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]:

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

式中,ρi为管道煤气中第i种单组分在标准状况下的密度;Xi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

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:

式中,pmax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]: