混合煤气流量测量中的补偿算法及实现

国内外大部分气烧石灰窑在一般情况下采用高炉煤气与焦炉混合或转炉煤气与焦炉煤气混合来煅烧石灰。由于转炉、高炉、焦炉生产的工艺条件发生变化，会造成煤气产出的不稳定，从而使混合煤气的混合比随之发生变化，混合比的变化会使混合煤气的密度发生变化。但是工程中常用的煤气流量检测仪器是节流式流量计，而节流式流量计在计量煤气流量时是取煤气的密度为一常数，这势必会造成一定的测量误差。

目前，国内外节流式流量计在石灰窑煤气流量的检测中都占有较大比重，尤其是在国内，节流式流量计所占比重更大。另外，非固定混合比的混合气体的流量检测也是工业流量测量中的技术难点。因此，本文重点推导了在套筒式石灰窑中混合煤气流量检测中的密度补偿算法并简单说明了这种算法如何应用于实际。这有利于提高石灰窑混合煤气流量检测的精度、稳定石灰生产过程的煅烧温度，进而可提高石灰的质量、减少能耗。

1 煤气流量检测系统分析

为便于分析，文章以梅山石灰窑为研究对象。梅山石灰窑采用的是套筒窑结构。燃料主要是转炉煤气，为增加煤气的燃烧热值，在转炉煤气中又加入了焦炉煤气。下图为梅山石灰窑煤气流量检测示意图。

从图1中可以看出，此梅山石灰窑的窑型为套筒式石灰窑。气烧套筒窑一般以转炉煤气（或其他气体燃料）为燃料，使得钢铁厂的二次能量可以得到充分利用。转炉煤气与空气一起进入上、下燃烧室内燃烧，产生的热气进入套筒窑。在窑的中心装有一个立式或吊式的圆筒，就是图上所示上下内套筒，这样煅烧带便可以成为环形截面，利于石灰充分煅烧。

套筒石灰窑的燃烧室设为上下两层，上层的称为上燃烧室，下层的称为下燃烧室。上下两层燃烧室共有8到12个不等，图中为12个。

图1 套筒石灰窑煤气流量检测系统示意图

石灰窑的供气方式是由一个总管向所有支管供气，每一燃烧室有一条支管向其供气，为简化作图，图1中只画了1#上燃烧室和1#下燃烧室的支管。总管上有一节流式流量计检测煤气流量，每一支管上也各有一节流式流量计检测煤气流量。另总管和支管上均有煤气调节阀来调节煤气流量。

2 节流式流量计检测原理及存在误差原因分析

如果在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，则管内流束在通过该节流件时就会造成局部收缩。在收缩处，流体流速增加、静压力降低，因此，在节流件前后将产生一定的压力差。实践证明，对于一定形状和尺寸，一定的测压位置和前后直管段，在一定的流体参数情况下，节流件前后的差力压与流体的流量之间存在一定的函数关系。因此，可通过测量节流件前后的压力差来测量流量。

刚才已经叙述过，节流件前后的差力压和流体流量之间有一定的函数关系，如果测量的是气体的流量，这一函数关系可以表示为：

A0是节流件开孔截面积，ρ1-节流件入口端流体密度，（p1-p2）是实际取压位置取出的压力差。在计算气体流量时，节流式流量计把α、A0、ρ1、ε均取为常数。实际上，流量系数α、可膨胀系数ε、密度ρ1不是常数，这些量与被测气体的温度、压力及成分变化等有关。A0的精度可以通过精确测量节流件开孔直径来保证；流量系数α通过实验来确定；在线测量可膨胀系数ε十分困难，但在差力压和流体本身的压力相比较小时，其变化可以忽略不计。所以由以上分析可知，在实际测量时，即使α、ε的值变化了，我们也无法把改变的影响施加进去。

从公式（1）中可以看出，在流量计量时，密度和压力差处于同样的地位。如果密度值不准确，即使压力差的测量化对流量测量的影响不可忽略，气体的密度与气体的温度、压力有关，一般可以通过测量温度和压力，使用理想气体状态方程计算出密度进行间接补偿。如果所测量的气体是混合气体，只做温度、压力的补偿是不够的。因为当混合气体的混合比例发生变化时，即使温度、压力不变，密度也发生了较大改变，如果仍用原来的参数计算必然会出现较大的计量误差。因此，在混合煤气流量测量中对密度补偿十分重要。压力差的测量精度由节流式流量计本身来保证，所以测量误差主要是由于密度的改变带给流量的误差。前已述及，节流式流量计在测量气体流量时把密度取为常数。这对于测量单一气源的煤气流量时，影响不大，因为单一气源的煤气成份基本能稳定在一定范围内，所以密度没有太大变化。如果掺入其它气源，由于成分变化大，实际煤气的密度变化也大。这时如果仍把煤气密度取为常数，就会产生误差。因此，在对混合煤气流量计量时需要对密度进行补偿。 [page]

3 混合煤气流量计量的密度补偿算法

气体的测量要比液体复杂，因为气体是可压缩的。气体状态的变化会引起密度的变化，从以上分析可知密度对节流式流量计有很大影响。通过以上对节流式流量计的误差分析可知，密度和压力差对节流式流量计检测精度的影响都比较大。压力差的测量精度由节流式流量计本身来保证。煤气的密度与温度、压力的变化有很大的关系，因此可通过密度、温度、压力的补偿算法来实现各支管煤气流量的在线补偿。

3.1 密度补偿系统设计方案

采用密度补偿算法的思想是在煤气总管上增加一台精度非常高的基准流量计用以测量总管的煤气流量。由于只需在图1的总管上增加一台基准流量计即可，所以在这里不再另作图表示。根据总管上基准流量计所测煤气流量、总管上节流式流量计所测煤气流量以及支管上节流式流量计所测煤气流量可以推导出流过各支管的煤气实时流量。从而可通过高精度的基准流量计来提高各支管煤气流量的测量精度。高精度的流量计一般情况下市场价格也会较高，所以在这里只在总管上增加一台，以达到即能节约改造成本，又能提高现场流量计检测精度的目的。

在该设计方案中，基准流量计与节流式流量计都以4～20mA标准信号输出煤气流量，计算机系统对这些流量信号进行实时数据采集，然后采用下文所述的补偿算法对各支管的煤气流量进行补偿。

3.2 密度补偿算法

设总管上节流式流量计所测混合煤气流量是Q\'V，总管增加的基准流量计所测流量是Q\'\'V，当煤气以密度为ρ1的设计状态流过总管节流式流量计时，总管上的节流装置会产生一个差力压（p1-p2）。因为总管和各支管上节流式流量计都是以设计密度ρ1来计算的，所以总管上节流式流量计所显示的煤气总流量Q\'V为：

如果煤气以密度ρ2流过节流式流量计时，总管上的节流装置产生的差力压仍然是（p1-p2），这时，总管上的显示的流量应该是用下面的公式计算出来的流量QV。

即

因为节流式流量计的设计密度是ρ1，，所以总管上的节流式流量计仍以公式（2）来计算混合煤气流量，所以仪表显示的流量还是Q\'V。实际上，此时总管上的煤气流量应以公式（3）来计算，即总管上的实际流量应该是QV。（3）式比（2）式可得：

因为我们的设计思想是在总管上增加一台精度非常高的流量计来测量混合煤气总流量，所以可认为总管上基准流量计所测流量即为混合煤气的实际流量，

即

总管在输送煤气的过程中，煤气的状态变化较小，可以认为煤气从总管输送到各支管时煤气密度不变，所以其余12个支管内的煤气密度可认为仍是ρ2。设12只支管上的节流式流量计所测得的混合煤气流量为q\'1，q\'2，…q\'12，各支管相对应的实际流量为q1，q2，…q12，下面以支管1为例介绍密度补偿算法，其余支管补偿方式相同，则根据公式（3）、（4）、（5）可以得到下面的公式：

变换上式可得：

公式（7）中，q\'1———支管1上节流式流量计所测得的煤气流量，Q\'\'V-——总管基准流量计所测得的煤气流量总量，Q\'V———总管节流式流量计所测得的煤气流量总量，q1———支管1经密度补偿后的煤气流量。采用公式（7）可以实现对所有支管上混合煤气流量的在线密度补偿。

3.3 补偿算法的实现

下图为补偿结果图：

图2 补偿结果图

图中左边为煤气总管及1#到6#煤气支管，右边为空气总管及1#到6#空气支管，下部燃烧室与上部燃烧室类似，图中只截取上部燃烧室画面用以说明。监控画面可实时显示调节阀开度及各支管煤气流量及空气流量。从图中可以看出，当总管基准流量计所测煤气流量为3980m3/h，总管孔板流量计所测煤气流量为4128m3/h，1#支管上的孔板流量计所测煤气流量为297m3/h，那么经补偿后的1#支管的煤气流量就是287m3/h，而2#支管上的节流式流量计所测煤气流量是285m3/h，相应的补偿后的煤气流量为275m3/h，其余支管节流式流量计所测流量及补偿后的煤气流量均可从图2中看出，不再赘述。在现场中，只需将变量与工程中所用总管基准流量计、总管节流式流量计、以及各支管节流式流量计联系起来，就可以实现对各支管流量的补偿，并显示出补偿后的流量。

4 结论

文中未对究竟选用何种流量计作为基准流量计进行说明，各企业可根据自己的实际情况选用合适的仪表。但选用的基准流量计一定要满足两个条件：一是该种流量计一定要适合测混合煤气的流量。二是所选用的基准流量计精度一定要非常高，可近似认为基准流量计所测混合煤气流量即为实际流量，如果用一个和原来节流式流量计的精度相差不多的流量计来进行补偿是没有意义的。本文在分析混合煤气流量计量误差产生原因基础上，提出采用一台高精度的基准流量计检测总管煤气流量以实现对各支管煤气流量进行密度补偿方案，分析并推导出加入基准流量计后混合煤气流量密度及综合补偿算法，应用补偿算法对各个燃烧室的煤气流量进行补偿，以提高混合煤气流量检测精度。只在总管上增加一台高精度的基准流量计可以有效降低系统改造成本。