixed-gas-flow testing in the limekiln，so that the problem of low accuracy of orifice-plate flow meters can be resolved.At last，combined with the engineering application in Meishan Steel Metallurgy Limekiln which adopted this method and coupled with the necessary hardware and software sources to realize the online compensation of gas flow，it explains the realization of the compensation algorithms.

sleeve limekiln；gas flow density；compensation；flow meter

TH814

A

1673-1794（2011）05-0038-03

宗素蘭，女，宿州學(xué)院教師，碩士，主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與智能控制。

安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目 （KJ2010B233）

2010-10-23