混合煤气流量监测及其在线补偿.doc

安 徽 工 业 大 学 毕 业 设 计 （论 文） 说 明 书混合煤气流量监测及其在线补偿3.1 问题的提出梅山钢铁公司煅烧石灰采用的套筒式石灰窑，上下两层，共有12燃烧室。气烧套筒窑以转炉煤气为燃料,使得钢铁厂的二次能量得到充分利用。同时,生产中产生的污染物比使用固体燃料相比大为减少,带来了不可忽视的环境效益和社会效益。套筒石灰窑的操作主要是控制循环气体温度，即通过控制循环气体的温度来调节煅烧状况进而保证石灰质量。而循环气体温度的稳定是通过调节供热煤气流量来予以实现，但是，由于煅烧石灰燃料采用的是混合煤气，由于工艺条件发生变化或其它原因，将会导致混合煤气的混合比随时改变。以高炉、焦炉、转炉混合煤气来说，由于气体的密度、动力学粘度等热力学性质不尽相同，因而造成混合煤气的密度等热力学参数也在不断发生变化，而目前国内大部分企业都采用孔板式差压流量计来计量监测混合煤气的流量。作为一套已设计定型的节流装置来说，其设计压力、温度、刻度流量、介质密度、动力粘度等参数是固定不变的。而节流装置在实际应用过程中，介质的实际工作压力、温度也不会总保持在设计的温度和压力附近，经常出现很大的波动，因此，在生产过程中，混合煤气的密度等热力学参数的不断变化将会导致测量数据出现很大偏差，从而给煅烧供热调节带来一定的影响，使石灰工序能耗增加，石灰质量不稳定。为使在煅烧过程中实际供热与理论要求一致，煤气的流量测量一定要与实际相符，这就要求孔板流量计测量过程中对煤气密度、压力、温度等热力学参数进行在线补偿。这对于提高活性石灰的质量、改善冶炼条件、提高钢水质量、充分利用好二次能源（高、焦、转炉回收煤气）以及减少石灰煅烧过程热能消耗都具有重要意义。3.2 影响计量精度的因素分析梅钢石灰窑采用的就是环形套筒石灰窑。套筒窑的燃烧室设在石灰窑窑体的中部，并分为上下两层，上层的称为上部燃烧室，下层的称为下部燃烧室，上下两层燃烧室错开均布，共12个，燃料在燃烧室内燃烧，将高温燃烧废气送入窑内，从而使从石灰窑顶部加入的原料石灰石在下降的过程中得到均匀的加热。只要合理控制加热温度，就能烧制出质量较好的石灰。而温度主要是通过控制混合煤气的流量来控制的，因此，煤气流量的检测具有举足轻重的意义。下面以500TPD ASK（Annular Shaft Kiln）窑为例，其供气流量检测系统示意图如图3-1所示：图3- 1 梅钢石灰窑供气流量检测系统示意图由示意图可以看出，煤气由总管由12条支管分别向上下两层燃烧室供气，总管及支管均是采用孔板流量计计量煤气流量。而孔板流量计检测煤气流量时是设煤气的密度为一确定值，并通过测量流过孔板的煤气的压力变化计算出煤气的体积流量12。下面，本文根据孔板流量计测量流体流量的一般计量公式来简单分析其测量误差存在机理及解决方法。孔板流量计的计量公式： (3-1)式(3-1)中：为孔板流量计的体积流量；C为流出系数，为孔板孔径与管道内径之比，d为孔板孔径，D为煤气管道内径；为可膨胀性系数；为孔板前后的差压；为孔板入口端煤气密度。由孔板流量计的基本计量公式可知影响孔板流量计进行煤气计量的主要因素有：流出系数C，可膨胀系数，孔板前后的差压，煤气的密度，孔板孔径d及孔板孔径与管道内径之比。下面分别分析这些因素对煤气流量测量的影响：对于确定的孔板和被测介质，式(3-1)中均为已知常数, 则孔板流量计的体积流量和差压就为开平方关系。对流量的影响都举足轻重，在实测中一定要保证的高测量精度。但在实际测量时，并不是常数, 它们与被测气体的温度、压力及成分变化等有关。目前直接在线测量这些参数十分困难。因此，对于单一流体, 在一定温度、压力范围内，变化较小，其影响也较小, 一般可忽略不计；密度的变化及影响不可忽略，且与气体的温度、压力有关，所以一般通过测量温度和压力，并使用理想气体状态方程计算出密度进行间接补偿。但如果所测气体是混合气体, 只做温度、压力的补偿是达不到要求的。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, 密度也已经发生了较大变化, 如果仍用原来的参数计算必然导致较大的测量误差13。由公式(3-1)可知，密度和差压处于同样重要，如果计算时所采用的密度值不准，即使差压的测量精度较高，测量结果也达不到较高的精度。差压的测量精度孔板流量计本身可以保证，所以影响石灰窑混合煤气流量检测精度的主要因素就体现在由于混合比及温度、压力变化导致密度的变化上。因此，在混合煤气流量测量中对密度补偿至关重要。3.3 混煤流量补偿校正方案的制定通过对孔板流量计的误差分析可知，影响其检测精度的主要因素是检测对象的密度及差压。差压的精度孔板流量计本身可以保证，因此影响孔板流量计测量精度的主要因素就是密度。为此，本文提出一种基于补偿原理的混合煤气流量在线检测校正方案，如图3-2所示，采用一台高精度的基准流量计对总管的煤气流量进行检测。选用高精度基准流量计是因为其具有量程比高、精度高、无压损、可测湿气体和重复性高等优点，通过总管高精度基准流量计与原有的孔板流量计的实时检测值可推算出煤气密度的实时变化量，进而对各个燃烧室的分管孔板流量计进行煤气密度的在线补偿，从而达到提高混合煤气流量检测精度以及有效降低系统改造投资成本、提高经济效益的目的。图3- 2 梅山石灰窑煤气流量检测系统设计方案示意图图3-3为梅钢石灰窑煤气流量检测补偿系统具体实施方案。如图所示系统通过现场PLC的A/D模块把孔板流量计测量的混煤流量送到上位机中进行分析换算，运用补偿算法，通过D/A模块送到现场，来调节各支管的混煤流量。图3- 3 梅钢石灰窑煤气流量检测补偿系统实施方案3.3.1基准流量计的选择在上述设计方案中，主要是依据基准流量计所测总管煤气流量，从而推出各支管在增加基准流量计后的煤气流量，从而实现对各支管流量的在线补偿。所以基准流量计既要满足较高的精度要求，还要适合测量煤气流量，因此基准流量计的选择至关重要。本节主要从分析主要流量仪表的应用范围出发，来分析基准流量计的选用。为了选择到性能稳定、价格合理的测试仪表，需要对几种常用的流量计进行分析比较。在工业生产实际应用中，目前常用的流量计有转子流量计、电磁流量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计、热式气体质量流量计、热式气体质量流量计、超声波流量计等。(1) 转子流量计采用浮子原理可对液体和气体的流量进行测量。在工业应用中转子流量计的测量范围可达：空气为510-4m3/h300m3/h，水为410-5m3/h150m3/h。转子流量计主要应用在化学工业、石油化工、医药计量、机器和仪器制造、食品工业以及水处理等领域的实验分析和过程控制。(2)电磁流量计可检测一般液体和带有固体颗粒、糊状材料及带有泥浆沉积物的液体。它的使用范围受到最小导电率的限制，被测液体必须具有一定的导电率。电磁流量计不适用于测碳氢化合物，如汽油、石油等。(3)涡街流量计能按照卡尔曼涡街原理测量粘度很小的液体、气体和蒸汽的体积流量。形成涡街的前提是管道中的流动液体必须处于紊流状态。(4)科里奥利质量流量计可直接测量质量流量，还可附加检测流体密度和介质温度。但其价格昂贵并且复杂几何形状的测量弯管使压力损耗增大，强烈的机械振动和冲击会影响流量计的机械装置，严重时会产生较大的测量误差。(5)热式气体质量流量计是利用气体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热气体时气体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的。它不需要进行压力和温度修正，直接测量气体的质量流量，是真正的直接式质量流量计。热式质量流量计适用已知截面积的任意形状管道，适合测量腐蚀性气体，还可用于极低气体流量监测和控制。(6)超声波流量计在原理上可用两种方法进行测量：多普勒效应方法和时差测量方法。多普勒效应方法需要流体中含有反向物质。由于在流体中反向物质的性能不稳定，到目前为止，这种方法仅在少数场合得到应用。时差测量方法在工业界应用已有30多年历史。它具有精度高和可靠性好的特点。除了测量体积流量外，同时还能导出超声波在被测流体中的传播速度。在工业界，超声波流量计用于气体、液体和蒸汽体积的测量已有几十年的历史。应用范围从原来的污水测量扩展到天然气、空气、甲烷、氮气、氨气、磷酸和重油的测量，还可以测量纯净水和油水混合物。综合考虑了各种流量计的性能应用范围后，科里奥利质量流量计和超声波流量计均可作为基准流量计。但考虑到梅钢石灰窑原检测系统是采用孔板流量计进行测量，所测为体积流量。超声波流量计所测也为体积流量，所以采用超声波流量计比质量流量计更容易实现。所以最终确定选用超声波流量计为基准流量计。下面从超声波流量计的测量原理及其优点两个方面简述为何选择超声波流量计为基准流量计。3.3.2超声波流量计一、超声波流量测量原理超声波流量计根据测量原理的不同，可以具有不同的形式。它们所依据的原理有：传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法、流速液面法。本节仅讨论工程中应用较多的多勒法和传播速度差法超声波流量计的工作原理。1、多普勒超声波流量计多普勒超声流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的，多普勒效应可表述为：当发射器和接收器之间有相对运动时，接收器的接收声频率与发射器的发射声频率之差和两者之间的相对速度成正比。多普勒超声流量计的测量原理如图 3-4所示。发射换能器1以一定的角度发射出频率为的超声波信号，经过管道内流体中的悬浮颗粒或气泡将声波反射到接收换能器2，反射后的频率会发生偏移，反射到换能器2上的频率将变为。与之差即为多谱勒频差。图3- 4 多谱勒效应超声波流量计测量原理图设流体流速是，超声波在流体中声速是，多谱勒频差为，频差正比于流体流速，即： （3-2） （3-3）所以当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，即为常数，流体流速和多谱勒频差成正比，通过测量频差就可得到流体流速，再乘以管道截面积就可以求得流体流量。2、传播速度差法超声波流量计传播速度差法超声波流量计测量流体流量的基本原理是超声波在流体中顺流传播的时间和超声波在流体中逆流传播的时间的差值与被测流体的速度有关，进而求出流速的方法。按所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差法、相位差法和频差法。（1）时差法超声波流量计的两个换能器（换能器1和换能器2）以一定的间距L安装在管壁外，交替发射和接受超声波，见图3-5。图3- 5 时差式超声波流量计测量原理图当声波在静止的流体中传播时，从换能器1到换能器2的声波信号的传送时间与从换能器2到换能器1的声波信号的传送时间应该是相同的；但是当流体是流动状态时，上面的换能器1向下面的换能器2发射一个信号，而与此同一时间，下面的换能器2也会向上面的换能器1发射一个信号。我们可以看到，流体流速会对超声波信号产生一定的作用，它会加快从换能器1到换能器2信号的传播速度，同时将减慢从换能器2到换能器1信号的传播速度，这样两个信号之间就会产生时间差，根据这个时间差通过一定的换算关系就可以求得流体的流速，不考虑其它因素时，流体的流速乘以管道的流通横截面积，就能算出流体的流量。两个换能器之间的距离是超声波的传播声程。超声波在两个换能器之间的顺流传播和逆流传播时间分别为： (3-4) (3-5)为超声波声程与管道轴线间的夹角，超声波在流体中声速是C由式(3-3)和(3-4)可得：因为超声波在流体中声速远远大于流体本身的流速，而一定小于或等1，所以上式中分母的第二项可以忽略不计，这样根据上式就可以得到流速的计算公式： (3-6)因为在式(3-5)中，声速、传播声程L以及超声波声程与管道轴线间的夹角都是常数，所以从公式可以看出，流体在管道中的平均流速与超声波在流体中顺流和逆流之间的传播时间差存在着线性关系，与介质本身传播速度没有关系。所以，只要分别在顺流和逆流方向上测量出超声波的传播时间，就可以通过计算得出流体的流速，进而通过流体管道的截面积和雷诺数对流体进行动力学方面的校正后得到流体的流量。（2）相位差法相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系： (3-7)通过测量顺流和逆流两个方向上接收波的相位差来实现流体流速的测量，从而求得流体流量。（3）频差法频差法是由顺流发射的一组超声波发生器T1和接收器R1，另一组逆流的T2和R2各自组成发射接收的闭路循环系统，其发射接收的频率分别为：；由以上两式可得： (3-8)由此可通过测量一定时间内两组闭路循环系统中的循环频率之差来测得流速，进而能求出流体流量。二、超声波流量计主要优点超声波流量计的主要优点有：1、能测大多数气体和液体；2、测量精度高，所测流量与流体的粘度、温度、压力、导电率等因素无关；3、管道截面无需缩小；4、由于管道中无阻挡物，因此无附加的压力损耗；5、能采用流过的介质体积流量对流量计进行直接标定；6、通过测量能得到有关材料性能或成分的附加信息；7、低功耗，性能价格比合理。由于气体超声波流量计量程比宽，相对于孔板流量计可以简化工艺管路。相关的调压设备、阀门、变送器等都相应减少，可节省投资。再者，采用超声波流量计对混合煤气流量进行测量，已在多家企业得到成功应用。所以综合考虑后，选用超声波流量计作为基准流量计。3.4 混合煤气流量的补偿原理通过以上对孔板流量计的误差分析可知，影响其检测精度的主要因素是检测对象的密度及差压。差压的精度孔板流量计本身可以保证，因此影响孔板流量计测量精度的主要因素就是密度。下面分析密度变化时以超声波流量计为基准的优化补偿算法，以实现各支管煤气流量的在线修正。3.4.1 密度补偿设总管上超声波流量计所测混合煤气流量是，而总管上孔板流量计所测流量为，当煤气是以设计状态(此时煤气的密度设为)流经孔板时，孔板产生差压，此时的瞬时流量（实际流量）设为。总管上孔板流量计所测煤气流量的计算是以密度来计算的，因此此时，总管上孔板流量计所测煤气流量为： (3-9)当煤气偏离设计状态（设此时的煤气密度为）流经孔板时，孔板产生差压仍然是，此时的实际流量应该是瞬时流量，但是这时，总管上的孔板流量计显示的流量仍然是，但实际流量应该用下面的公式(3-10)来计算， (3-10)孔板流量计的计量精度理论上可以达到1% 但是通过大量的实践证明，由于孔板流量计抗干扰能力较差,现场精度最高能达到2% ，一般情况下在3% 左右。而超声波流量计的现场精度可以达到0.5% 甚至更高。所以可认为超声波流量计所测流量即为混合煤气的实际流量，即。(3-10)式比(3-9)式可得： (3-11)因为总管在输送煤气的过程中，煤气的温度、压力变化都比较小，那么从总管输送到各支管的煤气密度基本上就不会变化，所以其余12个支管内的煤气密度仍可假设为，再设其余12条支管上的孔板流量计所测的煤气流量分别为，相对应的实际流量分别为，现仅以支管1为例（其余支管补偿方式相同，以下不再赘述）则根据式(3-11)有： (3-12)变换式(3-12)可得： (3-13)式(3-13)为支管1所用孔板流量计测得的煤气流量，为超声波流量计所测总管煤气流量，为总管孔板流量计所测煤气流量，为支管1的实际煤气流量。所以用式(3-13)可以实现对所有支管煤气流量的在线补偿。3.4.2 压力、温度补偿对于一般的气体，在温度不太高和压力不太大的情况下可将其视为理想气体。理想气体的状态方程： (3-14) 其中，P为气体压力；V为气体体积；n为气体物质的量；R为摩尔气体常量；T为绝对温度。其中n=m/M，m为气体的质量，M为气体的摩尔质量。把n=m/M代入式(3-14)可得：PV=mRT/M变换上式可得： 即 (3-15)设孔板流量计设计工况时的密度、压力、温度分别为0，P0，T0，则满足方程 (3-16)式(3-15)比(3-16)可得： (3-17)由式(3-11)、(3-17)可得： (3-18)由式(3-13)和式(3-18)可得： (3-19)式(3-19)即为压力、温度变化时的流量补偿算式。目前，很多石灰窑的煤气流量检测已采用计算机系统采集检测数据，设计压力P0、温度T0这两个参数是已知的，可由人工输入计算机系统，工作压力P和工作温度T以及总管孔板流量计所测煤气流量Q、超声波所测流量Q、支管1孔板流量计所测流量这些实时变化参数可通过相应传感器仪表进行在线检测，由模拟量输入模块送入计算机系统，这时检测系统的设计方案只需在支管上加压力和温度检测装置，就可以实现对混合煤