摘 要： 分析了石灰窯煤氣流量檢測系統采用節流式流量計測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流量計檢測總管煤氣流量從而實現對各支管煤氣流量進行密度補償方案。根據該補償方案，分析并推導出加入基準流量計后混合煤氣流量密度及綜合補償算法，以解決現用孔板流量計測量煤氣精度低的問題。最后，結合工程應用實例－梅山鋼鐵冶金石灰窯應用該補償算法配上必要的軟硬件資源實現了煤氣流 量的在線補償，簡單介紹了補償算法的實現。
關鍵字： 套筒石灰窯 煤氣流量 補償算法 流量計
國內外大部分氣燒石灰窯在一般情況下采用高爐煤氣與焦爐混合或轉爐煤氣與焦爐煤氣混合來煅燒石灰。由于轉爐、高爐、焦爐生產的工藝條件發生變化，會造成煤氣產出的不穩定，從而使混合煤氣的混合比隨之發生變化，混合比的變化會使混合煤氣的密度發生變化。但是工程中常用的煤氣流量檢測儀器是節流式流量計，而節流式流量計在計量煤氣流量時是取煤氣的密度為一常數，這勢必會造成一定的測量誤差。
目前，國內外節流式流量計在石灰窯煤氣流量的檢測中都占有較大比重，尤其是在國內，節流式流量計所占比重更大。另外，非固定混合比的混合氣體的流量檢測也是工業流量測量中的技術難點。因此，本文重點推導了在套筒式石灰窯中混合煤氣流量檢測中的密度補償算法并簡單說明了這種算法如何應用于實際。這有利于提高石灰窯混合煤氣流量檢測的精度、穩定石灰生產過程的煅燒溫度，進而可提高石灰的質量、減少能耗。
1 煤氣流量檢測系統分析
為便于分析，文章以梅山石灰窯為研究對象。梅山石灰窯采用的是套筒窯結構。燃料主要是轉爐煤氣，為增加煤氣的燃燒熱值，在轉爐煤氣中又加入了焦爐煤氣。下圖為梅山石灰窯煤氣流量檢測示意圖。
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。轉爐煤氣與空氣一起進入上、下燃燒室內燃燒，產生的熱氣進入套筒窯。在窯的中心裝有一個立式或吊式的圓筒，就是圖上所示上下內套筒，這樣煅燒帶便可以成為環形截面，利于石灰充分煅燒。
套筒石灰窯的燃燒室設為上下兩層，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個不等，圖中為12個。
圖1 套筒石灰窯煤氣流量檢測系統示意圖
石灰窯的供氣方式是由一個總管向所有支管供氣，每一燃燒室有一條支管向其供氣，為簡化作圖，圖1中只畫了1#上燃燒室和1#下燃燒室的支管。總管上有一節流式流量計檢測煤氣流量，每一支管上也各有一節流式流量計檢測煤氣流量。另總管和支管上均有煤氣調節閥來調節煤氣流量。
2 節流式流量計檢測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流通面積小于管道截面積的節流件，則管內流束在通過該節流件時就會造成局部收縮。在收縮處，流體流速增加、靜壓力降低，因此，在節流件前后將產生一定的壓力差。實踐證明，對于一定形狀和尺寸，一定的測壓位置和前后直管段，在一定的流體參數情況下，節流件前后的差力壓與流體的流量之間存在一定的函數關系。因此，可通過測量節流件前后的壓力差來測量流量。
剛才已經敘述過，節流件前后的差力壓和流體流量之間有一定的函數關系，如果測量的是氣體的流量，這一函數關系可以表示為：
A0是節流件開孔截面積，ρ1-節流件入口端流體密度，（p1-p2）是實際取壓位置取出的壓力差。在計算氣體流量時，節流式流量計把α、A0、ρ1、ε均取為常數。實際上，流量系數α、可膨脹系數ε、密度ρ1不是常數，這些量與被測氣體的溫度、壓力及成分變化等有關。A0的精度可以通過精確測量節流件開孔直徑來保證；流量系數α通過實驗來確定；在線測量可膨脹系數ε十分困難，但在差力壓和流體本身的壓力相比較小時，其變化可以忽略不計。所以由以上分析可知，在實際測量時，即使α、ε的值變化了，我們也無法把改變的影響施加進去。
從公式（1）中可以看出，在流量計量時，密度和壓力差處于同樣的地位。如果密度值不準確，即使壓力差的測量化對流量測量的影響不可忽略，氣體的密度與氣體的溫度、壓力有關，一般可以通過測量溫度和壓力，使用理想氣體狀態方程計算出密度進行間接補償。如果所測量的氣體是混合氣體，只做溫度、壓力的補償是不夠的。因為當混合氣體的混合比例發生變化時，即使溫度、壓力不變，密度也發生了較大改變，如果仍用原來的參數計算必然會出現較大的計量誤差。因此，在混合煤氣流量測量中對密度補償十分重要。壓力差的測量精度由節流式流量計本身來保證，所以測量誤差主要是由于密度的改變帶給流量的誤差。前已述及，節流式流量計在測量氣體流量時把密度取為常數。這對于測量單一氣源的煤氣流量時，影響不大，因為單一氣源的煤氣成份基本能穩定在一定范圍內，所以密度沒有太大變化。如果摻入其它氣源，由于成分變化大，實際煤氣的密度變化也大。這時如果仍把煤氣密度取為常數，就會產生誤差。因此，在對混合煤氣流量計量時需要對密度進行補償。
3 混合煤氣流量計量的密度補償算法
氣體的測量要比液體復雜，因為氣體是可壓縮的。氣體狀態的變化會引起密度的變化，從以上分析可知密度對節流式流量計有很大影響。通過以上對節流式流量計的誤差分析可知，密度和壓力差對節流式流量計檢測精度的影響都比較大。壓力差的測量精度由節流式流量計本身來保證。煤氣的密度與溫度、壓力的變化有很大的關系，因此可通過密度、溫度、壓力的補償算法來實現各支管煤氣流量的在線補償。
3.1 密度補償系統設計方案
采用密度補償算法的思想是在煤氣總管上增加一臺精度非常高的基準流量計用以測量總管的煤氣流量。由于只需在圖1的總管上增加一臺基準流量計即可，所以在這里不再另作圖表示。根據總管上基準流量計所測煤氣流量、總管上節流式流量計所測煤氣流量以及支管上節流式流量計所測煤氣流量可以推導出流過各支管的煤氣實時流量。從而可通過高精度的基準流量計來提高各支管煤氣流量的測量精度。高精度的流量計一般情況下市場價格也會較高，所以在這里只在總管上增加一臺，以達到即能節約改造成本，又能提高現場流量計檢測精度的目的。
在該設計方案中，基準流量計與節流式流量計都以4～20mA標準信號輸出煤氣流量，計算機系統對這些流量信號進行實時數據采集，然后采用下文所述的補償算法對各支管的煤氣流量進行補償。
3.2 密度補償算法
設總管上節流式流量計所測混合煤氣流量是Q'V，總管增加的基準流量計所測流量是Q''V，當煤氣以密度為ρ1的設計狀態流過總管節流式流量計時，總管上的節流裝置會產生一個差力壓（p1-p2）。因為總管和各支管上節流式流量計都是以設計密度ρ1來計算的，所以總管上節流式流量計所顯示的煤氣總流量Q'V為：
如果煤氣以密度ρ2流過節流式流量計時，總管上的節流裝置產生的差力壓仍然是（p1-p2），這時，總管上的顯示的流量應該是用下面的公式計算出來的流量QV。
即
因為節流式流量計的設計密度是ρ1，，所以總管上的節流式流量計仍以公式（2）來計算混合煤氣流量，所以儀表顯示的流量還是Q'V。實際上，此時總管上的煤氣流量應以公式（3）來計算，即總管上的實際流量應該是QV。（3）式比（2）式可得：
因為我們的設計思想是在總管上增加一臺精度非常高的流量計來測量混合煤氣總流量，所以可認為總管上基準流量計所測流量即為混合煤氣的實際流量，
即
總管在輸送煤氣的過程中，煤氣的狀態變化較小，可以認為煤氣從總管輸送到各支管時煤氣密度不變，所以其余12個支管內的煤氣密度可認為仍是ρ2。設12只支管上的節流式流量計所測得的混合煤氣流量為q'1，q'2，…q'12，各支管相對應的實際流量為q1，q2，…q12，下面以支管1為例介紹密度補償算法，其余支管補償方式相同，則根據公式（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上節流式流量計所測得的煤氣流量，Q''V-——總管基準流量計所測得的煤氣流量總量，Q'V———總管節流式流量計所測得的煤氣流量總量，q1———支管1經密度補償后的煤氣流量。采用公式（7）可以實現對所有支管上混合煤氣流量的在線密度補償。
3.3 補償算法的實現
下圖為補償結果圖：
圖2 補償結果圖
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明。監控畫面可實時顯示調節閥開度及各支管煤氣流量及空氣流量。從圖中可以看出，當總管基準流量計所測煤氣流量為3980m3/h，總管孔板流量計所測煤氣流量為4128m3/h，1#支管上的孔板流量計所測煤氣流量為297m3/h，那么經補償后的1#支管的煤氣流量就是287m3/h，而2#支管上的節流式流量計所測煤氣流量是285m3/h，相應的補償后的煤氣流量為275m3/h，其余支管節流式流量計所測流量及補償后的煤氣流量均可從圖2中看出，不再贅述。在現場中，只需將變量與工程中所用總管基準流量計、總管節流式流量計、以及各支管節流式流量計聯系起來，就可以實現對各支管流量的補償，并顯示出補償后的流量。
4 結論
文中未對究竟選用何種流量計作為基準流量計進行說明，各企業可根據自己的實際情況選用合適的儀表。但選用的基準流量計一定要滿足兩個條件：一是該種流量計一定要適合測混合煤氣的流量。二是所選用的基準流量計精度一定要非常高，可近似認為基準流量計所測混合煤氣流量即為實際流量，如果用一個和原來節流式流量計的精度相差不多的流量計來進行補償是沒有意義的。本文在分析混合煤氣流量計量誤差產生原因基礎上，提出采用一臺高精度的基準流量計檢測總管煤氣流量以實現對各支管煤氣流量進行密度補償方案，分析并推導出加入基準流量計后混合煤氣流量密度及綜合補償算法，應用補償算法對各個燃燒室的煤氣流量進行補償，以提高混合煤氣流量檢測精度。只在總管上增加一臺高精度的基準流量計可以有效降低系統改造成本。
