焦炉煤气流量测量的比较与分析

ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０２１，３１（６）
焦炉煤气流量测量仪表的比较与分析
刘　欣 东华工程科技股份有限公司　合肥　２３００２４
摘要　本文结合超声波流量计、节流装置及平衡流量计的原理，对上述三种流量计测量焦炉煤气的主要影
响因素进行分析。

结合几种不同仪表的特点，对几种流量计在焦炉煤气流量测量时选型、安装、经济效益等方面进行分析，并总结几种测量仪表的优点与不足。

关键词　焦炉煤气　超声波流量计　节流装置　平衡流量计
刘　欣：工程师。

２
０１３年３月毕业于上海交通大学控制理论与控制工程专业获硕士学位。

从事自动化与仪器仪表设计工作。

联系电话：１８２９７９０１３９０，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｘｉｎ＠ｃｈｉｎａｅｃｅｃ．ｃｏｍ。

中国是世界焦炭产量最大的国家。

２０１９年中国焦炭产量达４ ７亿吨，占世界焦炭总产量的６０％以上。

炼焦用煤生产焦炭的同时会大量产出一种中热值的可燃性气体，这种炼焦工业的副产品叫做焦炉煤气。

焦炉煤气富含氢气与甲烷，经过净化分离后可作为多种有机合成物的原料［１］
，因此焦炉煤
气流量的准确测量也是焦炉煤气综合利用中的重要
部分。

１　焦炉煤气常用流量测量仪表简介
焦炉煤气流量测量可以利用各种类型的流量计，其中包括超声波流量计、节流装置、平衡流量计等。

这些测量方法有着各自的优缺点，适用于不同的工况要求。

１ １　超声波流量计
超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理而开发的流量计。

超声波流量计的信号检测原理可分为传播速度差法、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

当前常用的超声波流量计采用传播速度差法，即安装在管道中的全金属超声波换能器向流体上游和下
游发送声音脉冲（见图１
［２］
）。

根据传感器在顺流和逆流时的传输时间差异来计算流体的速度、体积和质量流量。

超声波流量计流量计算公式如下［
３］
：Ｖ＝
ｐ２
２Ｌ（ｔｕｐ－ｔｄｎ
）ｔｄｎ×ｔｕｐ
（１）
ｑｖ＝π４
×Ｄ２
×Ｖ（２）
式中，ｑｖ为工况下的体积流量，ｍ３
／
ｓ；Ｖ为流速，ｍ／ｓ；Ｐ为超声波通道长度，ｍ；Ｌ为管径，ｍ；ｔｕｐ为逆流时的传输时间，ｓ；ｔｄｎ为顺流时的传输时间，ｓ；Ｄ为上游管道内径，ｍ。

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　大小。

这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。

节流装置流量计算公式如下［
５］
：ｑｖ
＝ｃ
１－β槡
４×ε×π４×ｄ２×２Δ
ｐｐ槡
１（３）
式中，ｑｖ为工况下的体积流量，ｍ３
／ｓ；ｃ为流出系数，无量纲；β＝ｄ／Ｄ，无量纲；ｄ为工况下的孔板内径，ｍｍ；Ｄ为工况下的上游管道内径，ｍｍ；ε
为可膨胀系数，无量纲；Δｐ为孔板前后差压值，Ｐａ；ρ１为工况下流体的密度，ｋｇ／ｍ３。

１ ３　平衡流量计
平衡流量计是基于国标ＧＢ２６２
４在标准孔板和流动调整器基础上研发的一种新型的节流元件，平衡流量计与标准孔板节流元件对比见图２。

图２　平衡流量计与标准孔板节流元件对比图
它的工作原理与差压式流量计一样，即：在理想流体的情况下管道中的流量与差压的平方根成正比；根据伯努利方程用测出的差压值计算出管道中的流量。

平衡流量计的节流元件是一个安装在管道截面上的多孔圆盘节流整流器。

当流体穿过圆盘整流孔时，流体将被节流元件整流，涡流被最小化，形成近似理想流体，通过取压装置，可获得稳定的
差压信号
［
６］。

相比节流装置，平衡流量计具有自
整流效果，其直管段要求低。

平衡流量计与标准孔板直管段对比见图３。

图３　平衡流量计与标准孔板直管段对比图
平衡流量计流量计算公式如下［７］
：
Ｑ＝ＫＹ
Δ
Ｐ槡
ρ
（４）
式中，Ｑ为工况下的体积流量，ｍ３
／ｓ；Ｋ为流量系
数，无量纲；Ｙ为压缩系数，无量纲；Δｐ为孔板
前后差压值，Ｐａ；ρ为工况下流体的密度，ｋｇ／ｍ３。

２　三种流量计比较
超声波流量计、节流装置、平衡流量计在测量原理、适用范围、安装方式等方面各不相同。

２ １　超声波流量计
超声波流量计无可动部件，适应含杂质与潮湿气体的环境，无需日常维护，量程比高，无压损，安装方便，适用于任何口径的流量测量。

超声波流量计不依赖于气体特征，不对流体流动产生任何干扰。

在基本负荷运行的条件下，体积流量范围通常在０
０３ｍ／ｓ到８５ｍ／ｓ之间。

流量计包含一对或两
对传感器、前置放大器和一台电子仪表，可以通过热钻孔或者冷钻孔的方式直接安装在管线上，安装方便。

超声波流量计没有可动部件，不会造成测量元件堵塞与磨损，可以承受焦炉煤气常见的腐蚀环境，无需日常维护。

超声波流量计现场安装图见图４。

图４　超声波流量计现场安装图
２ ２　节流装置
节流装置只有在如下参考工作条件下，流量系数才与国标ＧＢ２６２４中提供的数据相符：
（１）流体充满全部管道截面连续地流动。

（
２）道内流体流速（流动状态）稳定。

（３）体通过节流装置时不发生相变。

（
４）节流装置前后有足够长度的直管段。

（
５）通常节流装置量程比在３∶１［８］。

节流装置需要与差压显示仪表连接，节流装置
安装示意图见图５。

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图５　节流装置安装示意图
标准孔板的现场安装条件要求较高，一般需较长的直管段，至少应为前２０Ｄ后１５Ｄ。

节流装置与差压显示仪表之间引压管线亦为薄弱环节，易产生泄露、堵塞及冻结等故障。

２ ３　平衡流量计
平衡流量计测量精度高，量程比一般为１０∶１，
量程较宽；直管段要求短，前５
Ｄ后３Ｄ即可满足测量精度的要求。

其永久压损比节流装置标准孔板低，在相同工况下，比传统的节流装置永久压损小７０％，节省了正常生产的运营成本。

同时，平衡流量计耐脏污不宜堵，可以用于测量大口径、低流速、脏污、腐蚀性的介质。

当介质为脏污或腐蚀性介质时，平衡流量计需要采用隔膜式的取压法兰。

带隔膜式取压法兰的平衡流量计安装示意图见图６。

图６　带隔膜式取压法兰的平衡流量计安装示意图
综上所述，三种流量计的对比总结见表１。

表１　流量计对比表
超声波流量计
节流装置平衡流量计测量原理传播速度差法中心节流平衡节流管径范围１５～３０００ｍｍ５０～１０００ｍｍ
１５～３０００ｍｍ
安装方式插入式法兰法兰直管段要求至少前２０Ｄ后５Ｄ至少前
２０Ｄ后１５Ｄ
至少前５Ｄ后３Ｄ量程比１００∶１３∶１１０∶１压力损失很小６０％－１００％差压
１０％－３０％差压
耐脏防堵很好差好价格
高很低
较高
优缺点及适
用场合
测量信号稳定，计量准确，无机械传动部件，不易损坏，寿命长，压力损失极低，多用于大管道流量的测量，价格高。

需要温压补偿，安装费用高，不能在线检修，适用于小管径清洁流体，价格很低。

需温压补
偿，测量精度高，直管段要求低，压力损失小，测量范围宽，价格
较高。

３　焦炉煤气净化工艺中的流量计选型
３ １　焦炉煤气净化工艺流程
焦炉煤气净化的工艺流程为：来自界外的焦炉煤气进入电捕焦工段后经螺杆压缩机压缩，后送入粗脱硫工段。

焦炉煤气经粗脱硫塔初步净化后送入ＴＳＡ变温吸附塔。

来自ＴＳＡ变温吸附塔的焦炉煤气经离心压缩机增压，后送至焦炉煤气精脱硫工段脱除有机硫。

精脱硫后的焦炉煤气进入湿法脱碳塔脱除二氧化碳，从而达到净化煤气成分和产品质量的要求。

３ ２　不同工况下焦炉煤气流量计选型
根据工艺流程，焦炉煤气净化工艺中如下三种工况需要测量焦炉煤气流量（对比表见表２）。

３ ２ １　工况一：来自界区外焦炉煤气
针对工况一，该点气体焦油含量高，当尝试选用差压原理的流量计时，为了防止测量管线被焦油堵塞，测量元件需要配套采用隔膜式取压根部阀，因此无法选用标准节流装置。

同时该点测量精度要求为１
％，焦炉煤气压力为０ ００５ＭＰａ（Ｇ），管道直径为ＤＮ２０００，当尝试选用差压原理的平衡流量计时，需配合使用微小量程的隔膜式根部阀及差压变送器，经流量计厂家核算整个测量系统的精度至少
为２
６％，无法满足≤１％要求，且系统压损为０ ００１２ＭＰａ（Ｇ），焦炉煤气管线的压降过大。

经与
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２０２１，３１（６）刘　欣　焦炉煤气流量测量仪表的比较与分析　
表２　焦炉煤气流量测量工况对比表
工况一工况二工况三
流量测量介质来自界区外
焦炉煤气
粗脱硫反应器
进口焦炉煤气
脱碳塔出口
焦炉煤气净化气
管径ＤＮ２０００ＤＮ６００ＤＮ３５０
操作温度压力
４０℃／
０ ００５Ｍｐａ（Ｇ）
４０℃／
０ ４８ＭＰａ（Ｇ）
４０℃／
３ ７８ＭＰａ（Ｇ）
流量１２００００Ｎｍ３／ｈ６００００Ｎｍ３／ｈ１２００００Ｎｍ３／ｈ精度需求贸易级（１％）过程级过程级
允许压损尽可能小１０ｋＰａ２０ｋＰａ
工艺介质组分为（ｍｏｌ％）
Ｈ２：５９ ４６；Ｎ２：４ ５４；ＣＯ：６ ５；ＣＯ２：２ ８；ＣＨ４：２２ ６１；ＣｍＨｎ：３ １９；Ｏ２：０ ９；Ｈ２Ｏ饱和；
含硫物：１１５ｍｇ／Ｎｍ３；
噻吩／二硫化碳：
３０ｍｇ／Ｎｍ３；
焦油：２０ｍｇ／Ｎｍ３
萘：３００ｍｇ／Ｎｍ３
苯：２ｇ／Ｎｍ３；
Ｈ２：５９ ４６；Ｎ２：４ ５４；ＣＯ：６ ５０；ＣＯ２：２ ８０；ＣＨ４：２２ ６１；ＣｍＨｎ：３ １９；Ｏ２：０ ９；Ｈ２Ｏ饱和；含硫物：
１１５ｍｇ／Ｎｍ３；噻吩／二硫化碳：３０ｍｇ／Ｎｍ３；焦油：５ｍｇ／Ｎｍ３；萘：３００ｍｇ／Ｎｍ３苯：２ｇ／Ｎｍ３；
Ｈ２：５９ ７６；Ｎ２：４ ９３；ＣＯ：７ ０７；ＣＯ２：１４ｐｐｍ；ＣＨ４：２４ ５８；ＣｍＨｎ：３ ４７；Ｈ２Ｏ：０ ２２。

业主沟通，在业主可承受范围内，该工况选用插入式超声波流量计。

根据计算，采用对角４５°波形路径的超声波气体流量计，其测量精度可达０ ９％，压损在０ ５ｋＰａ以下，满足要求，采购安装费用在４５万元左右。

３ ２ ２　工况二：粗脱硫反应器进口焦炉煤气针对工况二，该点气体压力为０ ４８ＭＰａ（Ｇ），且该点测量精度要求为过程级，因此以上三种流量计都可以在此处选用。

首先从经济方面考虑，超声波流量计价格较为昂贵，因此此处考虑选用差压式测量原理的流量计。

同时，该点位置的焦炉煤气含焦油量为５ｍｇ／Ｎｍ３，为了防止测量管线被微小焦油堵塞，此处选用隔膜式根部阀及差压变送器，因此该工况无法选用节流装置，而选用带隔膜式取压法兰的平衡流量计。

根据计算，其满刻度差压为４ ２ｋＰａ，最大压损为１ ３ｋＰａ，β比为０ ６，采购安装费用大致在１０万元左右。

３ ２ ３　工况三：脱碳塔出口焦炉煤气净化气针对工况三，脱碳塔出口焦炉煤气已不含杂质，操作压力较高，以上三种测量仪表均可选用，对比表见表３。

根据比较，在三种流量计均满足测量要求的情况下，选用更为经济的标准节流装置方案。

表３　三种流量计测量参数对比表
超声波流量计节流装置平衡流量计满刻度差压／１０ｋＰａ１２ ８５ｋＰａ
正常差压／６ｋＰａ７ ５８ｋＰａ
开孔直径比β／０ ５８０ ７
压力损失≤１ｋＰａ６ ３ｋＰａ３ ６３ｋＰａ
采购价格１８万２ ５万８万
３ ３　三种工况的流量计对比结论
通过上述分析对比，可以得到以下结论：
（１）节流装置需要使用在焦炉煤气较为干净的工况下；超声波流量计及平衡流量计配合隔膜式差压变送器可以测量脏污焦炉煤气的流量。

（２）节流装置压损最大，超声波流量计压损最小。

考虑长期运行能耗，超声波流量计经济性最好，平衡流量计次之，节流装置最差。

（３）节流装置采购成本最低，平衡流量计次之，超声波流量计采购成本最高。

４　结语
焦炉煤气流量仪表的选型非常重要，如何准确测量也是焦炉煤气综合利用时生产部门普遍关注的问题。

在实际的选用中，设计人员需根据不同工况下焦炉煤气的温压、流量、管径、组分及精度要求来合理选择适合的流量仪表。

同时，设计人员也要跟业主进行充分沟通，充分考虑费用、使用经验等各方面要求，合理选型，以保证焦炉煤气流量测量的准确。

参　考　文　献
１　王　鹏．焦炉气制ＬＮＧ装置燃气回收改造［Ｊ］．化工设计，２０２１，４７（１）：５８－５９．
２　郭　涛．时差法超声波流量计测量精度的补偿方法［Ｊ］．应用声学，２０２１（４）：２７－３２．
３　董力纲．基于时差法的外夹式超声波流量检测系统的设计与实现［Ｊ］．计算机测量与控制，２０２０，２８（１１）：５９－６５．４　李淑菊．蒸汽流量测量和蒸汽流量计［Ｊ］．玻璃，２００７（４）：１７－１８．
５　王利东．孔板流量仪表研究现状及改进分析［Ｊ］．科技创新与应用，２０２０（２６）：１０２－１０３．
６　周志猛．ＭＢＦ多孔平衡流量计在硫磺回收超洁净排放中的应用［Ｊ］．石油化工自动化，２０１９，５５（４）：８５－８８．７　王　政．平衡流量计在工程测量中的应用［Ｊ］．现代冶金，２０１４（４２）：６６－６８．
８　李忠良．蒸汽流量测量的准确性分析［Ｊ］．热力发电，２００９，３８（３）：８８－９０．（收稿日期　２０２１－０２－０９）
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