摘 要： 分析了石灰窯煤氣流量檢測(cè)系統(tǒng)采用節(jié)流式流量計(jì)測(cè)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(cè)總管煤氣流量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量煤氣精度低的問(wèn)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(jiǎn)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(guó)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(lái)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(huì)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(huì)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(cè)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(shì)必會(huì)造成一定的測(cè)量誤差。 

  目前，國(guó)內(nèi)外節(jié)流式流量計(jì)在石灰窯煤氣流量的檢測(cè)中都占有較大比重，尤其是在國(guó)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(cè)也是工業(yè)流量測(cè)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(cè)中的密度補(bǔ)償算法并簡(jiǎn)單說(shuō)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(cè)的精度、穩(wěn)定石灰生產(chǎn)過(guò)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(cè)系統(tǒng)分析 

  為便于分析，文章以梅山石灰窯為研究對(duì)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)煤氣流量，每一支管上也各有一節(jié)流式流量計(jì)檢測(cè)煤氣流量。另總管和支管上均有煤氣調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)煤氣流量。 

2 節(jié)流式流量計(jì)檢測(cè)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(guò)該節(jié)流件時(shí)就會(huì)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(duì)于一定形狀和尺寸，一定的測(cè)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(guò)測(cè)量節(jié)流件前后的壓力差來(lái)測(cè)量流量。 

  剛才已經(jīng)敘述過(guò)，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(cè)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(cè)氣體的溫度、壓力及成分變化等有關(guān)。A0的精度可以通過(guò)精確測(cè)量節(jié)流件開孔直徑來(lái)保證；流量系數(shù)α通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定；在線測(cè)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(cè)量時(shí)，即使α、ε的值變化了，我們也無(wú)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(cè)量化對(duì)流量測(cè)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(guò)測(cè)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(cè)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(lái)的參數(shù)計(jì)算必然會(huì)出現(xiàn)較大的計(jì)量誤差。因此，在混合煤氣流量測(cè)量中對(duì)密度補(bǔ)償十分重要。壓力差的測(cè)量精度由節(jié)流式流量計(jì)本身來(lái)保證，所以測(cè)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(cè)量氣體流量時(shí)把密度取為常數(shù)。這對(duì)于測(cè)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(méi)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(huì)產(chǎn)生誤差。因此，在對(duì)混合煤氣流量計(jì)量時(shí)需要對(duì)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(cè)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(huì)引起密度的變化，從以上分析可知密度對(duì)節(jié)流式流量計(jì)有很大影響。通過(guò)以上對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的誤差分析可知，密度和壓力差對(duì)節(jié)流式流量計(jì)檢測(cè)精度的影響都比較大。壓力差的測(cè)量精度由節(jié)流式流量計(jì)本身來(lái)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(guò)密度、溫度、壓力的補(bǔ)償算法來(lái)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(tái)精度非常高的基準(zhǔn)流量計(jì)用以測(cè)量總管的煤氣流量。由于只需在圖1的總管上增加一臺(tái)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(cè)煤氣流量、總管上節(jié)流式流量計(jì)所測(cè)煤氣流量以及支管上節(jié)流式流量計(jì)所測(cè)煤氣流量可以推導(dǎo)出流過(guò)各支管的煤氣實(shí)時(shí)流量。從而可通過(guò)高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)來(lái)提高各支管煤氣流量的測(cè)量精度。高精度的流量計(jì)一般情況下市場(chǎng)價(jià)格也會(huì)較高，所以在這里只在總管上增加一臺(tái)，以達(dá)到即能節(jié)約改造成本，又能提高現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)檢測(cè)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(hào)輸出煤氣流量，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)這些流量信號(hào)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(duì)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(cè)混合煤氣流量是Q'V，總管增加的基準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)流量是Q''V，當(dāng)煤氣以密度為ρ1的設(shè)計(jì)狀態(tài)流過(guò)總管節(jié)流式流量計(jì)時(shí)，總管上的節(jié)流裝置會(huì)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(tái)精度非常高的流量計(jì)來(lái)測(cè)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(cè)流量即為混合煤氣的實(shí)際流量， 

即

總管在輸送煤氣的過(guò)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(cè)得的混合煤氣流量為q'1，q'2，…q'12，各支管相對(duì)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(cè)得的煤氣流量，Q''V-——總管基準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)得的煤氣流量總量，Q'V———總管節(jié)流式流量計(jì)所測(cè)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(duì)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(shuō)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(cè)煤氣流量為3980m3/h，總管孔板流量計(jì)所測(cè)煤氣流量為4128m3/h，1#支管上的孔板流量計(jì)所測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)究竟選用何種流量計(jì)作為基準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行說(shuō)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(cè)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(cè)混合煤氣流量即為實(shí)際流量，如果用一個(gè)和原來(lái)節(jié)流式流量計(jì)的精度相差不多的流量計(jì)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償是沒(méi)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(tái)高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)檢測(cè)總管煤氣流量以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(cè)精度。只在總管上增加一臺(tái)高精度的基準(zhǔn)流量計(jì)可以有效降低系統(tǒng)改造成本。