CN105181028B - 一种煤气放散流量在线测量方法、系统和应用服务器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种煤气放散流量在线测量方法、系统和应用服务器，所述煤气放散流量在线测量方法包括：获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；根据所述出口流速计算得到煤气放散流量，并输出，以克服工业现场环境的制约，实现对煤气放散流量的在线测量。

Description

一种煤气放散流量在线测量方法、系统和应用服务器

技术领域

本发明涉及信息技术和综合自动化技术领域，更具体地说，涉及一种煤气放散流量在线测量方法、系统和应用服务器。

背景技术

在钢铁冶炼生产过程中，焦炉会副产焦炉煤气、高炉会副产高炉煤气、转炉会副产转炉煤气，这些煤气主要由氢气、烷烃和一氧化碳组成，有较高的热值，回收后是钢铁厂各类加热装置的主要燃料，同时部分焦炉煤气净化后还可提供民用，具有较高的经济价值。但是焦炉、高炉、转炉的煤气生产量并不平稳，当供过于求时，需要利用煤气放散管网将多余煤气放散掉。

煤气放散流量主要通过安装在煤气放散管网出口处的流量计来测量，但该测量方案会受到工业现场环境的制约，因为：

1)钢铁厂自用煤气只经过初步净化，焦油、二氧化硫等杂质含量较多，流量计探头容易被污染，极易失灵；

2)流量计安装需要足够长的直管段，但是很多钢铁厂的煤气放散管网并不具备这样的安装条件；

3)钢铁厂是生产连续型企业，流量计后期安装需带压开孔，而煤气是易燃、易爆的有毒气体，带压开孔危险性很大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种煤气放散流量在线测量方法、系统和应用服务器，以克服工业现场环境的制约，实现对煤气放散流量的在线测量。

一种煤气放散流量在线测量方法，包括：

获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；

将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；

从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；

根据所述出口流速计算得到煤气放散流量，并输出。

其中，所述软测量模型是由以下非线性方程组成的方程组：

基于化工热力学建立的煤气放散管网中各管段的物性方程ρ_l,μ_l＝f(z,P_l,T)，式中，ρ_l表示第l管段的流体密度，μ_l表示第l管段的流体粘度，z表示流体组成，P_l表示第l管段的流体压力，T表示煤气放散管网的入口温度；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流体压降方程式中，ΔP_l表示第l管段的流体压降，u_l表示第l管段的流速，ρ_l、μ_l同上；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流速方程式中，u_l同上；

以及基于流体力学建立的整个煤气放散管网的压力方程P_n-P₀＝∑ΔP_l，式中，P_n表示整个煤气放散管网的当前压力，P₀表示整个煤气放散管网的初始压力，ΔP_l同上。

一种应用服务器，包括：

获取单元，用于获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；

计算单元，用于将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；以及根据所述出口流速计算得到煤气放散流量；

以及输出单元，用于输出所述煤气放散流量的计算结果。

其中，所述软测量模型是由以下非线性方程组成的方程组：

基于化工热力学建立的煤气放散管网中各管段的物性方程ρ_l,μ_l＝f(z,P_l,T)，式中，ρ_l表示第l管段的流体密度，μ_l表示第l管段的流体粘度，z表示流体组成，P_l表示第l管段的流体压力，T表示煤气放散管网的入口温度；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流体压降方程式中，ΔP_l表示第l管段的流体压降，u_l表示第l管段的流速，ρ_l、μ_l同上；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流速方程式中，u_l同上；

以及基于流体力学建立的整个煤气放散管网的压力方程P_n-P₀＝∑ΔP_l，式中，P_n表示整个煤气放散管网的当前压力，P₀表示整个煤气放散管网的初始压力，ΔP_l同上。

一种煤气放散流量在线测量系统，包括：易测变量采集单元、数据采集服务器、web服务器以及上述公开的任一种应用服务器，其中：

所述易测变量采集单元包括：用于在线测量煤气放散管网的入口压力的压力传感器，用于在线测量煤气放散管网的入口温度的温度传感器，以及用于在线测量煤气放散管网的各阀门开度的阀门开度传感器；

所述数据采集服务器，用于获取所述易测变量采集单元的输出信号以及所述应用服务器发送来的煤气放散量的计算结果，并存储到数据库中；

所述应用服务器，用于从所述数据采集服务器中读取所述易测变量采集单元的输出信号，并将计算得到的煤气放散量发送给所述数据采集服务器；

所述web服务器，用于在接收到客户端发出的请求时，从所述数据采集服务器的数据库中读取所述易测变量采集单元的输出信号以及所述煤气放散量的计算结果，并将其以web页面的形式发送给所述客户端。

可选地，所述煤气放散流量在线测量系统还包括：用于监控所述数据采集服务器、所述web服务器、所述应用服务器和所述客户端的工作环境的防火墙防病毒服务器。

从上述的技术方案可以看出，与使用流量计测量煤气放散流量的现有技术相比，本发明应用软测量技术来实现对煤气放散流量的在线测量，所谓软测量技术，就是根据工业现场环境中易于测量的变量来估算不易于测量的变量的工业应用技术，其测量过程不受工业现场环境的制约。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种煤气放散流量在线测量方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种建模过程流程图；

图3为本发明实施例公开的一种应用服务器结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种煤气放散流量在线测量系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种煤气放散流量在线测量方法，以克服工业现场环境的制约，实现对煤气放散流量的在线测量，包括：

步骤101：获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；

步骤102：将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；

步骤103：从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；

步骤104：根据所述出口流速计算得到煤气放散流量，并输出。

与使用流量计测量煤气放散流量的现有技术相比，本实施例应用软测量技术来实现对煤气放散流量的在线测量，所谓软测量技术，就是根据工业现场环境中易于测量的变量来估算不易于测量的变量的工业应用技术，其测量过程不受工业现场环境的制约。

软测量技术的核心任务是建立软测量模型。软测量模型就是表征易于测量的变量(即易测变量)与不易于测量的变量(待测变量)之间的数学关系。易测变量的选择，直接决定着软测量模型的结构和输出。应用到煤气放散流量测量领域时，本实施例以煤气放散管网的各阀门开度以及煤气放散管网的入口压力和入口温度作为易测变量，基于流体力学和化工热力学建立软测量模型，以煤气放散管网的各管段流速作为待测变量；之后在估算出的煤气放散管网的各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速，根据V＝π(d/2)²*u公式(式中，V表示流量，d表示管径，u表示流速)，即可计算得到煤气放散管网的出口流量，也就是煤气放散流量。

其中，参见图2，基于流体力学和化工热力学建立所述软测量模型的过程，包括如下步骤201～205：

步骤201：基于化工热力学建立煤气放散管网中各管段的物性方程ρ_l,μ_l＝f(z,P_l,T)，式中，ρ_l表示第l管段的流体密度，μ_l表示第l管段的流体粘度，z表示流体组成，P_l表示第l管段的流体压力，T表示煤气放散管网的入口温度(默认各管段的流体温度相等，因此只需测量入口温度即可)。

煤气放散管网中的流体——煤气为混合气体，煤气放散管网中各管段的物性方程包括ρ_l＝f(z,P_l,T)和μ_l＝f(z,P_l,T)，下面以其中一个管段为例，说明ρ_l＝f(z,P_l,T)的建模过程：

S1.1)建立该管段内混合气体的压缩因子Z的方程

本实施例采用Peng-Robinson方程(即PR方程)进行混合气体密度的建模。PR方程形式如下：

其中：

b_i＝0.0778RT_c,i/P_c,i，

aα＝∑∑z_iz_j(aα)_ij，

式中：P为混合气体的压力；R为摩尔气体常数，R＝8.1314J/(mol/K)；T为混合气体的温度(K)；V_m为摩尔体积(m³/mol)；b、b_i、a、a_i、a_j、α_i、m_i、aα为与气体种类有关的常数，通过查表得到；z_i为组分i的摩尔分数；T_c,i为组分i的临界温度(K)，通过查表得到；P_c,i为组分i的临界压力(Pa)，通过查表得到；z_j为组分j的摩尔分数；K_ij为二元交互作用系数，通过查表得到；T_r,i为组分i的对比温度；ω_i为组分i的偏心因子，通过查表得到。

PR方程用压缩因子Z表示为

Z³-(1-B)Z²+(A-3B²-2B)Z-(AB-B²-B³)＝0

式中，A＝aαP/(RT)²；B＝bP/(RT)；

从而得到了混合气体的压缩因子Z的方程。

S1.2)基于S1.1，建立该管段内混合气体的密度方程

混合气体的摩尔质量计算公式：

式中：M_m为混合气体的摩尔质量；z_i为组分i的摩尔分数；M_i为组分i的摩尔质量。

由混合气体的压缩因子Z和摩尔质量M_m可得ρ＝M_mP/ZRT，

式中：ρ为混合气体的密度，P为混合气体的压力，R为摩尔气体常数，R＝8.1314J/(mol/K)，T为混合气体的温度(K)。

下面，仍以其中一个管段为例，说明μ_l＝f(z,P_l,T)的具体建模过程：

S2.1)建立常压下纯气体粘度方程

本实施例采用Thodos法，此法的计算式为：

式中：μ为粘度(cP)，T_c为临界温度(K)，通过查表得到；P_c为临界压力(Pa)，通过查表得到；Z_c为临界压缩因子，通过查表得到；M为分子量；T_r为对比温度。

Thodos计算式中的常数值见表1

表1-Thodos计算式中的常数值

S2.2)建立加压下纯气体粘度方程

本实施例采用Thodos法，此法的计算式如下：

对于非极性气体：

式中：μ为加压下纯气体的粘度(cP)；μ⁰为同温度、常压下纯气体的粘度(cP)；M为气体的分子量；ρ_r为对比密度；T_c为临界温度(K)，通过查表得到；P_c为临界压力(Pa)，通过查表得到；a、b、m为常数。

其中，当0.03≤ρ_r≤0.2时，a＝23.12、b＝25、m＝1.079；当ρ_r<0.03时，a＝11.0、b＝11.0、m＝1.584；

当0.1<ρ_r<3时，

对于极性气体：

当ρ_r≤0.1时，

当0.1≤ρ_r≤0.9时，(μ-μ⁰)ξ＝0.607×10^-5(9.045ρ_r+0.63)^1.739；

当0.9≤ρ_r≤2.6时，lglg[lglg(μ-μ⁰)ξ]＝0.6439-0.1005ρ_r-Δ，

式中，

当ρ_r＝2.8时，(μ-μ⁰)ξ＝0.00900，

当ρ_r＝3.0时，(μ-μ⁰)ξ＝0.0250，

式中，

S2.3)基于S2.1～S2.2，建立混合气体粘度方程

式中：μ_m为混合气体的粘度；μ_i为组分i的纯气体粘度；M_i为组分i的分子量；y_i为组分i的摩尔分数。

步骤202：基于流体力学建立煤气放散管网中各管段的流体压降方程式中，ΔP_l表示第l管段的流体压降，u_l表示第l管段的流速，ρ_l、μ_l同上；

下面，给出步骤202的具体建模过程：

S3.1)直管分析

混合气体在直管中流动的压降可以用下式表示

式中：Δp为流体压降，λ为摩擦系数，l为管段长度，d为管段内径，ρ为流体密度，u为流体线速度。

摩擦系数λ取决于管壁的相对粗糙度和流体的流动状态，如层流或湍流等。流体的流动状态可以通过雷诺数Re来判断。雷诺数Re定义为：式中，为μ动力粘度。

研究表明，对于层流区直管流动，即Re<2000，摩擦系数的计算公式为：

对于湍流区及过渡区直管流动，即400000000>Re>2000，摩擦系数的计算公式为：

对于阻力平方区直管流动，即Re>4000，摩擦系数不在随Re而改变，其值取决于相对粗糙度ε/d，因此上式简化为：

S3.2)局部阻力损失分析

化工管路中使用种类繁多的管件，其阻力损失经常采用局部阻力系数的近似方法：

式中ξ为局部阻力系数，其值查表可得。

阀门阻力损失亦采用局部阻力系数的近似方法：

式中ξ为局部阻力系数，其值查表可得。

步骤203：基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流速方程式中，u_l同上。

步骤204：基于流体力学建立的整个煤气放散管网的压力方程P_n-P₀＝∑ΔP_l，式中，P_n表示整个煤气放散管网的当前压力，P₀表示整个煤气放散管网的初始压力，ΔP_l同上。

步骤205：联立上述非线性方程，求解得到煤气放散管网的各管段流速。

所述软测量模型是由步骤201～204中建立的非线性方程组成的方程组，其中需要说明的是，步骤201～204的执行顺序并不局限，本实施例仅是给出了其中的一种执行顺序而已。

此外，参见图3，本发明实施例还公开了一种应用服务器，以克服工业现场环境的制约，实现对煤气放散流量的在线测量，包括：

获取单元301，用于获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；

计算单元302，用于将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；以及根据所述出口流速计算得到煤气放散流量；

以及输出单元303，用于输出所述煤气放散流量的计算结果。

其中，所述软测量模型是由以下非线性方程组成的方程组：

基于化工热力学建立的煤气放散管网中各管段的物性方程ρ_l,μ_l＝f(z,P_l,T)，式中，ρ_l表示第l管段的流体密度，μ_l表示第l管段的流体粘度，z表示流体组成，P_l表示第l管段的流体压力，T表示煤气放散管网的入口温度；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流体压降方程式中，ΔP_l表示第l管段的流体压降，u_l表示第l管段的流速，ρ_l、μ_l同上；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流速方程式中，u_l同上；

基于流体力学建立的整个煤气放散管网的压力方程P_n-P₀＝∑ΔP_l，式中，P_n表示整个煤气放散管网的当前压力，P₀表示整个煤气放散管网的初始压力，ΔP_l同上。

此外，参见图4，本发明实施例还公开了一种煤气放散流量在线测量系统，以克服工业现场环境的制约，实现对煤气放散流量的在线测量，包括：易测变量采集单元401、数据采集服务器402、web服务器403以及上述公开的任一种应用服务器404；

其中，易测变量采集单元401包括：用于在线测量煤气放散管网的入口压力的压力传感器，用于在线测量煤气放散管网的入口温度的温度传感器，以及用于在线测量煤气放散管网的各阀门开度的阀门开度传感器；

数据采集服务器402，用于获取易测变量采集单元401的输出信号以及应用服务器404发送来的煤气放散量的计算结果，并存储到数据库中；

应用服务器404，用于从数据采集服务器402中读取所述易测变量采集单元的输出信号，并将计算得到的煤气放散量发送给数据采集服务器402；

web服务器403，用于在接收到客户端发出的请求时，从数据采集服务器402的数据库中读取所述易测变量采集单元的输出信号以及所述煤气放散量的计算结果，并将其以web页面的形式发送给所述客户端。

可选的，仍参见图4，所述煤气放散流量在线测量系统，还包括：用于监控数据采集服务器402、web服务器403、应用服务器404和所述客户端的工作环境的防火墙防病毒服务器405。

综上所述，与使用流量计测量煤气放散流量的现有技术相比，本发明应用软测量技术来实现对煤气放散流量的在线测量，所谓软测量技术，就是根据工业现场环境中易于测量的变量来估算不易于测量的变量的工业应用技术，其测量过程不受工业现场环境的制约。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的应用服务器和煤气放散流量在线测量系统而言，由于其与实施例公开的煤气放散流量在线测量方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种煤气放散流量在线测量方法，其特征在于，包括：

获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；

将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；

从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；

根据所述出口流速计算得到煤气放散流量，并输出；

其中，所述软测量模型是由以下非线性方程组成的方程组：

基于化工热力学建立的煤气放散管网中各管段的物性方程，包括：ρ_l随z、P_l及T变化的方程，μ_l随z、P_l及T变化的方程，ρ_l表示第l管段的流体密度，μ_l表示第l管段的流体粘度，z表示流体组成，P_l表示第l管段的流体压力，T表示煤气放散管网的入口温度；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流体压降方程式中，ΔP_l表示第l管段的流体压降，u_l表示第l管段的流速，ρ_l、μ_l同上；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流速方程式中，u_l同上；

以及基于流体力学建立的整个煤气放散管网的压力方程P_n-P₀＝∑ΔP_l，式中，P_n表示整个煤气放散管网的当前压力，P₀表示整个煤气放散管网的初始压力，ΔP_l同上。

2.一种应用服务器，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取易测变量，其中，所述易测变量包括：煤气放散管网的各阀门开度，以及煤气放散管网的入口压力和入口温度；

计算单元，用于将所述易测变量输入到用于描述煤气放散管网的各管段流速与所述易测变量之间的数学关系的软测量模型中，求解得到所述各管段流速；从所述各管段流速中调取出煤气放散管网的出口流速；以及根据所述出口流速计算得到煤气放散流量；

以及输出单元，用于输出所述煤气放散流量的计算结果；

其中，所述软测量模型是由以下非线性方程组成的方程组：

基于化工热力学建立的煤气放散管网中各管段的物性方程，包括：ρ_l随z、P_l及T变化的方程，μ_l随z、P_l及T变化的方程，ρ_l表示第l管段的流体密度，μ_l表示第l管段的流体粘度，z表示流体组成，P_l表示第l管段的流体压力，T表示煤气放散管网的入口温度；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流体压降方程式中，ΔP_l表示第l管段的流体压降，u_l表示第l管段的流速，ρ_l、μ_l同上；

基于流体力学建立的煤气放散管网中各管段的流速方程式中，u_l同上；

以及基于流体力学建立的整个煤气放散管网的压力方程P_n-P₀＝∑ΔP_l，式中，P_n表示整个煤气放散管网的当前压力，P₀表示整个煤气放散管网的初始压力，ΔP_l同上。

3.一种煤气放散流量在线测量系统，其特征在于，包括：易测变量采集单元、数据采集服务器、web服务器以及权利要求2所述的应用服务器，其中：

所述易测变量采集单元包括：用于在线测量煤气放散管网的入口压力的压力传感器，用于在线测量煤气放散管网的入口温度的温度传感器，以及用于在线测量煤气放散管网的各阀门开度的阀门开度传感器；

所述数据采集服务器，用于获取所述易测变量采集单元的输出信号以及所述应用服务器发送来的煤气放散量的计算结果，并存储到数据库中；

所述应用服务器，用于从所述数据采集服务器中读取所述易测变量采集单元的输出信号，并将计算得到的煤气放散量发送给所述数据采集服务器；

所述web服务器，用于在接收到客户端发出的请求时，从所述数据采集服务器的数据库中读取所述易测变量采集单元的输出信号以及所述煤气放散量的计算结果，并将其以web页面的形式发送给所述客户端。

4.根据权利要求3所述的煤气放散流量在线测量系统，其特征在于，还包括：用于监控所述数据采集服务器、所述web服务器、所述应用服务器和所述客户端的工作环境的防火墙防病毒服务器。