混合煤气流量测量的计算过程和实现方法

刘卫军 陈丽燕 李 玲 张艳艳 张心滨

(河北钢铁集团承钢公司，河北 承德 067002)

0 引言

流量既是工业生产中重要的工艺参数，也是企业成本核算的重要指标，实现能源介质流量的准确测量是一项重要而艰巨的任务。

在气、液两类能源介质中，气体流量测量的难度更大，测量方式多采用节流式差压流量计，通常涉及温度、压力和差压3个变量的检测，并包含大量的数学计算。

在实际应用中，除了按规范要求完成多设备设施的安装、连接，单体和整体设备调试之外，还必须掌握各项参数的计算、不同状态间的转换、温度压力补偿、差压与流量量程的调整以及采用不同设备的实现方法、理论公式和应用公式之间的演变及公式中各项变量的实际意义。

混合煤气属于混合型湿气体，工况条件比较复杂，如掺混比例的变化、温度压力的变化和湿度的变化等，其流量测量更具有代表性和实际意义。

1 混合煤气的密度计算

高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气是钢铁冶金企业常见的3种煤气资源。混合煤气一般由高炉煤气和焦炉煤气按一定的体积比例掺混而成，其密度计算包括标况下干高炉煤气和干焦炉煤气的密度计算、按一定比例掺混后的干混合煤气的密度计算和工况下混合湿煤气密度的计算，密度单位均为kg/m3，标况时表示为kg/Nm3。

1.1 标况干煤气的密度计算

高炉煤气、焦炉煤气和混合煤气都属于混合气体，混合气体的密度服从叠加规律，即:

式中:ρ混为混合气体的密度;ρ1，ρ2，…，ρn为混合气体各组分的密度;v1，v2，…，vn为混合气体各组分的体积百分数，%。

标准状态一般是指0℃、1标准大气压(101325 Pa)的状态(简称标况)，常用大写字母N表示。高炉煤气和焦炉煤气在标况下的密度，依多次煤气组份分析得到的各组份的平均体积百分数和各组份在标况下的密度计算得到。承钢高炉煤气和焦炉煤气在标况下的密度分别为 ρN高=1.3580 kg/Nm3、ρN焦=0.5032 kg/Nm3。

高、焦混合煤气在标况下的密度依高炉煤气和焦炉煤气的掺混比例及它们各自在标况下的密度计算得到。假如高炉煤气和焦炉煤气的掺混比例为高∶焦=X∶1，则高焦混合煤气在标况下的密度为:

承钢高焦混合煤气在掺混比例分别为2.4∶1和1∶1时，标况密度为 1.1066 kg/Nm3和0.9306 kg/Nm3。

1.2 工况湿煤气的密度计算

在一定的压力P、温度T和相对湿度φ的工作状态(简称工况)，湿气体的密度为:

式中:ρ为工况下湿气体的密度;ρg=ρN(P－φPsMax)×TN/(PNTZ)，为湿气体中的干气体在温度为T、压力为(P －φPsMax)时的密度;ρs= φρsMax，为水蒸气在温度为T、压力为 φPsMax时的密度;ρsMax为温度 T时饱和水蒸气的密度，可查饱和水蒸气密度表得到;ρN为标况下干气体的密度;P为工作状态下气体的绝对压力(表压力p+当地大气压力)，Pa;PsMax为温度T时饱和水蒸气的绝对压力，可查饱和水蒸气密度表得到;PN=101325 Pa，为标准大气压;T为工作状态下气体的绝对温度(摄氏温度 t+273.15)K;TN=273.15 K，为绝对零度;φ为相对湿度，%;Z为工作状态下气体的压缩系数。

当相对湿度φ=0时，式(3)即为干气体在工作状态下的密度公式。

由于生产工艺的原因，承钢煤气的相对湿度为φ=100%。当工作状态为温度25℃、表压力7000 Pa时，承钢高炉煤气和焦炉煤气的密度分别为1.2630 kg/m3和0.4825 kg/m3;当掺混比例分别为2.4∶1 和1∶1 时，高焦混合煤气的密度分别为1.0334 kg/m3和0.8728 kg/m3(承钢的当地大气压力为97210 Pa，取Z=1，查饱和水蒸气的密度表可知25℃时，PsMax=3228 Pa、ρsMax=0.02304 kg/m3)。

2 体积流量值的状态转换和仪表实现

气体流量的测量大多采用节流式差压流量计，以体积流量的形式表示。在节流装置设计计算给出的原始数据中，体积流量值一般为标准状态下的数值(包括刻度流量)，通常以Nm3/h为单位。在计算过程中，标况下的流量要转换成设计工况(在原始设计数据中给出的流体工作状态，也称设计工作状态或设计工况)下的流量，这是因为节流装置的数据计算是以设计工况下的参数为依据的。

但在仪表显示时又需要直接显示出换算成标准状态下的流量值，统一状态标准，以便于进行数据的统计分析和比较运算，而不是显示各自工况下的流量值。因此，在气柜的容积变化(工况)与输入或输出气柜的仪表累计流量(标况)进行比对时，首先要对数据进行状态统一。

在设计工况下，流量和差压的关系为:

根据体积流量的状态转换公式ρQ=ρNQN和ρQMax=ρNQNMax，转换成标准状态下的流量值为:

当采用Ⅲ型差压变送器时，Q0N为:

由式(7)可知，要使智能显示仪表直接显示出标准状态下的流量值，须将差压变送器输出的电流信号输入到仪表的流量通道，并组态仪表的流量通道为4～20 mA电流输入、开方，流量量程为0～QNmax。如果采用智能差压变送器设置为开方输出或采用流量变送器时，显示仪表就选择不开方或者线性。

如果采用DDZ－Ⅲ型单元组合仪表来显示标况体积流量，则须先经开方器进行开方运算，再输出至流量指示积算仪。其流量测量过程如图1所示。

图1 单元组合仪表流量测量过程示意图Fig.1 Flow measurement by unit instruments

在实际应用中，流量指示记录积算仪可能是1台仪表，也可能是多台独立功能仪表的组合。

需要说明的是，也可以用式(8)计算转换成标准状态下的流量值。但是并没有采用K系数、差压和密度这3个参数组态和计算流量的仪表产品，所以它只用于理论计算和因密度改变引起量程调整时使用。

本节中Q0、Q0Max为设计工况下的体积流量和刻度流量上限，m3/h;Q0N、QNMax为标况下的体积流量和刻度流量上限，Nm3/h;ρ0、ρN分别为设计工况和标况下的流体密度;ΔP为节流装置取得的差压值，Pa;I为差压变送器输出的电流值，mA;K是与节流装置有关的常数。

3 被测流量的温压补偿和仪表实现

由于客观的原因，节流装置不可能被稳定在设计工况的条件下工作。当流体的实际工作状态(简称实际工况)偏离设计工况条件时，就不能用设计工况下流量和差压的关系计算流量。此时，体积流量和差压的实际关系为:

式中:Q为实际工况下的体积流量;ρ为实际工况下的流体密度。

由于实际工况的不确定性，流体密度是未知的，而且不易直接测量。但是流体密度和温度、压力之间有固定的函数关系，通过间接测量流体的温度、压力可达到对密度进行修正的目的。这就是流量测量的温度、压力补偿(简称温压补偿)。

将实际工况下与设计工况下的流量和差压的关系式相除，可得:

根据体积流量的状态转换公式ρQ=ρNQN，转换成标准状态下的流量值为:

当被测流体为常温低压气体时，可以认为是理想气体。根据理想气体的状态方程可知ρ/ρ0=(P/P0)×(T0/T)，代入式(11)，可得:

式中:P0为设计工况下，气体的绝对压力;T0为设计工况下气体的绝对温度，K。

式(12)即为带温度压力补偿的气体体积流量计算公式。可以看出，补偿的实质就是仪表先根据差压电流值计算出Q0N，再乘以进行修正。这说明流量通道的量程不变，设置不变。当采用智能仪表时，仪表设置为带温压补偿。带温压补偿的流量测量过程如图2所示。在实际安装中，压力传感器在节流装置的上游，温度传感器在节流装置的下游。

图2 带温压补偿的流量测量过程示意图Fig.2 Flow measurement with temperature and pressure compensation

在流量通道，组态与式(7)无补偿的情况相同;在压力通道，设置为带压力补偿，组态压力输入信号类型(一般4～20 mA)、压力量程、设计工况压力值和当地大气压等参数;在温度通道，设置为带温度补偿，组态温度信号输入类型、温度量程和设计工况温度值等参数。

补偿运算是由单片机来完成的。如果采用DDZ－Ⅲ型单元组合仪表，则需要使用乘除器和开方器，乘除运算关系是ΔP×P/T，以电流或以电压信号运算，乘除器输出的信号经开方器进行开方运算，再输出给流量指示积算仪，即

4 质量流量

气体的流量测量一般不采用质量流量形式，在此对其原理进行介绍。

由于质量的不变性，所以质量流量不存在状态转换的问题，只是在实际工况偏离设计工况时，需要进行温度压力补偿。

在设计工况下工作即无温压补偿时，质量流量为:

由式(7)和式(13)、式(12)和式(14)可以看出，质量流量和标准状态下体积流量的实现方法相同，温压补偿修正系数也相同。修正系数相同，实现方法就一样。这对于智能仪表，有利于统一软件和组态;对于单元组合仪表，有利于统一方法和设备。当然还有一些仪表厂家，为了体现其技术的神秘性，对此补偿修正系数进行了各种等价变换，都可以在分析时恢复成基本形态。

5 流量量程调整

承钢高焦混合煤气原设计是按高∶焦=2.4∶1的掺混比例向二级用户供应混合煤气，当时的节流装置都是按此流体条件设计计算的，后因各生产用户的工艺需求，改为按高∶焦=1∶1的掺混比例供应混合煤气。这就使我们必须对节流装置的量程参数进行调整。

根据式(8)，在相同的差压下，当高焦比为1∶1和2.4∶1 时，体积流量之比为:

在设计工作状态为温度25℃、表压力7000 Pa时，比值为:

即当高焦混合煤气掺混比例由设计的2.4∶1变为实际的1∶1时，节流装置的流量增加到原来的1.0928倍。这就需要把显示仪表的量程也相应地扩展为原来的1.0928 倍。

另外，由于工艺需求原因造成流量有较大改变时，为了保证测量精度，也需要根据流量和差压的开方关系，对差压量程和流量量程进行适当的调整。即流量量程的调整倍数等于差压量程调整倍数的平方根。

6 计算机实现准确测量

采用常规仪表对混合煤气的流量测量存在两点不足:一是掺混比例的变化需要重新计算调整仪表的流量量程或差压量程并校准;二是用常规仪表进行湿气体(包括混合煤气)流量的温压补偿是一种近似补偿，因为混合煤气含有大量的饱和水蒸气，湿度达到100%，湿气体的密度变化是不满足理想气体的状态方程的。要实现混合煤气的准确计量，可以在能源数据网络中用计算机软件来实现，但是如果在生产现场都用计算机来实现那就不合适了。

用计算机进行混合煤气流量计算可依据式QN=和式(3)编程实现，即:

式中:ΔP、P、T为变量，可以通过实测取得;其余为参数项，可以通过计算或查表得到。

另外，还有提出根据混合煤气的热值反算掺混比例自动进行密度补偿的，用以自动修正掺混比例的变化引起的密度变化;或通过热值仪测量混合煤气的热值，根据高炉煤气和焦炉煤气的固定热值计算掺混比例，再根据式(2)计算混合煤气的密度。这些都只能通过计算机来实现。但是掺混比例的变化并不是影响热值和密度的唯一因素，采用时需要慎重考虑。

7 结束语

本文所述的内容对于指导实践中根据现有设备选择适合的测量方法、实现正确测量、有效进行误差分析和修正、提高测量准确性、满足工艺需求、达到计量精度和成本核算的要求是至关重要的，对所有的气体能源介质的流量测量都具有普遍的适用性和实际的指导意义。

承钢的混合煤气流量测量，在现场使用常规仪表，根据实际工况进行量程调整和温度压力的补偿，数据作为三级计量供工艺参考使用;同时，把原始数据通过网络传递到计算机，通过计算机计算流量，在能源数据网上显示，结果作为二级计量的厂际间结算使用，效果良好。

当然，高炉煤气和焦炉煤气的密度是通过多次组分化验分析取得的平均值，并不是一成不变的，无论采用常规仪表，还是计算机进行流量测量，由密度取值造成的系统误差均不可能完全消除。

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