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基于蒸汽压方程下的管道煤气流量在线计量系统

时间:2018/01/08来源:未知

摘要:针对目前管道煤气计量中测量精度差或无法计量等问题, 基于水的蒸汽压方程下, 建立了工况下新的管道煤气流量计量模型和在线计量系统, 应用表明, 该在线计量系统不再要求建立管道煤气不同温度下所对应的水蒸汽饱和压力数据库, 从而可以大大简化管道煤气流量计量软件, 可快速准确地实现管道煤气流量实时在线计量。
Abstract :In order to solve the gas measurement problem s, such as low precision or difficult measurement , a new m odel ofmeasurement about gas flux in the pipeline at different work cases based on vapour pressure equation is developed.The applicationof the on-line measurement system show s that a database about w ater vapour saturated pressure in the gas pipeline based ondifferent tem peratures is not needed, which w ould greatly sim plify the softw are of measurement about gas flux in the pipeline andwill quickly and truly realize measurement about gas flux in the pipeline in real time and on line at the design range of flowm eter .

基于蒸汽压方程下的管道煤气流量在线计量系统
1 、引言:
  随着管道煤气应用的日趋广泛, 管道煤气流量计量问题也日益突出 。如何准确计量组分复杂 、流速变化范围很大的管道煤气流量 ,是摆在流量计量工作者面前的一大难题 。根据近几年的文献报道 ,在如何修正湿煤气计量误差取得了一些研究成果[ 1 ~ 9],但没有见到关于湿煤气流量在线计量方面的报道。
  由于经过水洗工艺而得到的管道煤气为含有水蒸汽的多组分且较脏的湿煤气 ,当管道煤气的温度和压力发生变化时, 煤气中所含的水蒸汽的密度与饱和水蒸汽分压力同时变化, 目前还无法在线测量其密度与相对湿度 , 一般是通过测量某一工况下管道煤气的压力 p1和温度 T1,并建立温度 T1下相对应的水蒸汽饱和压力 pmax的数据库来间接计算管道煤气的密度[ 10],这必然会带来较大的计量误差并影响计量速度, 因此 ,本文针对目前应用最多的标准孔板流量计研究了管道煤气密度数学模型 ,解决了快速准确地在线测量问题 。

2、管道煤气流量计量模型的建立:
  用标准孔板流量计法兰取压对管道煤气体积流量进行计量时, 煤气体积流量 Qf与压差 Δp 和煤气密度ρf之间满足以下关系[ 10]: Qf =Ac(Δp ρf)1 2 Ac=2π4Cεd2(1 -β4)-1 2 D =D20[ 1 +λ(Tf -293)] ε=1 -(0.41 +0.35 β4)Δp (kpf)(1)式中, Ac为标准孔板流量计系数 ;C 为标准孔板流量计的流出系数 ;β 为直径比 , β =d D ;d 为标准孔板的最小开孔截面直径;D 为管道内径;λ为管道材料的线膨胀系数 ;Tf为管道煤气温度 ;D20为管道在温度为 20 ℃时的内径 ;Δp 为标准孔板流量计的压差;ε为流束膨胀系数;k 为管道煤气的绝热系数。
  由式(1)可知, 要获得管道煤气流量 ,必需正确测定管道煤气密度, 如果测量不准确,即使获得高准确度的差压、压力、温度, 也不会得到高准确度的煤气流量,甚至存在较大误差。
2.1、标准状态下管道煤气干燥部分密度:
  如果管道煤气经过干燥处理, 煤气中相对湿度 =0 ,则干煤气在标准状态下(压力 p0 =1.013 25 ×105Pa , T0 =273.15 K)的密度 ρ0 为 :ρ0=(ρ1X1 +… +ρiXi +… +ρnXn ) 100 (2)式中 , ρi为管道煤气中第i 种单组分在标准状况下的密度 ;X i 为第i 种单组分在管道煤气中所占的体积百分比 。根据管道煤气中测试的各组分数据 , 代入式(2),就可求出干煤气在标准状况下的密度 。
2.2 、工况下管道干煤气密度:
  由道尔顿分压定律可知 , 管道煤气中干煤气所占的压力为管道煤气的总压力 pf 减去水蒸汽所占的分压力  pmax之差 ,则管道煤气中干煤气成分的密度 ρgf满足:ρgf=ρ0(pf- pmax)T0Z 0p0 T f Z f(3)式中 , Tf 为工况下的绝对温度 ;Zf 为工况下气体压缩系数;Z0为标准状况下气体压缩系数;pf为标准状态下管道煤气干部分压力。
2.3、蒸汽压方程下管道煤气密度数学模型:
  管道煤气是由干煤气和水蒸汽组成的混合物 ,要确定它的密度 ,除了必须知道它在某一状态下的压力与温度外, 还必须知道管道煤气中所含水蒸汽的量, 即管道煤气的相对湿度 。若将管道煤气中的水蒸汽视为理想气体 ,则水蒸汽的密度 ρs和相对湿度满足以下关系:ρs=pmax  Rs Tf(4)式中, pm ax为在管道煤气温度 Tf下, 管道煤气中水蒸汽所对应的最大分压力 ;Rs为水蒸汽的气体常数,Rs =461.9 J (kg·K)。
  当汽液两相平衡时 ,饱和蒸汽的压强与对应温度存在一定的关系, 也就是说饱和蒸汽的压强是对应温度的函数,因此,管道煤气中的饱和水蒸汽压强与对应温度可以用下式表示[ 11]:lnpmax =-ATf+B (5)式中 , A =r Rs;r 为在温度 Tgf时水蒸汽的相变潜热 ;B 为积分常数 。
  考虑到管道煤气介质温度一般不太高, 故分别取水在温度为 0 ℃与 60 ℃时的饱和蒸汽压 0.00611×105Pa 、0 .19919 ×105Pa[ 12]代入式(5), 可求得 A =5 279.36 , B =25.753 4 。这样 , 水的蒸汽压和温度的关系可用下式表示 :pmax =e25.753 4-5 279.36 Tf(6)由于水的汽化潜热随温度而略有变化 ,式(6)仅适用于 0 ~ 60 ℃温度范围的水蒸汽。
  因此 ,可得出管道煤气的密度仅为压力 pf 、温度 Tf与相对湿度  的函数 :ρf =ρgf + Rs T fpmax。
2.4、工况下管道煤气流量计量模型:
  在实际应用中, 一般在标准状态下计量煤气的体积流量 ,此外管道煤气所含水蒸汽量是随着温度变化而变化 ,只有干部分的质量保持不变, 因此, 工况下管道煤气流量可用下式表示 :Q0 = ρf Qf ρ0 (8)将式(1)、(3)、(7)代入式(8),可以得出使用标准孔板流量计对管道煤气流量的新计量模型。Q0 = AcΔp[ C0pf +(1 Rs-C0) pm ax]ρ02Tf(9)式中, C0 =ρ0 T0 Z0 (p0Z f)。

3、管道煤气在线计量系统:
  采用如图1 所示管道煤气流量在线计量系统 。
3.1 、系统硬件:
  节流元件采用标准孔板 。采用金长城 S400 型微机, 包括键盘 、打印机、显示器和磁盘驱动器等。
  A D 转换器采用 12 位 A D 转换插件板 , 可直接将它插入主机标准插座内。变送器采用 DBC 型差压变送器转换差压信号 , 量程为 0 ~ 6 k Pa ;采用 DDZ-Ⅱ型温度变送器转换温度信号 , 量程为 0 ~ 800 ℃;采用DDZ-Ⅱ型压力变送器转换压力信号 ,量程为 0 ~ 1MPa 。它们的输出均为标准 4 ~ 20 m A 直流电流 , 并经电流—电压转换器转换为 1 ~ 5 V 直流电压 。
图 1 管道煤气流量在线计量系统示意图

图 1 管道煤气流量在线计量系统示意图

3.2、系统软件:
  系统应用软件包括两部分 ,数据采集、处理程序与测量数据打 印程序。 数据采集 、处理程 序用VISUAL BASIC 和汇编语言混合编写 , 处理温度 、差压、压力等信号 ,根据式(9)计算煤气流量 ,根据工况条件变化进行实时补偿, 并用随机文本文件保存原始数据,以便能随时 、快速地查找到已测的数据。系统每秒采样30 个数据, 并实时计算最小 、最大 、平均流量, 按要求显示和打印温度、差压 、压力 、相对湿度、煤气流量、日期等参数, 打印程序采用 VISUALFORTRAN 编写而成 。

4 、现场应用:
  已知某厂输送煤气的管道在 20 ℃时的内径D20 =600 mm , 线膨胀系数 λD =11.6 ×10-6mm (mm·℃),煤气在标准状况下的密度(干状态)ρg0=1.332 8 kg m3,煤气的绝热系数 K =1.373 5 , 压缩系数 Zg0=1.0 , Zf=1.0 , 标准孔板的开孔直径 d20=219.45 mm , 其它工况条件数据从略 , 以下为获得的实时在线测量数据, ρgf =1.186 701 9 kg m3, ρs =0.029 861 528 kg m3,Qf =8.682 343 5 m3, Q0 =7.730607 0 m3,测量最大误差为 1 %。

5 、结论:
(1)以标准孔板流量计为计量设备 ,基于水的蒸汽压方程下, 建立工况下管道煤气流量新的计量模型 ,并以标准状态为流量结算计量单位对所测管道煤气流量进行了换算。
(2)由该计量模型的应用可知 ,该模型中不再要求建立管道煤气中因工况温度变化而引起的水蒸汽的饱和压力变化的对应数据库, 可以进行饱和压力的直接求解 ,减小了一次标度转换,从而可以大大简化管道煤气流量计量软件。
(3)将此计量模型引入在线计量系统时 ,测量准确度将进一步提高 ,测量速度将进一步加快,在标准孔板流量计的流量设计范围内可以快速准确地实现管道煤气流量实时在线计量 。

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