对影响焦炉煤气流量测量因素的分析

[摘 要] 文章简单介绍了焦炉煤气的流量测量方法，重点分析了影响测量结果的主要因素。 焦炉煤气是冶金企业重要的产品和消耗品。焦炉煤气因其热值高的特点，被广泛使用在炼钢、炼铁、轧钢等各项生产的加热环节。其消耗量的测量值直接反映各单位能耗考核指标的完成情况，因此焦炉煤气流量测量工作一直是能源计量的重点之一。多年实践中，我们发现焦炉煤气管道积灰程度、气体密度、湿度的变化将会给测量结果带来较大的误差，要得到真实的焦炉煤气流量就必须对上述因素产生的影响进行具体分析，对结果给予适当地修正。 1 焦炉煤气流量的测量 焦炉煤气是一种多种气体组成的混合气体，本身具有流速低，密度小，带有焦油、灰尘、水份等特点，所以焦炉煤气的测量工作相对于氧气、氮气等单一成份气体要复杂得多，准确测量值的取得也要困难得多。近年来，我们在焦炉煤气管线上尝试使用了旋转式流量计、涡街流量计、热式流量计等不同测量原理的流量计，但均因焦炉煤气自身特点所限，使用结果都不是很理想。最终，绝大多数焦炉煤气测量还是选用传统的差压式流量计。 焦炉煤气差压式流量测量一般由一次差压测量元件、差压变送器、压力变送器、温度测量元件及智能流量积算仪组成。焦炉煤气一般以体积流量表示，以标准孔板为例其测量公式为： 式中：q_V为气体的体积流量，m³/h；C为流出因数；ε为气体压缩因数；d为孔板开孔直径，m；△p为气体流经孔板后孔板前后产生的差压，Pa；ρ为流经孔板气体的密度，kg/m³； 即孔板开孔直径与管道内径比。 当管道中焦炉煤气实际运行工况与孔板设计工况一致时，通过差压变送器测出△p代入公式（1）即可得出准确的测量值。然而，管道实际运行工况很难与孔板没计工况完全一致，这就造成焦炉煤气测量值与流量真值之间的误差。 2 影响焦炉煤气流量测量结果的主要因素 根据公式（1），我们知道q_V与d、ε、C、β、ρ、△p有关，影响这些参数的主要因素有： （1）积灰 焦炉煤气必然含有粉尘和焦油，因此管道经过常年使用后，不可避免地会有粉尘和焦油沉积下来并在管道内部形成厚度不均的沉积物。沉积物的出现使得管道的截面积S发生变化，从而对测量结果产生影响。当管道内沉积物的高度不超过孔板开孔的下缘，管内截面积的变化直接导致直径比β变大，进而影响流出因数C以及的数值，最终造成流量测量值与真值之间的误差。具体分析如下：设管道截面积为S₁，沉积物截面积为S₂，则当S由S₁变为S₂时β变为， 流出因数C在一家雷诺数之内是由β多项式决定的变量，随着β的改变，C也变为，结垢前的流量因数，结垢后的流量因数。在△p、ρ、ε、d不变情况下，流量示值变化的百分比为 例如：一副DN1000的标准孔板，在β=0.7、雷诺数时， （角接取压）。 当管道内壁被均匀结了一层20mm厚的沉积物，β=0.7365，按相同的公式计算。 （2） 焦炉煤气的密度变化 焦炉煤气是由氢气、甲烷、一氧化碳、不饱和烃、二氧化碳、氮气、氧气和水蒸汽组成的混合气体。在被测气体温度、压力、相对温度与孔板设计值相同的情况下，由于生产工艺等其他原因，被测气体各组成成份所占体积的百分比发生了改变，使得气体密度与设计状态不一致，将影响测量值的准确。 设在孔板C、ε、β、d不变，气体密度从ρ变为的情况下，则被测气体体积流量 相应的误差值为 焦炉煤气密度的变化范围一般为0.44～0.48kg/m³，如果设计密度为0.46kg/m³，将产生-2.2%～+2.5%的示值误差。 （3）焦炉煤气压力、温度、湿度的变化 由公式（1）直接得出的焦炉煤气的体积流量 式中，p_f为使用状态压力；p_d为设计状态压力；ψ_f为使用状态气体相对温度；ψ_{d/sub>为设计状态气体相对湿度；Tf为使用状态气体温度；Td设计状态气体温度；ρf为使用状态气体态度；ρd/sub>为设计状态气体密度；ρgn为标准状态气体密度；pfsmax为使用状态水蒸汽的最大可能压力；pdsmax为设计状态水蒸汽的最大可能压力。 设： 由公式（3）可以看出，由于在不同温度、压力、湿度的条件下，焦炉煤气中所含的水蒸汽的分压力和密度不同，所以其对流量测量的影响是综合性的，一方面，会引起被测气体密度的改变；另一方面，温、压、湿度的变化对换算到标准状况下的体积流量会产生影响。 例：在pd=0.10540MPa，Td=20℃，ψd=100%，ρd=0.4575kg/m³，Tf=20℃，ψf=0%，pf=0.105400MPa，p饱和水=0.002337MPa，ρ水汽=0.01729kg/m³ 则 3 减小误差值的方法 （1）定期清淤 解决积灰最直接的方法就是定期清淤。通过长期对数据的观测，我们可以总结出清淤的时间表，结合生产检修的间隙，对管道、孔板进行清理。对于有些既硬又韧的沉积物，就只有利用停产、停气的机会，将节流件前30D，后15D的管道局部更新，这样基本上能在一段时间内排除积灰对测量值的影响。 （2）修正和补偿 ①气体的密度变化是必然发生的，我们只能通过对密度值的测量得到气体密度的实际值，再计算出因此产生的差值，对流量测量值做出必要的修正和补偿。虽然在线测量能够避免因密度变化产生的误差，而在一般测量流量的系统中，密度的测量只能用于出口大流量或要求较高的混合气体的配比中，所以这个补偿值多数只能依靠多次离线测量后得出经验数据进行人工补偿。 ②气体的温度、压力在流量测量系统中一般都配备测量元件（如热电阻、压力变送器等）实现了在线的测量，所以有关温度、压力的变化影响一般由智能流量积算仪接到在线的测量信号后经过内部精密计算直接进行补偿。因此，智能流量积算仪显示的流量测量值是经过温、压补偿的测量值。湿度的影响与密度有相似之处，一般也无在线测量数据，只能通过湿度计离线测量后，计算出所要补偿的数据，在后期数据统计中进行必要的处理。 4 结束语 从上面的分析，我们不难发现焦炉煤气流量测量中这些不确定的因素对测量数值的影响是无法回避的，其综合的不确定度甚至能超过±5％。所以，要使测量系统准确度达到±2.5％的设计要求，就要求测量者综合考虑积灰、气体密度、温度、压力、湿度等参数变化对测量结果的影响并给予正确地修正和补偿，使其能更真实地反映气体的用量，同时更好地为管理部门考核指标的制定工作提供数据上的支持。}