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 技术论文


混合煤气系统流量测量问题的研究

谢 文   梁碧青

(济南钢铁集团总公司 计量管理处,山东 济南 250101)

摘要:多组分时变流体流量的测量是一个工业测量难题,文章讨论了钢铁企业中多组分时变流体——混合煤气的流量测量过程中的主要误差来源及数据修正方法。

关键词:混合煤气;流量;显示值;实际值;混合比;修正

1.问题的提出

混合煤气系统是钢铁联合企业中应用极为普遍的能源供应系统,目前国内冶金企业中混合煤气的流量检测主要采用标准节流装置及配套仪表系统,然而该系统的显示值与实际值相差很大,导致计量数据的可用性、准确性极差。混合煤气系统的流量测量问题成为国内计量检测的一大难点。

2.分析及解决方案

钢铁企业的混合煤气系统一般是由高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等多组分混合而成,设计时假想混合比是一定的,但实际运行过程中常常是每时每刻都在变化之中,且混合煤气的温度及压力也在不断变化,往往与原设计条件不符,因而是一种多组分时变流体。对于一套按一定工艺条件设计的标准节流式流量测量系统而言,这些变化均将引入误差。

那么对于一套已设计加工成套的标准节流式流量测量系统,当混合煤气系统的混合比、工作温度、压力等实际工作状态与设计状态不符时,仪表显示值与理论真值之间究竟是何关系?下面我们分别讨论一下。

2.1 关于混合比的影响分析

混合比的变化事实上就是混合气体组分的变化,表现为气体组分密度的变化 。

对于在标准状态下相同体积流量(qv)的不同组分的混合气体A和B,其质量流量是不同的(即qmA≠qmB),但它们在同一工作状态(相同的工作温度和工作压力)下的体积流量却是相同的。即

  (1)

对于一套标准节流装置,根据气体流量的基本方程

   (2)

其中 qv为体积流量,m3/h ;α 为流量系数,无量纲; ε 为可膨胀性系数; β 为直径比,β=d/D; △p 为差压, Pa;ρ 为流体的密度,kg/m3; d 为工作条件下节流件的节流孔或喉部直径,mm。

可知,流经 A 气体时     (3)

流经 B 气体时     (4)

对于为A气体设计的标准节流装置流经B气体时,测量系统检测的差压信号是无区别的,即

   (5)

因此,    (6)

对于该测量系统,显示值为qvn(设计的标准状态体积流量),实际值应为q'vn(实际的标准状态体积流量),由(6)和气体状态方程可得

   (7)

由此可知,对于因组分变化而导致的密度变化的气体而言

① 当 ρ '< ρ 时, qvn < q'vn ,显示值偏小。

② 当 ρ '> ρ 时, qvn> q'vn ,显示值偏大。

③ 当ρ '= ρ 时, qvn = q'vn ,显示值准确。

2.2 关于温压变化的影响分析

对标态下同一体积流量的同种气体不管其工作温度、压力如何变化,其质量流量是不变的;而在不同的工作状态下( p,T 和 p',T' ),其工态体积及其工态密度却是不同的。即

   (8)

根据气体状态方程     (9)

可得:   (10)

对于在( p,T)状态下设计的标准节流装置,当其流经(p',T')状态的气体时,由(6),(10)式可得:

   (11)

同样可得    (12)

对于因温度压力变化而导致的密度变化的气体而言:

①当 T = T' ,p'> p 时 , qvn < q'vn ,显示值偏小。

②当 T = T' ,p'< p 时 , qvn > q'vn ,显示值偏大。

③当 p = p' ,T'< T 时 , qvn < q'vn ,显示值偏小。

④当 p = p' ,T'> T 时 , qvn > q'vn ,显示值偏大。

⑤当 p = p' ,T'=T 时 , qvn = q'vn ,显示值准确。

由上述讨论可知,对于一个实际混合煤气系统而言,有下式存在:

其中 q'vn 为测量系统的实际值,(标准状态)m3/h;qvn 为测量系统的显示值(设计的体积流量,标准状态)m3/h;ρ 为混合煤气设计组分下的密度,kg/m3;ρ '为混合煤气实际组分下的密度,kg/m3 ;p 为混合煤气设计工作状态下的压力,Pa; p'为混合煤气实际工作状态下的压力,Pa;T为混合煤气设计工作状态下的温度,K;T'为混合煤气实际工作状态下的温度,K;Z,Z'为压缩系数,无量纲。

2.3 混合煤气系统温、压、密修正公式的应用

我公司混合煤气系统原设计是高炉煤气和焦炉煤气按 2 :1 的体积混合而成的,其检测系统大多是按照此比例设计的,随着公司生产设备条件的变化,该系统逐步变为混合比多变的系统,混合气体的组分密度波动变化极大,导致显示值严重失准,发生量与消耗量严重不平衡,计量数据无法直接用于企业核算。

依照上述公式,对于 a 体积的高炉煤气、b 体积的焦炉煤气和 c 体积的转炉煤气混合而成的混合气体流过依 2 :1 高焦体积比设计的标准节流装置,存在:

将上式用于实际的的计量数据日分析修正后,混合煤气系统基本平衡,取得了良好的效果。

3. 结束语

在钢铁企业中,应用节流装置进行混合煤气系统流量测量时,应当考虑混合比、温度及压力变化对测量系统造成的影响,需要对计量数据进行修正。实践证明以上的修正办法是可行的,提高了计量数据的可用性。

 

 
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