CN101382448A - 复杂工况下混合煤气的计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业企业气体能源的计量方法，特别是复杂工况下混合煤气的计量方法。技术方案是：对于高炉煤气和焦炉煤气介质进行混合的情况下，运用计算机软件按热值补偿数学模型，在原有的温度、压力补偿的基础上，把热值做为参数之一进行密度补偿，得出混合煤气准确的计量数值；采用多种通讯方式并存，运用计算机进程控制技术和线程并行技术，可以有效的提高系统运行的稳定性和可靠性。本发明可以使混合煤气计量更具科学性逼近真实值，解决了复杂工况条件下受热值影响大的混合煤气介质的准确计量问题，可广泛应用于使用混合煤气的重工业企业，使混合煤气的计量与运营更加合理，有效地指导生产。

Description

复杂工况下混合煤气的计量方法

所属技术领域

本发明涉及一种工业企业气体能源的计量方法，特别是复杂工况下混合煤气的计量方法。

背景技术

目前，在工业企业的生产中，气体能源计量都是信息化的能源计量采集系统，利用现场一次和二次仪表、通讯网络和数据采集计算机组成计量采集系统进行采集和计量。但是，重工业企业的工况条件都比较复杂，上述计量系统的计量结果不准确，不能有效的指导生产；例如，对于冶金企业，高炉煤气和焦炉煤气介质没有有效计量的情况下，混合后煤气(高炉煤气与焦炉煤气混合)介质密度易受到热值的影响，传统的计量仪表仅有温度和压力补偿，测量值与真实值上下波动大，计量精确度不高。另外，煤气计量通讯网络采用单一的通讯方式，系统的可扩展性不强，数据采集和存储在无人值守状态下进行，数据采集和存储在受到系统因素影响时容易发生故障，不适于复杂工况条件下煤气计量的实际需要。

发明内容

本发明目的是提供一种复杂工况下混合煤气的计量方法，使混合煤气计量更具科学性，逼近真实值，提高系统运行的稳定性和可靠性，解决背景技术中存在的上述问题。

本发明目的是通过如下技术方案实现的。

复杂工况下混合煤气的计量方法包括：

对于高炉煤气和焦炉煤气介质进行混合的情况下，运用计算机软件按热值补偿数学模型，在原有的温度、压力补偿的基础上，把热值做为参数之一进行密度补偿，得出混合煤气准确的计量数值。

系统中混合煤气介质一次仪表采用孔板方式进行流量计量，在复杂工况条件下，分析各种气体介质对温度、压力和热值的影响，从而构造出所说的数学模型。

本发明由计算机通过计量程序发送采集指令，采集工况条件下温度、压力、差压和热值仪表信号，通过信号传输和信号转换传递给计算机做信号处理，实现混合煤气计量功能。

本发明接收现场混合煤气温度、压力、差压和热值的标准仪表信号，采用有线和无线结合的通讯方式，计算机程序应用进程控制和并行处理方式，在采集计算机统一完成无人值守状态下混合煤气热值补偿计量。

本发明的复杂工况是指混合煤气的气体密度随热值变化很大的状况。

本发明的有益效果是：打破常规温度、压力补偿方法，根据不同的热值运用一定的数学模型统一到标准热值，进行补偿，加上原有的温度、压力补偿，可以使混合煤气计量更具科学性逼近真实值；采用多种通讯方式并存，运用计算机进程控制技术和线程并行技术，可以有效的提高系统运行的稳定性和可靠性。

本发明解决了复杂工况条件下受热值影响大的混合煤气介质的准确计量问题，可广泛应用于使用混合煤气的重工业企业，使混合煤气的计量与运营更加合理，有效地指导生产。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构框图。

图中的工况1、工况2、工况3是三个现场数据采集点，分别通过对应的信号采集、信号传输、信号转换环节，最后送入计算机进行处理。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

在实施例中，对于高炉煤气和焦炉煤气介质因工况原因没有有效计量条件下的混合煤气(高炉煤气和焦炉煤气掺混)介质，运用计算机软件按热值补偿数学模型，在原有的温度、压力补偿的基础上，把热值做为参数之一进行密度补偿，得出混合煤气准确的计量数值；运用计算机完成各种混合煤气介质的数据采集、存储和传输；接收现场混合煤气温度、压力、差压和热值的标准仪表信号，采用有线和无线结合的通讯方式，计算机程序应用进程控制和并行处理方式，在采集计算机统一完成无人值守状态下混合煤气热值补偿计量。

系统中混合煤气介质一次仪表采用孔板方式进行流量计量，在复杂工况条件下，分析各种气体介质对温度、压力和热值的影响，构造数学模型推理过程如下：

按GB/2624-81孔板设计标准，孔板流量的基本公式为：

Q＝α.ε.Ad(2)^0.5(Δp/ρ)^0.5        <1>

式中：α：流量系数，纯数；

      ε：流束膨胀系数，纯数；

      Ad：孔板开孔面积，m²；

      Δp：孔板上下游压力差；

      ρ：流体实际运行工况下的密度，Kg/m³；

      Q:流体密度为ρ时的体积流量，m³/s；

对于已经设计完的孔板，α，ε，Ad都是已经确定的常数，实际流量满足Q＝(1/4～1)Q_max的情况下，α的变化小于0.5％，引起的误差很小，因此可以认为α，ε，Ad是常数(如果实际流量在小于1/4Q_max运行，就应重新设计孔板)。

因此，公式可以简写为Q＝K.(Δp/ρ)^0.5     <2>

其中：K＝α.ε.Ad(2)^0.5。

在以下计算过程中，采用0℃，1atm(1标准大气压记为1atm)为标准状态，并把标准状态下的体积流量记为Qon，密度记为ρon，得到

Qon＝Q.ρ/ρon   <3>

把<2>代入<3>式得出：

Qon＝[K(Δp*ρ)^0.5]/ρon      <4>

按照工作状态下，湿气体的密度计算公式：

ρ＝(ρon.[P1-φPsmax]×Tn)/(Pn×T1×Z)+φ`ρsmax    <5>

式中：P1：绝对压力PaP1＝97210+P`(表压)

      Pn:latm，它等于101330Pa

      Tn:273.15℃

      T1:绝对温度T1＝273.15+t

      Z:压缩系数取Z＝1

      φ:相对湿度取φ＝1

如果湿气体的工作温度t不超过工作压力下的蒸汽饱和温度tb，则ρ smax＝ρb，Psmax＝Pb，其中ρb和Pb为温度t时饱和蒸汽的密度和压力。

根据GB/2624—81中G-11表摘要列出饱和气体水分含量表

本系统对于混合煤气(高炉煤气与焦炉煤气掺混)，它的密度ρ考虑掺混比的变化。

假设：

高/焦＝B(掺混比)

热值＝R千卡/m³)。

根据本地高炉煤气平均热值为840千卡/m³；焦炉煤气平均热值为4070千卡/m³。

得到R＝(840B+4070)/(B+1)(混合后热值)

掺混比：B＝(4070-R)/(R-840)

因为ρon高＝1.3580kg/m³   ρon焦＝0.5032kg

得到：ρon混＝(1.3580*B+0.5032)/(B+1)

联立两式得到：

ρon混＝[1.3580×(4070-R)/(R-840)+0.5032]/[(4070-R)/(R-840)+1]    <6>

设：含湿混合煤气密度ρ

ρ混＝ρon混×[(P1-φPsmax)/Pn]×(T0/T1×Z)+φ ρ smax

如果把混合煤气运行的条件设定为φ＝100％，t＝25℃，Z＝1(即与单质高炉煤气，焦炉煤气相同)混合煤气密度公式可以写成：

ρ混＝{[1.3580×(4070-R)/(R-840)+0.5032]/[(4070-R)/(R-840)+1]}×{[97210+

P`-3178.44]/101330}×273.15/(273.15+t)+0.0231      <7>

把<7>式代入<4>式得到：

Qon＝[K./ρ`on混]×(Δp×[(ρ混)])^0.5

上式中式中Δp可检测，R可检测，P`可检测，t也可检测，因此ρ可以随机的求出

ρ`on混为高/焦＝1，0℃，1atm下的混合煤气密度，它的平均值是(1.3580+0.5032)/

(1+1)＝0.9306kg/m³

对于上式只是从体积流量从密度上转化成高/焦＝1，0℃，1atm的标准体积流量，没有考虑热值这个最重的参数，因此把Qon式写成：

Qon＝(R/2455)×[K/ρ`on混]×(Δp×[{[1.3580×(4070-R)/(R-840)+0.5032]/

[(4070-R)/(R-840)+1]}×{[97210+P`-3178.44]/101330}×273.15/(273.15+t)

+0.0231])^0.5

在0℃，1atm，高/焦＝1，混合煤气热值＝2455千卡/m³，R是随时可测到的热值。

以上公式即为混合煤气根据密度变化进行了流量计算，并且折合成标准状态下高/焦＝1，混合煤气热值＝2455千卡/m³，混合煤气的体积流量，这样对于使用混合煤气的用户不会由于掺混比的变化而使混合煤气计量产生较大的误差。

本系统对于流量补偿公式定性的分析混合煤气热值补偿时可能产生的误差：

A气体压缩系数Z略小于1，而公式中取Z＝1。

B气体含湿φ不可能永远等于100％。

C高炉煤气、焦炉煤气组分会变化，而公式中取ρon高＝1.3580Kg/m³，

ρon焦＝0.5032Kg/m³(经验统计结果，不可能完全代表实际工况)。如果经过实际对高炉煤气和焦炉煤气的成分分析，认为高炉煤气密度已经不能用1.3580Kg/m³来代替，焦炉煤气不能用0.5032Kg/m³来代替时，那么应当对公式中的两项数据进行变更。

D公式中ρmax＝ρb＝0.0231Kg/m³，Pmax＝Pb＝3178.44Pa而实际ρmax、Pmax都随工况的压力、温度变化。上述因素都不能用仪表检测或者不能写出解析式，只能当作定值对待。

E误差C因素影响最大，但它可以用某一时间段，实际分析的高炉煤气组分、焦炉煤气组分来求出某一时期的ρon高、ρon焦来代替1.3580Kg/m³和0.5032Kg/m³，特别是焦炉煤气组分随着煤种不一样会有波动。

本系统通过对各种气体实际分析，求出气体密度ρ与可以检测到的自变量(P、T、R)的函数表达式，按此核算编制计算机程序对混合煤气介质进行流量补偿，来逼近真实值。

参见图1，由工况1-3、信号采集1-3、信号传输1-3、信号转换1-3和计算机处理组成本系统。工况是指混合煤气气体密度随热值变化大的复杂工况条件，以采集点到采集计算机间的距离划分包括距离计量采集计算机较近(500米以内)，距离计量采集计算机远且布局分散和距离计量采集计算机远且布局紧密三种情况，涉及计量装置包括温度采样点、热电偶、热电阻、温度变送器、压力变送器、压力采样点、差压变送器、流量孔板装置、热值仪；信号采集包括工业级模拟量输入模块、流量计算仪表；信号传输包括RS485总线和无线数传电台；信号转换包括RS485到RS232转换装置；计算机处理包括计量计算机、计量中心服务器、以太网交换机、以太网络和计算机程序。

具体工作过程：由计算机通过计量程序发送采集指令传递给信号采集部分，采集工况条件下温度、压力、差压和热值仪表信号，采集部分通过信号传输和信号转换传递给计算机做信号处理，实现混合煤气计量功能。

本发明每一个混合煤气计量检测点现场计量由温度采样点、压力采样点、热值仪和符合GB/2624-81标准的孔板组成。检测点温度通过温度采样点上安装的普通热电偶或热电阻产生电信号，与普通温度变送器连接，温度变送器将温度转化为4-20mA的标准仪表信号，通过压力采样点上安装的压力变送器将压力转化为4-20mA的标准仪表信号，利用混合煤气管道上安装的流量孔板装置与普通差压变送器相连，差压变送器产生4-20mA的标准仪表差压信号，通过普通热值仪取得检测点热值4-20mA的标准仪表信号。

参见图1，工况1条件是指距离计量采集计算机较近的检测点，信号采集1包含普通工业级模拟量输入模块，信号传输1是指由普通信号电缆组成的RS485总线，信号转换1是指普通RS485/RS232信号转换装置。工况1条件下的技术实施方案是普通工业级模拟量输入模块接收工况条件产生的4-20mA标准仪表信号，将其转化为RS485数字信号，通过RS485总线传输到信号转换装置，信号转换装置通过RS485/RS232信号转换为RS232信号，由采集计算机串行端口接收作程序处理。

参见图1，工况2条件是指距离计量采集计算机远且布局分散的检测点，信号采集2包含普通流量积算仪表，信号转换2是指普通RS485/RS232信号转换装置，信号传输2是指由普通数传电台组成的无线通讯网络。工况2条件下的技术实施方案是流量接收工况条件产生的4-20mA标准仪表信号，流量积算仪表通过压力、温度和差压信号利用仪表压力和温度补偿计算出未作热值补偿之前的流量，将流量RS485信号传递给信号转换装置转化为RS232信号，分站数传电台接收RS232信号利用透明的传输协议通过无线通讯网络传递给采集计算机端设置的主站数传电台，主站数传电台传递RS232信号由采集计算机串行端口接收作程序处理。

参见图1，工况3条件是指距离计量采集计算机远且布局紧密的检测点，信号采集3包含普通流量积算仪表，信号传输3是指由普通信号电缆组成的RS485总线通讯网络，信号转换3是指普通RS485/RS232信号转换装置。工况3条件下的技术实施方案是流量接收工况条件产生的4-20mA标准仪表信号，流量积算仪表通过压力、温度和差压信号利用仪表压力和温度补偿计算出未作热值补偿之前的流量，将流量RS485信号通过RS485总线传递给信号转换装置，信号转换装置将流量RS485信号转化为RS232信号，由采集计算机串行端口接收作程序处理。

计算机处理中硬件和网络系统包括采集计算机、计量中心服务器、以太网交换机和由采集计算机和计量中心服务器组成的以太网络。采集计算机和计量中心服务器通过普通以太网交换机组成以太网络完成数据交换。

计算机处理中软件技术方案是采集分站计算机软件由监控、采集和接口三部分组成，计量中心服务器是计量数据库服务器，存储采集结果数据。采集分站计算机设置检测点数据库，存储检测点设置信息(包括检测点名称、仪表地址、仪表类型、通讯协议、信号上下限、工艺量上下限)，采集部分是采集计算机预先读取检测点设置信息，创建采集、实时显示和存储线程，以一定的周期轮循并行方式解除线程阻塞执行采集、实时显示和存储任务。采集线程借助计算机串行端口，将所存储的仪表地址ASCII字符转换为仪表远传命令，运用Windows32API产生计算机操作指令，发送仪表命令，等待发回应答字符后，读取各个检测点仪表字符，通过规定的仪表协议，转换为瞬时流量、累积流量、热值、温度和压力数据。通过如1所示的数学模型产生热值补偿后瞬时流量和累积流量完成计量；实时显示线程完成轮循显示工作；存储线程设置系统时钟检测模块，在固定时间存储计量结果。监控部分是应用WINDOWS WIN32API读取采集计算机当前采集进程运行状态，读取串行端口和数据库数据运行情况，在发生异常现象时获取程序运行句柄，进行复位操作。接口部分完成采集计算机计量数据到计量中心服务器的数据传输。

Claims (5)

1.一种复杂工况下混合煤气的计量方法，其特征是：对于高炉煤气和焦炉煤气介质进行混合的情况下，运用计算机软件按热值补偿数学模型，在原有的温度、压力补偿的基础上，把热值做为参数之一进行密度补偿，得出混合煤气准确的计量数值。

2.根据权利要求1所述之复杂工况下混合煤气的计量方法，其特征在于系统中混合煤气介质一次仪表采用孔板方式进行流量计量，在复杂工况条件下，分析各种气体介质对温度、压力和热值的影响，从而构造出所说的数学模型。

3.根据权利要求1或2所述之复杂工况下混合煤气的计量方法，其特征在于混合煤气标准状态下的体积流量Qon＝(R/2455)×[K/ρ`on混]×(Δp×[{[1.3580×(4070-R)/(R-840)+0.5032]/[(4070-R)/(R-840)+1]}×{[97210+P`-3178.44]/101330}×273.15/(273.15+t)+0.0231])^0.5；公式中密度记为ρ on，孔板上下游压力差Δp，R是随时可测到的热值，K＝α.ε.Ad(2)^0.5，其中：流量系数α，纯数，流束膨胀系数ε，纯数，孔板开孔面积Ad。

4.根据权利要求1、2或3所述之复杂工况下混合煤气的计量方法，其特征在于由计算机通过计量程序发送采集指令，采集工况条件下温度、压力、差压和热值仪表信号，通过信号传输和信号转换传递给计算机做信号处理，实现混合煤气计量。

5.根据权利要求1、2或3所述之复杂工况下混合煤气的计量方法，其特征在于接收现场混合煤气温度、压力、差压和热值的标准仪表信号，采用有线和无线结合的通讯方式，计算机程序应用进程控制和并行处理方式，在采集计算机统一完成无人值守状态下混合煤气热值补偿计量。