摘 要： 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)。
關(guān)鍵字： 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。由于轉(zhuǎn)爐、高爐、焦?fàn)t生產(chǎn)的工藝條件發(fā)生變化，會造成煤氣產(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)，這勢必會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。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。實(shí)踐證明，對于一定形狀和尺寸，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。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：
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。
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，即使壓力差的測量化對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。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)算必然會出現(xiàn)較大的計(jì)量誤差。因此，在混合煤氣流量測量中對密度補(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)，就會產(chǎn)生誤差。因此，在對混合煤氣流量計(jì)量時(shí)需要對密度進(jìn)行補(bǔ)償。
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)的變化會引起密度的變化，從以上分析可知密度對節(jié)流式流量計(jì)有很大影響。通過以上對節(jié)流式流量計(jì)的誤差分析可知，密度和壓力差對節(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)格也會較高，所以在這里只在總管上增加一臺，以達(dá)到即能節(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)信號輸出煤氣流量，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對這些流量信號進(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），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，
即
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：
變換上式可得：
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#空氣支管，下部燃燒室與上部燃燒室類似，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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