煤气流量的示踪测量

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1990.03.006 第12卷第3期 北京科技大学学报 Vo1.12No.3 1990年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1990 煤气流量的示踪测量 陈鸿复*韩小良* 摘要：闲述了气体泼量示脉法测量的原理、装置和应用。在实验室管道上试验了用氮气 作为示踪剂的流量示踪法测量技术，湖定了管内空气的流量并和标准皮托管测量计算结果进 行了比较，相对误差很小。又对北京焦化厂2台大、中型排气缩机人口讫量用此法进： 了测定，并计算了系统误差。实践装明，这种气体流量示踪法测量的特点是能够用于一般 流重测量仪器难于适立的场合。对进一步提高测量特度进行了讨论。 关键词：气体流量，示踪，氨气，煤气压缩机 Gas Flow Rate Measurement by Helium Tracing Method Chen Hongfu Han Xiaoliang ABSTRACT:Theory,apparatus and application of this method are described in this paper.In a laboratory pipe,the air flow rate is measured by this methcd with a helium tracer.The results are compared with the data got from a sta- ndard pitot tube in the same conditions,and the relative error is very small. The above mcthed is also used in Beijing Coking and Chemicals Plant for mea- suring the inlet coke oven gas flow rate of one large and another medium scale compressors,the systemetic errors of experiment are calculated.It is showed in practice that this tracing method of gas flow rate measurement can be used in the condition which is inavailable for common flow rate measuring instruments. It is disscussed for further improving the measuring precision. KEY WORDS:gas flow rate,tracing,helium,gas compressor 气体流量测量虽然有多种方法，但是有一些场合由于管道布置不符合测量要求，而进行 必要的改动或按传感器由于生产不许可停机而无法实现，这时传统的测量方法显得无能为 1983-02-23收稿·热能系(Dcpt.of Energy Eng.) 233

、 第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 了 煤气流量的示踪测量 陈鸿复 韩 小 良 ‘ 入、 ， 摘 要 阐述 了气体流量 示 踪 法 测量 的原理 、 装 置和 应 用 。 在 实脸 室 管道上 试验 了用 氦气 作 为示 踪 剂的 流 最示 踪 法 测 量技 术 ， 测 定 了 管内空 气的 流 量 井和 标 准皮 托管 测 讹 计 算结果 进 行 了比 较 ， 相 对 误 差 很 小 。 又 对 北 京 然 化厂 台 大 、 中 型 媒 气 板 缩 机 入 日 流 量用 此 法进 行 了 测 定 ， 并 计算了 系统 误 差 。 实 践 表 明 ， 这 种气体 流量 示 踪 法 测 量的 特 点是 能 够用 于 一 般 流 量 测 量 仪 器难 于适 应的 场 合 。 对 进 一 步 提 高测 量 情 度进 行 了 讨 论 。 关 键词 气体流 量 ， 示 踪 ， 氦 气 ， 煤 气压缩机 气 ， 夕 ， 夕 、 ， · 吞 犷 ， 五 · 、 、 ， 、 · 飞 、 ， · · ， 、 厂 呈 · 。 、、 ， ， 王 ， 气体流 量测 量虽 然有 多种 方 法 ， 但 是 有 一些 场 合 由于 管道 布置 不符合测 量要 求 ， 而 进 行 必要 的 改动或 按 传感 器 由于 生 产 不 许可 停机而 无 法实现 ， 这 时 传 统 的测 量方 法显 得 无 能 为 一 一 收 稿 ， 热能 系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．03．006

力，但气体示踪法流量测量由于工作原理不同，它能够用于上述特殊情况下的测量。 这种测t技术在工业中的成功应用还是近十几年的事161，主要是气相色谱分析和标 准气体的配制技术水平的提高使得这种方法的测量误差不断降低的原故。为了堂握这项测量 技术，在实验室和现厂进行了测试研究。 1测量原理) 在没有分支的管道上游以恒定的很小流量注入适当的示踪物，在被测流体与示踪物混合 良好的下游处取样，通过测量示踪物的浓度，便可求出被测流体的流量。 在被测流体是气体的情况下，令注入示踪气体前被测气体的体积流量为Qx,其中示踪 气体的体积浓度为C,。;注人示踪气体的体积流量为Q,体积浓度为C,混合很好的下游 处示踪气体的体积浓度为C,2,则有如下平衡关系： CrQx+C,Qt=Cv2(Qx+Q) (1) 由此得： Qx=〔(C,1-C2)1(C,1-C,)Q (2) 上式中所有气体流量及浓度都是指同一气体状态（温度、压力、湿度）下的值。 若注入示踪气体前被测气体中完全没有示踪气体，即C,。=0,则式(2)为： Qx=〔(C,C,)-1Q: (3) 当以纯气体作为示踪体注入时，C,=1,则行： Qx=C(1/C,2)-1〕Q: (4) 山式(1)可，若能准确地测量示踪（体的非人流量Q,及混介后示踪体的体积浓度 C2,则可计算出被测气体的流量Qx。 对示踪气体的选择必须满足以下条件：(1)不和被测气体起作用：(2)便于分析其成 分，(3)使用安金；(4)容易得到供应；(5)价格合理。 一般用作示踪物的气体有：H2、Hc、Ar、CO2和NO等。我们选择了Hε，因为根谢被 测气体的成分和分析仪器种类以及供气情况等具体条件来看，H比其他气体更好一些。虽然 目前市场售价较贵，但由于测量时间短，使用量少，作为短附间的标定测量，经济负担还不 至于太大。 2对比试验 为了验证这种方法的可常性，在实验宅进行了空气流量的I©示踪法测量，并用标准皮 托答测定了流速后卜算出流量值与之进行对比。实鉴装置图见图1，测量结果见表1。 从表1可以看出，在一定的条件下，H示踪法可以较精确地测出气体流量。这里要注意 234

力 ， 但气体示 踪 法流 量测 量 由于 工 作原理 不同 ， 它能够用于上述特殊情况下的测 鼠 。 ， 这 种测 堆技 术 在工 业 中的 成功应 用 还 是 近 十 几年的事 〔 ‘ 一 〕 ， 主要 是 气 相色 谱 分 析 和 标 准气体 的配 制技 术水 平的提 高 使 得这 种 方 法 的测 量误差 不断降低 的原 故 。 为 了掌 握 这 项测 量 技 术 ， 在实验室 和现厂 进 行 了测 试研究 。 测 量 原 理川 在没 有分 支 的竹道 上 游 以恒 定 的 很小 流 量注入 适 当的示踪物 ， 在被测流 体与示 踪物混合 良好 的下 游 处 取 样 ， 通 过测 鼠示 踪物的浓 度 ， 便 可 求 出被测流体 的流量 。 在被测 流体是气体的情 况下 ， 令注 入 示 踪气体 前被测 气体的体 积流 量 为 ， 其 中 示 踪 ， 气体的体积浓 度 为 。 注 人示 踪 气体 的体 积流 量 为 、 ， 体 积浓 度为 ， 混 合很 好 的下 游 处 示 踪气体 的体积浓 度为 ， ， 则有如下 平衡 关 系 ， 。 ， 、 ， ‘ 由此 得 以 ， 、 一 ， ， 、 一 ， 。 〕 、 二式 中所有 气体流 量及浓 度都是 指同 一气体状 态 温 度 、 压 力 、 湿 度 下的值 。 若 注入 示 踪气体 前被测 气 体 中完 全没 有示 踪气体 ， 即 · 。 ， 则式 为 〔 ， ， ，’ ， 一 〕 、 当以纯 气体 作为示踪 才 体 注 入 时 ， ， 则有 〔 ， 一 〕 ‘ 山式 丁知 ， 若能 准 确地 测 欣示踪 ’ 体的 卜人 流 及棍 合后示踪 气体 的 体 积浓 度 二 ， 则 可计算出被 测 ‘ 体 的流 呈 。 对 示踪 气体 的选 择必须 满足 以下 条件 不 和 被 测 气体起 作用 便 于 分 析 其成 分 使川安 全 容 易得到供 应 价格 合理 。 一般 用 作示 踪 物的 气体 有 、 。 、 、 和 等 。 我 们选 择 了 舰 ， 因为 根 据 被 产 测 气体 的 成分和 分析 仪器 种 类以及供 气情 况等 具体 条件来 看 ， 比其他气 体 更好一些 。 虽然 目前市场 售价 较 贵 ， 但 由干 测 量时 间短 ， 使 用量 少 ， 作 为 短时 间的 标定测 量 ， 经 济 负担还 不 至于 太大 。 对 比 试 验 为 了脸 证这 种 方 法的可 谁性 ， 在 实验室 进行 了空 气流 认的 日 示 踪 法测 呈 ， 并 用 标 准皮 托 若测 定 了流速 后 计算 出流 从值 与之 进行 对 比 。 实验 装置 图 见图 ， 测 髦结 果 见 表 。 从 表 可以 看出 ， 在 一定 的 条件下 ， 示踪 法可以较精确地 测 出气体流量 。 这里 要 注意

保证He注入流量的精确测量，它的流量大小还应该尽量使在混合气体中Hε浓度与标准气中 He浓度相接近。当然首先应保证He与空气充分混合。实践证明，经过闸阀和90°弯管后，He 与空气即能很好地混合。由表1可知， 混合气体中He浓度与标淮气中Hc浓度 相差越大，测量误差越大，尤其在较低 流量时更甚。 由式(4)可见，整个测量系统的误 差主要来自两个方面：一是He注入流 量Q:的测量误差，另一方面是混合后 气体中He浓度C,的分析误差，由式(4) 11 可得出测量系统的误差△Qx可由下式 计算： 图1氨示踪法空气流量测量装置 1氮气瓶，2亚力计，3。转子流量计，4温度计， 5鼓风机：6氢气注入口：7压力计：8阀门： 9气体埌样管，10取样器；11气相色谱仪；12温度 Q.C￥2 计：13标谁皮托管；14斜管压力计。 (5) Fig.1 Apparatus of air flow rate measu- rement by tracing mathod 表1空气流量测定对比 Table 1 Comparison of air flow rate measurement results 序 He示踪法 按标准皮托管测量值 相对误差 计算空气流量0v 号 标准气中Hc 混合后气体中 Hc的供入量 湖得空气流量 Hc浓度，% 0 :m3/h Qx,m3/h m3/h e.-0w100% 浓度，% 1 1.0 0.582 1.092 186.46 180.05 3.56 2 1.0 0.945 1.092 11.43 111.33 2.78 1.0 0.739 1.092 146,71 141.50 3.68 1.0 0.936 1.361 143.99 141.50 1.76 如用相对误差表示则为： -(cd)8 〔(d.)8 (6) 当C,《1%时式(6)可写成如下形式 0=(8)8 235

、 、 保证 注入流量的精确测量 ， 它的流量大小还 应该尽量使在混合气体 中 浓度与标 准 气中 浓 度 相 接近 。 当然首先应保证 与空气充分 混合 。 实践 证 明 ， 经 过 闸阀 和 。 弯管后 ， 。 与空 气即能 很 好地 混合 。 由表 可知 ， 混合气体 中 浓 度与 标 准气 中 浓 度 相差越大 ， 测 量误差越大 ， 尤 其 在较低 流量时更甚 。 由式 可 见 ， 整个测 量系 统的误 差 主要来 自两 个方面 一是 注 人流 量 的 测 量 误差 ， 另 一方面是 混 合后 气体 中 浓 度 、 的 分析误差 。 由式 可 得 出测 量系 统 的误差△ 可 由 下 式 计算 〕 洛 八 二 、 ‘ 气。 万 一 ‘ “ 叼 ‘ 子 图 氦 示 踪 法空 气流 量 测 量装 置 氦气瓶 压 力计 转 子 流量 计， 温度 计 ， 鼓 风 机 氦 气注 人 口 压 力 计 阀 门， 气体 取 样管 ， 取样器 气 相 色 谱 仪 温 度 计 标 准 皮托管 州 斜 管 压 力 计 。 空 气流 皿刹定对 比 研 尸丫一 ︸人 、 之一、工矛 社︸一门‘ 星 序号 阳、 示 踪 法 标准气中 混合 后气体 中 的 供人 量 测得 空 气流 量 浓 度 ， 浓度 ， ， 、 ， 按标准皮托管 测量 值 计 算空 气流量 。 。 。 。 。 。 。 纽 。 。 。 。 。 。 。 魂 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 如 用相对误 差表示则 为 一 八 尹 牡 、 △ ， 一 】 下刃一 叼 ， 。 万 、尸 鱼 △ 、 一 夕 万下 习 一 △ ， 矛 当 ， 《 时式 可写 成如下 形 式 一 ︸ 兰 ︸ ， 十 了、 以入二‘一 一 ，一 ﹃ ︸一 ‘

AQ:AC.: (T) 即被测量'（体流量的相对迟差近似地等于示踪体流量测量相对误差及在气体混合物中 浓度分析相村误差之和。 在试验过程中使用的转了流量计精度为2.5%，用导热式气相色谱仪分析混合气体中含 H©浓度时其分析误差佔计在t2.0%以内「21，故算得最大系统误差为4.5%。如果采用精度 较高的测量Hε气的流量，恻上述系统误差还可诚小，因此利用上述测址方法是能够满足工 业量需要的。 3He示踪法在煤气流量测量中的应用 利用H示踪法测量焦炉煤气流量与上述测量空'气流量的原理及装置基木相问。但是进 行焦炉煤气流量测量时其中比较困难的问题是示踪气体H与被测焦妙煤气混合物中He浓度 的检测。由于焦炉煤气巾含有大量的Hz成分，而H2和Hε的导热系数比较接近，在用导热式 气相色谱仪分析时，两者的峰图极为接近，甚至会发生H峰被H2峰复盖的情况。解决的办 法是采用H:作载气并配制相应的标准气。标准气中含H浓度要定得适当，太小虽然可以减 少He的注入流量，但分析误差会加大，过大则iHe用量增大，提高了测定费用。 在对北京焦化厂输配分厂的一台1-40/8型二级双缸往复式压缩机（额定流量40m3/min) 和煤气净化分广的一台700-3型离心式压缩机（额定流量700m3/min)的实际流量用He示踪 法进行了测量，测量装置示意图见图2，测量结果见表2。由于采用了量程较大的转子流量 计，其精度为1.5%，则测量系统的系统误差佔计敏人为3.5%。 为了得到比较准确的测量结果，应注意以下几：(1)选用精度比较高的流量计测定示 踪气体的流量：(2)标准（成分尽量与实际体的成分相接近，(3）准确测量气体的温度和 压力，以树流量进行修正；(4)采用分析精度高的'（相色谱仪以是高对混合'体中示踪气体 的分析精度。 91011 阳？H©示踪法焦炉煤气流量测量系统装置 1He气源，2转子流量i计，3温度计，4压力计5He注入口，6煤气压缩机， 7取样门：8冷却器：9过泌器：10压缩机，11取样瓶 Fig.2 Apparatus for coke oven gas flow rate measurement by helium tracing method 236

△ 、 △ 只‘ － 十 二 一 即 被测 量 ’ 沐流 准的 相 对 误差近 似地 等 一 示 踪 气体 流 准测 量 相对 误差 及 在气体混 合 物 中 浓 度分析 相对 误差之 和 。 在 试验 过 程 中使 用 的转 流 量计 精 度 为 肠 ， 用导 热 式 气相色 潜仪分析混 合气 体 中含 浓 度时其分 析 误差 估计 在 士 以 内 〔 ’ ， 故 算得 最大 系统 误差 为 写 。 如果采 用 情度 较 高的测 量 气的流 量 ， 则 上述 系统误差还 可减 小 ， 因此 利 用上述 测 量 方法是能 够 满 足 工 业测 量需 要 的 。 示 踪法在煤气流量测量 中的 应用 利 用 示踪 法测 量热 炉 煤 进 流 量 与上述 测 量 空 产 流 量的原理 及 装置 基 本 相 同 。 但 是 进 行 焦 炉 煤 气流 量测 量 时其 中比 较 困难的问题 是示踪 气体 与被测 焦炉煤 气混合物 中 浓 度 的检 测 。 由于 焦 炉煤 气 中含有大 量 的 成分 ， 而 和 的导热 系数比较 接近 ， 在 用导 热 式 气 相色 谱 仪分析 时 ， 两 者 的峰 图 极 为 接近 ， 甚 至 会发生 峰 被 峰复盖 的 情况 。 解决 的办 法 是 采 用 作 载 气井配 制相应 的 标准 气 。 标准 气 中含 浓 度 要定 得适 当 ， 太小 虽然 可 以减 少 的注 入流 肚 ， 但 分析 误差 会加 大 ， 过大 则 。 用 量增大 ， 提 高 了测 定 费用 。 在 对 北京焦 化厂 输 配 分厂 的 一台 一 型 二级 双 缸往 复式压 缩 机 额定流 鼠 和 煤 气净化分厂 的 一台了 一 型 离心式压 缩 机 领定流 员 “ 的 实际流 量用 示踪 法 进 行 了测 量 ， 测 量装 置 示意 图 见 图 ， 测 见结 果 见 友 。 由于 采 川 了量程 较大 的转子流 量 计 ， 其 情度为 ， 则测 从 系 统 的系统 误差 估计最 人 为 。 为 了 得到 比较准 确的测 欣结 果 ， 应注 意以下 几 点 选 用 精度 比 较 高的流量计测定示 踪 气体的流 量 标 准 产 〔成分尽 量 一 与实际 气体 的 成分 相 接近 准 确测 呈气体 的温 度和 压 力 ， 以 对流 量 进 行修正 ， 采 用分析 精度 高的 气 相色 谱仪以提 高对 混 合 几 〔体 中示踪 气体 的 分析精 度 。 图 示踪法焦炉 煤气流量 侧 且 系统装 置 气 源 ， 转 子流 见 卜， 温 度 计， 压 力 计， 注 入 口 ， 煤气压缩机 取 样 飞 ， 冷 却 器 ， 过滤 器， 压缩 机 ， 取 样 瓶 口

表2煤气压缩机流量He示踪法测量结果 Table 2 Measurement results of gas compressor flow rate by helium tracing method 氨气 焦炉煤气 型 压力温度 流量（取样处 煤气-Hc混合后 注入处 取样处 测得流量（注人处 状态下) Hc分析浓度 压力温度压力温度 状态) 号 MPa K m3/h % MPa K MPa K m 3/h 1-40/80.144 301 5.586 0.105 0.1053030.383323 1855,4 700-30.262 301 67.342 0.264 0.0993150.199350 27456.0 4结 论 通过实验室和现厂气体流量测量表明所用氨气示粽法是一种可靠、精度较高，而且便于 使用的流量测量方法，尤其适用于常规流量仪表难于适应的场合。 这种测量方法存在的问题，主要是目前我国氨气价格较高，从而提高了测量费用。此外 这种方法只适用于进行短期测量的场合，例如系统热平衡或运行效率的测试以及流量计的在 线校核等，不适用于需要进行连续长期测量的地方。 参加本试验现厂测试工作的还有北京焦：化厂徐湘明高张汇程师，高春热，苗利红技术员，北京科技大学孙麗，梁丽 花等同学。实验室测试工作得到北京科技大学张挂莲，冯减芝工程师的协助在此一并致谢。 参考文献 1川田裕郎等.流量测量手册，北京，计量出版社，1982 2孙传经.气相色谱分析原理与技术，北京，化学工业出版社，1979 3 Barbier C,ct al.Ironmaking Proceedings,1983;42:261~268 4田村洋一等。铁七钢，1984；70(9)：30 5中川二彦等。川畸制铁技报，1987；19(3)：149~155 237

表 煤气庄 缩机流璧 示踪 法浦班结 果 曰 氦 气 焦 炉 煤 气 压 力 温 度 流 量 取 样处 状 态下 煤气 一 混合 后 分 析浓 度 注 人 处 取 样 处 压 力 温 度 压 力 温 度 视业得 流量 注 人 处 状 态 一 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 结 论 通过 实验室 和 现厂气体流 量测 量表 明所 用氦气示 踪 法是 一种 可靠 、 精度较高 ， 而 且便于 使 用的流 量测 量方 法 ， 尤 其适 用于 常 规 流量 仪表 难于 适 应的场 合 。 这 种测 量方 法存在 的 问题 ， 主要 是 目前我 国氦 气价格 较 高 ， 从而 提 高 了测量 费用 。 此 外 这 种 方法 只 适用于 进行短期测量 的 场合 ， 例 如系统热平衡或运 行效率 的测 试 以及流量 计的在 线 校核 等 ， 不适 用于 需要 进行连 续 长期 测 量 的地 方 。 参 加 本 试 验 现 厂 测试工 作 的 还 有北 京焦 化 厂 徐 湘 明 高级 工 程 师 ， 高 春 燕 ， 苗 利 红 技 术员 ， 北 京 科 技 大 学 孙 震 ， 梁丽 花等同学 。 实验室 测 试工 作 得到 北京 科技 大 学张 桂 莲 ， 冯诚芝 工 程 师 的协助 在 此一 并 致谢 。 参 考 文 献 川 田 裕郎 等 流 量测 量手册 ， 北京 ， 计量 出版 社 ， 孙 传经 气相色谱分析 原理 与技术 ， 北京 ， 化 学工 业 出版 社 ， ， 。 ， 田村洋 一等 铁 己 钢 ， 中 一，二 彦等 崎 铁 技报