混合煤氣流量測量的計算過程和實現方法

劉衛軍 陳麗燕 李 玲 張艷艷 張心濱

(河北鋼鐵集團承鋼公司，河北 承德 067002)

0 引言

流量既是工業生產中重要的工藝參數，也是企業成本核算的重要指標，實現能源介質流量的準確測量是一項重要而艱巨的任務。

在氣、液兩類能源介質中，氣體流量測量的難度更大，測量方式多采用節流式差壓流量計，通常涉及溫度、壓力和差壓3個變量的檢測，并包含大量的數學計算。

在實際應用中，除了按規范要求完成多設備設施的安裝、連接，單體和整體設備調試之外，還必須掌握各項參數的計算、不同狀態間的轉換、溫度壓力補償、差壓與流量量程的調整以及采用不同設備的實現方法、理論公式和應用公式之間的演變及公式中各項變量的實際意義。

混合煤氣屬于混合型濕氣體，工況條件比較復雜，如摻混比例的變化、溫度壓力的變化和濕度的變化等，其流量測量更具有代表性和實際意義。

1 混合煤氣的密度計算

高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣是鋼鐵冶金企業常見的3種煤氣資源。混合煤氣一般由高爐煤氣和焦爐煤氣按一定的體積比例摻混而成，其密度計算包括標況下干高爐煤氣和干焦爐煤氣的密度計算、按一定比例摻混后的干混合煤氣的密度計算和工況下混合濕煤氣密度的計算，密度單位均為kg/m3，標況時表示為kg/Nm3。

1.1 標況干煤氣的密度計算

高爐煤氣、焦爐煤氣和混合煤氣都屬于混合氣體，混合氣體的密度服從疊加規律，即:

式中:ρ混為混合氣體的密度;ρ1，ρ2，…，ρn為混合氣體各組分的密度;v1，v2，…，vn為混合氣體各組分的體積百分數，%。

標準狀態一般是指0℃、1標準大氣壓(101325 Pa)的狀態(簡稱標況)，常用大寫字母N表示。高爐煤氣和焦爐煤氣在標況下的密度，依多次煤氣組份分析得到的各組份的平均體積百分數和各組份在標況下的密度計算得到。承鋼高爐煤氣和焦爐煤氣在標況下的密度分別為 ρN高=1.3580 kg/Nm3、ρN焦=0.5032 kg/Nm3。

高、焦混合煤氣在標況下的密度依高爐煤氣和焦爐煤氣的摻混比例及它們各自在標況下的密度計算得到。假如高爐煤氣和焦爐煤氣的摻混比例為高∶焦=X∶1，則高焦混合煤氣在標況下的密度為:

承鋼高焦混合煤氣在摻混比例分別為2.4∶1和1∶1時，標況密度為 1.1066 kg/Nm3和0.9306 kg/Nm3。

1.2 工況濕煤氣的密度計算

在一定的壓力P、溫度T和相對濕度φ的工作狀態(簡稱工況)，濕氣體的密度為:

式中:ρ為工況下濕氣體的密度;ρg=ρN(P－φPsMax)×TN/(PNTZ)，為濕氣體中的干氣體在溫度為T、壓力為(P －φPsMax)時的密度;ρs= φρsMax，為水蒸氣在溫度為T、壓力為 φPsMax時的密度;ρsMax為溫度 T時飽和水蒸氣的密度，可查飽和水蒸氣密度表得到;ρN為標況下干氣體的密度;P為工作狀態下氣體的絕對壓力(表壓力p+當地大氣壓力)，Pa;PsMax為溫度T時飽和水蒸氣的絕對壓力，可查飽和水蒸氣密度表得到;PN=101325 Pa，為標準大氣壓;T為工作狀態下氣體的絕對溫度(攝氏溫度 t+273.15)K;TN=273.15 K，為絕對零度;φ為相對濕度，%;Z為工作狀態下氣體的壓縮系數。

當相對濕度φ=0時，式(3)即為干氣體在工作狀態下的密度公式。

由于生產工藝的原因，承鋼煤氣的相對濕度為φ=100%。當工作狀態為溫度25℃、表壓力7000 Pa時，承鋼高爐煤氣和焦爐煤氣的密度分別為1.2630 kg/m3和0.4825 kg/m3;當摻混比例分別為2.4∶1 和1∶1 時，高焦混合煤氣的密度分別為1.0334 kg/m3和0.8728 kg/m3(承鋼的當地大氣壓力為97210 Pa，取Z=1，查飽和水蒸氣的密度表可知25℃時，PsMax=3228 Pa、ρsMax=0.02304 kg/m3)。

2 體積流量值的狀態轉換和儀表實現

氣體流量的測量大多采用節流式差壓流量計，以體積流量的形式表示。在節流裝置設計計算給出的原始數據中，體積流量值一般為標準狀態下的數值(包括刻度流量)，通常以Nm3/h為單位。在計算過程中，標況下的流量要轉換成設計工況(在原始設計數據中給出的流體工作狀態，也稱設計工作狀態或設計工況)下的流量，這是因為節流裝置的數據計算是以設計工況下的參數為依據的。

但在儀表顯示時又需要直接顯示出換算成標準狀態下的流量值，統一狀態標準，以便于進行數據的統計分析和比較運算，而不是顯示各自工況下的流量值。因此，在氣柜的容積變化(工況)與輸入或輸出氣柜的儀表累計流量(標況)進行比對時，首先要對數據進行狀態統一。

在設計工況下，流量和差壓的關系為:

根據體積流量的狀態轉換公式ρQ=ρNQN和ρQMax=ρNQNMax，轉換成標準狀態下的流量值為:

當采用Ⅲ型差壓變送器時，Q0N為:

由式(7)可知，要使智能顯示儀表直接顯示出標準狀態下的流量值，須將差壓變送器輸出的電流信號輸入到儀表的流量通道，并組態儀表的流量通道為4～20 mA電流輸入、開方，流量量程為0～QNmax。如果采用智能差壓變送器設置為開方輸出或采用流量變送器時，顯示儀表就選擇不開方或者線性。

如果采用DDZ－Ⅲ型單元組合儀表來顯示標況體積流量，則須先經開方器進行開方運算，再輸出至流量指示積算儀。其流量測量過程如圖1所示。

圖1 單元組合儀表流量測量過程示意圖Fig.1 Flow measurement by unit instruments

在實際應用中，流量指示記錄積算儀可能是1臺儀表，也可能是多臺獨立功能儀表的組合。

需要說明的是，也可以用式(8)計算轉換成標準狀態下的流量值。但是并沒有采用K系數、差壓和密度這3個參數組態和計算流量的儀表產品，所以它只用于理論計算和因密度改變引起量程調整時使用。

本節中Q0、Q0Max為設計工況下的體積流量和刻度流量上限，m3/h;Q0N、QNMax為標況下的體積流量和刻度流量上限，Nm3/h;ρ0、ρN分別為設計工況和標況下的流體密度;ΔP為節流裝置取得的差壓值，Pa;I為差壓變送器輸出的電流值，mA;K是與節流裝置有關的常數。

3 被測流量的溫壓補償和儀表實現

由于客觀的原因，節流裝置不可能被穩定在設計工況的條件下工作。當流體的實際工作狀態(簡稱實際工況)偏離設計工況條件時，就不能用設計工況下流量和差壓的關系計算流量。此時，體積流量和差壓的實際關系為:

式中:Q為實際工況下的體積流量;ρ為實際工況下的流體密度。

由于實際工況的不確定性，流體密度是未知的，而且不易直接測量。但是流體密度和溫度、壓力之間有固定的函數關系，通過間接測量流體的溫度、壓力可達到對密度進行修正的目的。這就是流量測量的溫度、壓力補償(簡稱溫壓補償)。

將實際工況下與設計工況下的流量和差壓的關系式相除，可得:

根據體積流量的狀態轉換公式ρQ=ρNQN，轉換成標準狀態下的流量值為:

當被測流體為常溫低壓氣體時，可以認為是理想氣體。根據理想氣體的狀態方程可知ρ/ρ0=(P/P0)×(T0/T)，代入式(11)，可得:

式中:P0為設計工況下，氣體的絕對壓力;T0為設計工況下氣體的絕對溫度，K。

式(12)即為帶溫度壓力補償的氣體體積流量計算公式。可以看出，補償的實質就是儀表先根據差壓電流值計算出Q0N，再乘以進行修正。這說明流量通道的量程不變，設置不變。當采用智能儀表時，儀表設置為帶溫壓補償。帶溫壓補償的流量測量過程如圖2所示。在實際安裝中，壓力傳感器在節流裝置的上游，溫度傳感器在節流裝置的下游。

圖2 帶溫壓補償的流量測量過程示意圖Fig.2 Flow measurement with temperature and pressure compensation

在流量通道，組態與式(7)無補償的情況相同;在壓力通道，設置為帶壓力補償，組態壓力輸入信號類型(一般4～20 mA)、壓力量程、設計工況壓力值和當地大氣壓等參數;在溫度通道，設置為帶溫度補償，組態溫度信號輸入類型、溫度量程和設計工況溫度值等參數。

補償運算是由單片機來完成的。如果采用DDZ－Ⅲ型單元組合儀表，則需要使用乘除器和開方器，乘除運算關系是ΔP×P/T，以電流或以電壓信號運算，乘除器輸出的信號經開方器進行開方運算，再輸出給流量指示積算儀，即

4 質量流量

氣體的流量測量一般不采用質量流量形式，在此對其原理進行介紹。

由于質量的不變性，所以質量流量不存在狀態轉換的問題，只是在實際工況偏離設計工況時，需要進行溫度壓力補償。

在設計工況下工作即無溫壓補償時，質量流量為:

由式(7)和式(13)、式(12)和式(14)可以看出，質量流量和標準狀態下體積流量的實現方法相同，溫壓補償修正系數也相同。修正系數相同，實現方法就一樣。這對于智能儀表，有利于統一軟件和組態;對于單元組合儀表，有利于統一方法和設備。當然還有一些儀表廠家，為了體現其技術的神秘性，對此補償修正系數進行了各種等價變換，都可以在分析時恢復成基本形態。

5 流量量程調整

承鋼高焦混合煤氣原設計是按高∶焦=2.4∶1的摻混比例向二級用戶供應混合煤氣，當時的節流裝置都是按此流體條件設計計算的，后因各生產用戶的工藝需求，改為按高∶焦=1∶1的摻混比例供應混合煤氣。這就使我們必須對節流裝置的量程參數進行調整。

根據式(8)，在相同的差壓下，當高焦比為1∶1和2.4∶1 時，體積流量之比為:

在設計工作狀態為溫度25℃、表壓力7000 Pa時，比值為:

即當高焦混合煤氣摻混比例由設計的2.4∶1變為實際的1∶1時，節流裝置的流量增加到原來的1.0928倍。這就需要把顯示儀表的量程也相應地擴展為原來的1.0928 倍。

另外，由于工藝需求原因造成流量有較大改變時，為了保證測量精度，也需要根據流量和差壓的開方關系，對差壓量程和流量量程進行適當的調整。即流量量程的調整倍數等于差壓量程調整倍數的平方根。

6 計算機實現準確測量

采用常規儀表對混合煤氣的流量測量存在兩點不足:一是摻混比例的變化需要重新計算調整儀表的流量量程或差壓量程并校準;二是用常規儀表進行濕氣體(包括混合煤氣)流量的溫壓補償是一種近似補償，因為混合煤氣含有大量的飽和水蒸氣，濕度達到100%，濕氣體的密度變化是不滿足理想氣體的狀態方程的。要實現混合煤氣的準確計量，可以在能源數據網絡中用計算機軟件來實現，但是如果在生產現場都用計算機來實現那就不合適了。

用計算機進行混合煤氣流量計算可依據式QN=和式(3)編程實現，即:

式中:ΔP、P、T為變量，可以通過實測取得;其余為參數項，可以通過計算或查表得到。

另外，還有提出根據混合煤氣的熱值反算摻混比例自動進行密度補償的，用以自動修正摻混比例的變化引起的密度變化;或通過熱值儀測量混合煤氣的熱值，根據高爐煤氣和焦爐煤氣的固定熱值計算摻混比例，再根據式(2)計算混合煤氣的密度。這些都只能通過計算機來實現。但是摻混比例的變化并不是影響熱值和密度的唯一因素，采用時需要慎重考慮。

7 結束語

本文所述的內容對于指導實踐中根據現有設備選擇適合的測量方法、實現正確測量、有效進行誤差分析和修正、提高測量準確性、滿足工藝需求、達到計量精度和成本核算的要求是至關重要的，對所有的氣體能源介質的流量測量都具有普遍的適用性和實際的指導意義。

承鋼的混合煤氣流量測量，在現場使用常規儀表，根據實際工況進行量程調整和溫度壓力的補償，數據作為三級計量供工藝參考使用;同時，把原始數據通過網絡傳遞到計算機，通過計算機計算流量，在能源數據網上顯示，結果作為二級計量的廠際間結算使用，效果良好。

當然，高爐煤氣和焦爐煤氣的密度是通過多次組分化驗分析取得的平均值，并不是一成不變的，無論采用常規儀表，還是計算機進行流量測量，由密度取值造成的系統誤差均不可能完全消除。

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