石灰窑燃烧控制系统BP神经网络实现及其仿真——毕业设计.doc

安 徽 工 业 大 学 毕 业 设 计 （论 文） 说 明 书
冶金石灰窑燃烧控制系统优化技术研究
摘 要
钢铁工业是我国国民经济重要基础和支柱性产业，石灰是钢铁冶金的重要原料，它作为高炉炼铁和转炉炼钢的熔剂，具有缩短冶炼时间、提高生铁质量和钢水纯净度等优点，可广泛应用于湿法烟气脱硫、酸性工业废水处理等环境保护领域、以及轻质碳酸钙、环氧氯丙烷、氧化铝烧结矿制备等冶金、化工生产过程。随着钢铁工业的迅猛发展，对冶金石灰提出了越来越高的要求。因此，开展冶金石灰窑生产过程质量控制理论及技术的研究，实现整个工艺过程综合优化和安全稳定运行，对于进一步稳定石灰煅烧品质，降低生产能耗，减少环境污染、保证钢铁冶炼质量，提高经济效益都具有重要意义。
本文以宝钢梅山钢铁公司套筒式石灰窑为对象，运用参数补偿原理设计了混合煤气流量在线检测方案，采用BP网络建立了石灰窑燃烧系统的优化控制模型，实现了石灰窑生产过程综合优化和稳定运行的效果。

关键词：冶金石灰窑；活性石灰；流量监测；燃烧控制

The optimization technology of metallurgical lime kiln combustion control system朗读显示对应的拉丁字符的拼音
字典

ABSTRACT
Steel industry is an important basis for China's national economy and pillar industry. Lime is an important raw material of steel metallurgy. As a blast furnace and converter steelmaking flux, it can reduce refining time and improve the quality of pig iron and steel purity, etc. And it can be widely used in the field of environmental protection such as wet flue gas desulphurization and acidic industrial wastewater treatment field of environmental protection. It is also used in the metallurgical and chemical production processes such as calcium carbonate, epichlorohydrin, and preparation of alumina sintering. With the rapid development of steel industry, we need ​​increasing demands on metallurgical lime. Therefore, we need to carry out a research on the control theory and technology of metallurgical lime kiln production process quality. Then the whole process can be integrated optimized and be work securely and steadily. This is of great significance on further stabilizing the calcite lime quality, reduce energy consumption, reduce environmental pollution, ensure the quality of the steel smelting and improve the economic efficiency.
In this paper, The Baosteel Meishan Iron and Steel Company sleeve lime will be the targeted. I will use the principle of compensation with the parameter to design and implement the on-line detection program of mixed-gas flow. Then I established an optimal control model of lime kiln combustion system with the BP neural network. As a result, we achieved the lime kiln production process integration and optimization and work steadily.

Keywords：metallurgy lime kiln；active lime；flow detection；combustion control

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 引言 1
1.1课题背景 1
1.2冶金石灰窑生产技术发展现状 1
1.3 本文主要研究内容 3
第二章 冶金石灰窑生产系统相关技术简介 4
2.1冶金石灰窑生产工艺原理 4
2.1.1石灰石煅烧机理 4
2.1.2石灰窑的工艺流程 5
2.2 石灰煅烧质量的影响因素 6
2.3套筒窑的工艺要求及技术指标 8
第三章 石灰窑混合煤气流量监测及其在线补偿 9
3.1 问题的提出 9
3.2 影响计量精度的因素分析 9
3.3 混煤流量补偿校正方案的制定 11
3.3.1基准流量计的选择 12
3.3.2超声波流量计 13
3.4 混合煤气流量的补偿原理 16
3.4.1 密度补偿 16
3.4.2 压力、温度补偿 17
第四章 基于BP神经网络的燃烧控制系统 19
4.1 神经网络 19
4.1.1神经网络简介 19
4.1.2神经网络模型 19
4.1.3神经网络结构和工作方式 22
4.1.4神经网络学习方法 23
4.2 燃烧系统BP神经网络建模与优化 25
4.2.1 BP网络结构 25
4.2.2 BP算法 26
4.2.3 BP网络建模 28
4.3 面向MATLAB的BP神经网络的设计 29
4.3.1 BP神经网络的初始化 29
4.3.2 BP神经网络的创建 29
4.3.3 BP神经网络的训练 29
4.3.4训练数据的预处理 30
4.4 基于BP神经网络燃烧控制系统的MATLAB仿真实现 31
4.4.1 程序的设计 31
4.4.2 仿真结果 33
第五章 总结与展望 38
5.1论文工作总结 38
5.2 研究展望 38
致谢 40
参考文献 41
附录1 套筒窑的结构图 42
附录2 梅钢石灰窑监控系统主画面 43
附录3 训练样本和验证样本数据 43

45

第一章 引言
1.1课题背景
在湿法烟气脱硫、酸性工业废水处理等领域中经常要用到活性生石灰。另外，活性生石灰也广泛应用于轻质碳酸钙、电石、型煤粘合剂、环氧氯丙烷、烧结法氧化铝等钢铁冶金和化工生产过程中。在高炉炼铁和转炉炼钢生产过程中，作为溶剂和造渣材料的石灰主要用来去除冶炼中的有害元素，如硫、硅、磷等杂质，它具有有缩短冶炼时间、提高生铁质量和钢水纯净度、延长炉体寿命等优点。石灰质量的主要衡量指标是活性度，它与很多因素有关：其一是石灰窑窑型的选择。二十年来,我国冶金行业通过技术引进和自主开发建设投产了一批能够生产出活性石灰的石灰窑，利用这些石灰窑使得我国的优质活性石灰的产量能达到冶金石灰总产量的30%左右，即便这样还不能满足实际需要；其二是石灰窑生产过程的参数检测和燃烧控制。石灰窑窑型的选择可以说是生产高质量活性石灰的前提，而煅烧过程的参数检测和燃烧温度的有效控制则是生产高质量活性石灰的保证。目前，我国的钢铁工业正处于快速发展阶段，因此我国的炼钢生产对活性石灰的需求数量更大，对活性石灰的质量也提出了更高的要求。
活性石灰是一种在炼钢过程中熔解速度快、化学性能活泼、反应能力强、所含的氧化钙含量高、有害杂质少的优质石灰。它具有氧化钙结晶细小、气孔率高、比表面积大等物理特性。与普通石灰相比,活性石灰用于炼钢生产能够减少石灰消耗20%左右、缩短冶炼吹氧时间10%左右，提高废钢比2.5%左右、提高钢水收得率1%左右，同时活性石灰用于炼钢生产时还能够提高转炉的炉衬寿命[1][5-7]。目前，发达国家的炼钢生产已经全部采用活性石灰。我国为适应钢铁工业的发展，也提出了转炉炼钢使用活性石灰的基本技术政策，为实现规范化管理 ，先后颁布了ZBQ27001-85标准、YB/TO42-93标准[7]。此外，石灰煅烧过程中的供热能源通常采用冶金工业生产过程中所回收的高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。要充分利用好这些二次回收能源，减少热能消耗，提高燃烧效率，并生产出高质量的石灰，供热煤气的流量监测与调节以及石灰窑燃烧过程的控制是其生产过程中的关键问题。
1.2冶金石灰窑生产技术发展现状
石灰窑生产技术历史悠久、发展迅速，就水平而言，德国、意大利和日本最高，其次是法国、俄罗斯等欧美国家。我国虽有几千多年生产和使用石灰的历史，但现代石灰窑生产技术应用起步较晚，随着钢铁和化工工业的发展，解放前后建成一批以焦碳和煤为燃料的竖窑。自80年代初国内开始从国外引进许多先进的石灰窑炉，经过不断消化、吸收和改进，已形成了一系列具有特色的石灰窑，而国内现在钢铁产业中用的最多的就是套筒石灰窑，实践证明此种石灰窑生产的石灰质量好，能给钢铁工业带来较好的综合效益。
上世纪八十年代，套筒窑首先在化工行业从引进到我国。冶金行业第一个建成投产的套筒窑于1998年在宝钢股份梅山钢铁公司。套筒窑的工艺相对比较先进、烧成石灰品质好、活性度高、能耗低、负压操作环境好、维护费用低和能够实现全自动化控制，在我国冶金行业倍受关注。现在我国冶金行业建成的有二十几座，正在建设有十几座。化工行业已建和在建的套筒窑也为数不少。
套筒窑又称环形套筒窑（Annular shaft kiln）是一种竖式石灰窑[4]，于1961在西德开发，1963年开始运行。内部有强制冷却的内筒，其空间结构由同心的外壳和内套筒组成，使石灰石通过的宽度变小，石灰石在此环形空间内进行煅烧。
套筒石灰窑一个显著的特点就是循环气体的产生。循环气体使得物料和燃料在石灰窑内形成了并流煅烧带，使环形套筒石灰窑能生产出高活性度的石灰；同时循环气体也使窑内的热量得到了充分利用，降低了石灰产品的热耗；而且可以通过控制循环气体在窑内的流量和循环气体温度，实现对环形套筒窑煅烧过程的控制，减少了石灰的生烧和过烧现象。此外，套筒式石灰窑还具有如下特点：煅烧工艺合理；作业率高；适用燃料范围宽；石灰窑体设备简单；它的结构设计保证了最大可能的回收热量，所以热耗较低。另外，环形套筒石灰窑的生产过程是处于负压操作下的，可以减少对周边环境污染，改善操作人员的工作环境。
随着套筒窑工艺技术的日渐成熟，国内外都积极向自动化技术方面发展，取得了显著成效。如意大利的特鲁兹·弗卡斯公司开发的石灰窑自动控制系统，具有自动检测、自动诊断和自动调节等多项功能，可实现石灰窑上料、布料、燃烧、出灰、除尘等工艺环节的自动化操控。国内以宝钢为代表的几家大型钢铁企业在石灰窑自动化技术应用方面也处于较高水平，但由于采用国内转化设计，关键设备国外引进，绝大部分国内生产制造。经过几年的摸索、消化、改进，套筒窑运行状况良好，但在燃烧自动控制方面还不完善，有待进一步提高。目前，石灰窑自动控制系统总的设计原则是，将各现场环节的压力、温度、流量和物位参数通过仪表变送器传送至PLC，系统根据工艺过程控制程序进行处理和计算，然后向电机控制中心和现场有关设备发出指令，对石灰窑的运行进行自动调节。当出现故障时，系统会自动报警。目前，随着现代自动控制技术产品已进入成熟的应用阶段，如DDC（直接数字控制）、PCS（程序控制）、DCS（集散控制）、PROFIBUS（现场总线系统)、PLC基础自动化和过程计算机分布式控制系统等等，石灰窑生产控制系统也开始进入到以生产全过程的控制、优化、调度、管理为特征的综合自动化模式。生产过程控制的目标已从保持生产的安全平稳进入到提高质量、增产降耗、降低成本、清洁成产、适应市场、提高效益的阶段。
1.3 本文主要研究内容
本文以宝钢梅山钢铁公司套筒式石灰窑为对象，主要研究内容如下：
1、运用参数补偿原理设计并实现混合煤气流量在线检测方案
工程上通常采用差压式孔板流量计进行冶金石灰窑的混合煤气流量在线检测，本文通过其误差产生因素的分析，提出了以超声波流量计为基准检测总管煤气流量进而实现对各支管煤气流量在线补偿的方法，推导了石灰窑混合煤气流量检测的在线密度补偿算法，进而制定了多参数补偿的混合煤气流量计量检测方案。
2、基于经济运行的冶金石灰窑燃烧过程优化控制
本文通过石灰窑经济燃烧的特性分析，提出了提高热效率实现石灰窑生产过程的经济运行的方法。论文采用BP网络建立了石灰窑燃烧系统的优化控制模型，并用Matlab对其进行训练仿真，从而达到石灰窑生产过程综合优化和稳定运行的效果。

第二章 冶金石灰窑生产系统相关技术简介
冶金石灰窑的种类很多，各类石灰窑的燃烧机理基本相同，但工艺要求差别很大。本文主要研究套筒式石灰窑。
2.1冶金石灰窑生产工艺原理
2.1.1石灰石煅烧机理
石灰是通过石灰石煅烧而成，石灰石的主要成分是碳酸钙，石灰的主要成分是氧化钙。烧制石灰的基本原理可用下面的化学反应方程式来表示：

以上分解反应需在高温状况下进行，达不到分解温度便不发生，而且在分解时，需要大量的分解热。在工业上对生石灰的性质、反应性能等方面的要求通常互不相同，所以，必须按生石灰的用途适当进行加热。确定加热制度时还要考虑到杂质的影响。
作为石灰石主要成分的碳酸钙，通常是以称之为方解石的矿物形式存在的。方解石分解出二氧化碳的反应在普通石灰炉中分解温度大约为9000℃，但在工业生产中由于石灰石是以块状煅烧的，所以，由于CO2分解压的关系，在石灰石块内部所需温度要比前述分解温度稍高一些。并且，一般认为因结晶的状态和杂质的影响，也使石灰石的分解压力和温度出现少许差别。
石灰石达到分解CaCO3温度后，边吸收一定的热量边进行分解。该热量叫做分解热，它随基准温度的不同而不同，若把1㎏纯石灰从2000℃加热到9000℃，并在9000℃分解之后，再把所得到的生石灰和CO2又冷却到2000℃，那么这一过程的热收支如下：
(1) 从2000℃加热到9000℃耗热234kcal；
(2) 在9000℃时的分解热为396 kcal；
(3) 生成CaO从9000℃冷却到2000℃放热105kcal；
(4) CO2放热103 kcal。
在工业生产中煅烧石灰时，尽可能回收(3)、(4)两项热量，这在经济上是很必要的。
石灰的煅烧度一般分类为软烧（soft）、硬烧（hard）和死烧（dead）。石灰石分解时释放占其重量40%左右的CO2，所以在分解瞬间的生石灰（CaO）具有结晶细、比表面积大、空隙度大（但各个晶粒间空隙小）、假比重小、反应性能强等性质，这种状态的生石灰称为软烧石灰。这种石灰若在高温下长时间煅烧，细的晶粒逐渐熔合，总体积收缩，这种状态的石灰一般称为硬烧石灰。再进一步提高煅烧度，水化反应速度变得极低，此谓之死烧石灰。
2.1.2石灰窑的工艺流程
石灰窑的类型若按石灰窑炉的结构形式来划分，可分为普通竖窑、环形套筒窑、回转窑、并流蓄热式竖窑（麦尔兹窑）、双梁窑（弗卡斯窑）等[5]。
石灰窑所用燃料有固体、液体和气体三种。固体燃料杂质含量较高，对石灰的活性会造成一定影响。液体燃料比较短缺，所以一般不用。选择气体作为石灰窑的燃料即方便又可提高石灰的活性，气烧石灰窑所用气体燃料主要包括高炉煤气、焦炉煤气、电石尾气、发生炉煤气、天然气等。在生产高活性度石灰、资源的投入产出比等方面，气烧石灰窑与使用固体、液体作为燃料的石灰窑相比都具有较多的优点，所以得到了较快发展[6]。
一般来讲，石灰窑主要由窑体、上料装置、布料装置、燃烧装置、出灰装置、电气仪表装置、除尘装置等组成。不同类型的石灰窑，其结构形式和锻烧形式有所不同，工艺流程基本相同，设备价值可能会相差许多。近年来，随着对活性石灰的质量要求越来越高，人们对石灰窑也进行了大量的实践和研究，从石灰窑体的结构到燃料类别出现了多样化的趋势。
气烧石灰窑生产石灰的工艺过程为：石灰石经上料装置和布料装置送入石灰窑体内，燃料气体由管道输入并在燃烧室内燃烧后送入窑内。石灰石在窑内先经过预热带预热到850℃左右开始分解，到1250℃左右完成锻烧，生成的石灰经冷却系统冷却后卸出到石灰料仓中。
套筒石灰窑的生产工艺流程如图2-1和附录1套筒要工艺流程所示。石灰石先进入称量料斗，称重后，石灰石由称量料斗近入料车自动上料到窑顶，通过溜槽进入旋转布料器，布料器旋转到不同的点后，料钟打开，石灰石在窑顶进行二次布料，然后进入窑体。料钟具有锁气的功能。整个环形空间由外壳大墙和上、下内套筒组成。具体工作过程如下：
石灰石先经预热带PZ，再到煅烧带。一个套筒窑有两个烧嘴平台7、8, 每个平台上，沿窑体均匀分布烧嘴，烧嘴的数量根据产量的不同而不同。日产500T套筒窑每层烧嘴平台有6个烧嘴。在煅烧带分为三个部分，即UB，MB和PF。UB和MB属逆流煅烧， PF属并流煅烧。石灰经过并流煅烧区PF后, 开始进入冷却带CZ。由于废气风机从窑顶抽气，石灰冷却空气从窑底自然吸入窑体，冷却石灰。石灰在液压装置11的驱动下，经出灰平台12，进入窑底料仓13。窑底电振连续不断清仓。内套筒6上有开孔15和气道，循环气体从此进入内套筒。上下两层燃烧室9、10，沿圆周均布，在内套筒6上循环气体入口也沿圆周均布，保证整个横截面上气流的均布。上拱桥16由耐火材料组成，位于上燃烧室出口的上部，石灰石在向下移动的过程中，在上拱桥下形成一个V型的空间，两边布满石灰石，热量通过这个空间向石灰石里渗透，进行煅烧。沿环形截面均布多个拱桥，整个石灰石就能均匀的煅烧。夹层的内套筒内外都有耐火材料，内套筒采用空冷，冷却空气的出口管在上拱桥16内的管17，冷却空气从管17出来后, 进入冷却空气环管18，一部分作为二次风进入烧嘴参与燃烧，剩余的冷却空气通过环管排进大气。驱动空气首先在热交换器中被预热到500℃，热源是在上内套筒5中出来的废气，被预热的空气先进环管24，再到引射管。并流的气体在下内套筒6的入口处与冷却空气汇合，在内套筒的内部上升到上拱桥中循环管21，再到引射器中与驱动空气汇合，一起进入下燃烧室10，引射器19内高速气流是产生循环气体动力。由于在下燃烧室10内空气过剩，因此煤气充分燃烧。在下燃烧室10中的气体分为两部分，一部分在引射管19的作用下，向下进入并流区PF，一部分在废气风机的作用下，进入逆流区MB。由于石灰石不断的分解，在并流区PF中气体的温度也逐渐下降。在上燃烧室9中，煤气过剩，不能充分燃烧，这部分过剩的燃料在拱桥下的V型空间内与从下燃烧室上来的气体汇合, 在石灰石中间进一步的燃烧。在逆流区UB中，石灰石大部分已分解, 这种渗透燃烧既不会影响石灰的质量, 也不会影响耐材。70%废气从预热带PZ上升到环型空间22, 通过废气管道与来自换热器的30%废气汇合, 在废气风机的作用下, 到除尘, 最后排放。
从结构上看，套筒窑由窑外壳和内套筒组成，从上至下大致可分为四个区域：即石灰石预热带，上、下燃烧室之间逆流煅烧带，下燃烧室下部并流煅烧带和石灰冷却带，物料与气流就在内、外壳体之间流动。在物料流动方向上，窑顶的横梁、上拱桥、下拱桥和出料门四部分结构，上下两两之间呈600角交错分布，实现了物料在向下流动的过程中的自动再次分布，保证了不同粒度的物料在窑体内均能均匀受热煅烧。物料在环形空间内自上而下，进行四次布料。套筒式竖窑另一个结构特点独立的燃烧室。燃烧室沿圆周方向均匀布置，位于每个拱桥下面。燃料在燃烧室内充分燃烧后，均匀和稳定的高温气流进入物料层。避免火焰直接与物料接触。燃料变化对套筒式竖窑影响相对较小。
从气固流动方向来看，套筒式竖窑属于并流煅烧石灰窑。利用从喷射管内喷出的高速流动热空气，在下燃烧室处产生低压区，使从下烧嘴进入的燃料和助燃空气与窑内的物料在下燃烧室下部同时向流动并与之反应，形成并流煅烧带。在并流煅烧区域内，石灰石原料充分与高温气体接触，反应生成石灰产品。
2.2 石灰煅烧质量的影响因素
石灰质量的主要衡量指标有两个：一是石灰的化学成分。有效氧化钙含量要高，有害成分硫、磷、二氧化硅等的含量要低。二是石灰的活性度，即石灰中的主要成分氧化钙要有活泼的化学性质。活性度体现了石灰在熔渣中与其它物质的反应能力，表现为石灰在造渣过程中的反应速度[7]。
影响石灰锻烧质量的主要因素有：
一、石灰石的质量及石灰石粒度的大小。石灰石的主要成分是碳酸钙，为获得

图2- 1 套筒石灰窑生产石灰的工艺流程图
氧化钙含量较高的活性石灰就必须选择优质的石灰石。优质石灰石是指碳酸钙含量高、杂质含量较低的石灰石。石灰石中含有的有害杂质主要有：氧化钙、氧化铝、三氧化二铁、氧化钾、硫、磷等。这些杂质在高温下容易与氧化钙结合生成硅酸盐、铝酸盐等。这些盐类在煅烧带内呈液相存在，易造成石灰在窑内结瘤。所以，石灰石的质量在很大程度上决定了冶金石灰的质量，石灰石的氧化钙含量和结晶结构是烧出好质量石灰的前提。石灰石粒度的大小对石灰的煅烧质量有很大影响，超下限粒度标准的石灰石会降低窑内石料的透气性，从而影响气流的均匀分布、进而影响窑内的煅烧温度。超上限粒度标准的石灰石因为粒度大，需要的导热时间长。石灰实际上是一种绝热体，要把热量通过氧化钙绝热层传递到石灰块中心，那么表面和中心就必然会有温度差。表面温度高容易使表面产生过烧，而过烧层产生后更加影响了石灰中心的分解速度，出现内生外焦的现象[8-11]。所以说要保证小粒度的石灰石分解后不会过烧，又要使大粒度的石灰石也能完全分解。所以要求石灰石粒度配比合理，大小比大约是二比一，这样可改善石灰窑体内气流的运动状态，增强石灰的煅烧效果。
二、燃料。气体燃料比固体、液体燃料加热效果好；同时气体燃料在生产中产生的污染物与使用固体燃料相比大为减少 ,可以带来较高的环境效益和社会效益。
三、煅烧温度。石灰石在1000℃～1150℃左右的温度下生产的石灰疏松多孔,石灰活性度高。随着温度的升高，氧化钙的晶体结构不断发育，由杂乱排列到逐渐紧凑，使得结构致密，石灰气孔率下降，比表面积降低，石灰活性降低。因此，煅烧温度要控制在适宜的温度范围。
四、石灰窑窑体压力。合理控制驱动风机压力和废气风机产生的负压，减少热量对外散失。因此石灰窑窑体压力是影响整个石灰生产系统的热效率的重要因素之一。
五、其他因素。煅烧时间、石料的运行方式、加料、出灰方式、石灰窑体密封效果、自动化控制生产水平、管理因素、工人的素质等。
2.3套筒窑的工艺要求及技术指标
套筒窑工艺要求上燃烧室为欠氧燃烧、下燃烧室为过氧燃烧，要保持窑况稳定，内部不能出现二次燃烧，否则对拱桥及耐火材料有不利影响，窑顶和窑底温度会偏高，影响设备的使用寿命。通过控制循环气体的温度，使煅烧过程得到控制并充分利用热量。环型套筒式竖窑内的循环气体是指从下烧嘴进入的燃料和助燃空气，在下燃烧室下部的并流煅烧带与石灰石原料充分反应后，与从窑底冷却带进入的冷却空气一起进入到下内套筒上段内，后经过上拱桥内的循环气体通道管流入喷射器，与喷射管内的热空气混合后一起再次喷射进入下燃烧室的这一部分气体。循环气体的产生，在窑内形成了并流煅烧带。同时循环气体也使窑内的热量得到了充分的利用，降低了石灰产品的热耗。
本文通过控制循环气体在窑内的流量和石灰窑的窑体压力，实现了对环形套筒窑煅烧过程的控制，生产出来的石灰质量得到很好的控制，使石灰窑的热效率得到了很大的提高。

第三章 石灰窑混合煤气流量监测及其在线补偿
3.1 问题的提出
梅山钢铁公司煅烧石灰采用的套筒式石灰窑，上下两层，共有12燃烧室。气烧套筒窑以转炉煤气为燃料,使得钢铁厂的二次能量得到充分利用。同时,生产中产生的污染物比使用固体燃料相比大为减少,带来了不可忽视的环境效益和社会效益。
套筒石灰窑的操作主要是控制循环气体温度，即通过控制循环气体的温度来调节煅烧状况进而保证石灰质量。而循环气体温度的稳定是通过调节供热煤气流量来予以实现，但是，由于煅烧石灰燃料采用的是混合煤气，由于工艺条件发生变化或其它原因，将会导致混合煤气的混合比随时改变。以高炉、焦炉、转炉混合煤气来说，由于气体的密度、动力学粘度等热力学性质不尽相同，因而造成混合煤气的密度等热力学参数也在不断发生变化，而目前国内大部分企业都采用孔板式差压流量计来计量监测混合煤气的流量。作为一套已设计定型的节流装置来说，其设计压力、温度、刻度流量、介质密度、动力粘度等参数是固定不变的。而节流装置在实际应用过程中，介质的实际工作压力、温度也不会总保持在设计的温度和压力附近，经常出现很大的波动，因此，在生产过程中，混合煤气的密度等热力学参数的不断变化将会导致测量数据出现很大偏差，从而给煅烧供热调节带来一定的影响，使石灰工序能耗增加，石灰质量不稳定。
为使在煅烧过程中实际供热与理论要求一致，煤气的流量测量一定要与实际相符，这就要求孔板流量计测量过程中对煤气密度、压力、温度等热力学参数进行在线补偿。这对于提高活性石灰的质量、改善冶炼条件、提高钢水质量、充分利用好二次能源（高、焦、转炉回收煤气）以及减少石灰煅烧过程热能消耗都具有重要意义。
3.2 影响计量精度的因素分析
梅钢石灰窑采用的就是环形套筒石灰窑。套筒窑的燃烧室设在石灰窑窑体的中部，并分为上下两层，上层的称为上部燃烧室，下层的称为下部燃烧室，上下两层燃烧室错开均布，共12个，燃料在燃烧室内燃烧，将高温燃烧废气送入窑内，从而使从石灰窑顶部加入的原料石灰石在下降的过程中得到均匀的加热。只要合理控制加热温度，就能烧制出质量较好的石灰。而温度主要是通过控制混合煤气的流量来控制的，因此，煤气流量的检测具有举足轻重的意义。下面以500TPD ASK（Annular Shaft Kiln）窑为例，其供气流量检测系统示意图如图3-1所示：

图3- 1 梅钢石灰窑供气流量检测系统示意图
由示意图可以看出，煤气由总管由12条支管分别向上下两层燃烧室供气，总管及支管均是采用孔板流量计计量煤气流量。而孔板流量计检测煤气流量时是设煤气的密度为一确定值，并通过测量流过孔板的煤气的压力变化计算出煤气的体积流量[12]。下面，本文根据孔板流量计测量流体流量的一般计量公式来简单分析其测量误差存在机理及解决方法。
孔板流量计的计量公式：
(3-1)
式(3-1)中：为孔板流量计的体积流量；C为流出系数，β为孔板孔径与管道内径之比，d为孔板孔径，D为煤气管道内径；为可膨胀性系数；为孔板前后的差压；ρ为孔板入口端煤气密度。
由孔板流量计的基本计量公式可知影响孔板流量计进行煤气计量的主要因素有：
流出系数C，可膨胀系数，孔板前后的差压，煤气的密度ρ，孔板孔径d及孔板孔径与管道内径之比β。
下面分别分析这些因素对煤气流量测量的影响：
对于确定的孔板和被测介质，式(3-1)中均为已知常数, 则孔板流量计的体积流量和差压就为开平方关系。对流量的影响都举足轻重，在实测中一定要保证的高测量精度。但在实际测量时，并不是常数, 它们与被测气体的温度、压力及成分变化等有关。目前直接在线测量这些参数十分困难。因此，对于单一流体, 在一定温度、压力范围内，变化较小，其影响也较小, 一般可忽略不计；密度的变化及影响不可忽略，且与气体的温度、压力有关，所以一般通过测量温度和压力，并使用理想气体状态方程计算出密度进行间接补偿。但如果所测气体是混合气体, 只做温度、压力的补偿是达不到要求的。因为当混合气体的混合比例发生变化时, 即使温度、压力不变, 密度也已经发生了较大变化, 如果仍用原来的参数计算必然导致较大的测量误差[13]。
由公式(3-1)可知，密度和差压处于同样重要，如果计算时所采用的密度值不准，即使差压的测量精度较高，测量结果也达不到较高的精度。差压的测量精度孔板流量计本身可以保证，所以影响石灰窑混合煤气流量检测精度的主要因素就体现在由于混合比及温度、压力变化导致密度的变化上。因此，在混合煤气流量测量中对密度补偿至关重要。
3.3 混煤流量补偿校正方案的制定
通过对孔板流量计的误差分析可知，影响其检测精度的主要因素是检测对象的密度及差压。差压的精度孔板流量计本身可以保证，因此影响孔板流量计测量精度的主要因素就是密度。为此，本文提出一种基于补偿原理的混合煤气流量在线检测校正方案，如图3-2所示，采用一台高精度的基准流量计对总管的煤气流量进行检测。选用高精度基准流量计是因为其具有量程比高、精度高、无压损、可测湿气体和重复性高等优点，通过总管高精度基准流量计与原有的孔板流量计的实时检测值可推算出煤气密度的实时变化量，进而对各个燃烧室的分管孔板流量计进行煤气密度的在线补偿，从而达到提高混合煤气流量检测精度以及有效降低系统改造投资成本、提高经济效益的目的。

图3- 2 梅山石灰窑煤气流量检测系统设计方案示意图
图3-3为梅钢石灰窑煤气流量检测补偿系统具体实施方案。如图所示系统通过现场PLC的A/D模块把孔板流量计测量的混煤流量送到上位机中进行分析换算，运用补偿算法，通过D/A模块送到现场，来调节各支管的混煤流量。

图3- 3 梅钢石灰窑煤气流量检测补偿系统实施方案
3.3.1基准流量计的选择
在上述设计方案中，主要是依据基准流量计所测总管煤气流量，从而推出各支管在增加基准流量计后的煤气流量，从而实现对各支管流量的在线补偿。所以基准流量计既要满足较高的精度要求，还要适合测量煤气流量，因此基准流量计的选择至关重要。本节主要从分析主要流量仪表的应用范围出发，来分析基准流量计的选用。
为了选择到性能稳定、价格合理的测试仪表，需要对几种常用的流量计进行分析比较。在工业生产实际应用中，目前常用的流量计有转子流量计、电磁流量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计、热式气体质量流量计、热式气体质量流量计、超声波流量计等。(1) 转子流量计采用浮子原理可对液体和气体的流量进行测量。在工业应用中转子流量计的测量范围可达：空气为5×10-4m3/h～300m3/h，水为4×10-5m3/h～150m3/h。转子流量计主要应用在化学工业、石油化工、医药计量、机器和仪器制造、食品工业以及水处理等领域的实验分析和过程控制。(2)电磁流量计可检测一般液体和带有固体颗粒、糊状材料及带有泥浆沉积物的液体。它的使用范围受到最小导电率的限制，被测液体必须具有一定的导电率。电磁流量计不适用于测碳氢化合物，如汽油、石油等。(3)涡街流量计能按照卡尔曼涡街原理测量粘度很小的液体、气体和蒸汽的体积流量。形成涡街的前提是管道中的流动液体必须处于紊流状态。(4)科里奥利质量流量计可直接测量质量流量，还可附加检测流体密度和介质温度。但其价格昂贵并且复杂几何形状的测量弯管使压力损耗增大，强烈的机械振动和冲击会影响流量计的机械装置，严重时会产生较大的测量误差。(5)热式气体质量流量计是利用气体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热气体时气体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的。它不需要进行压力和温度修正，直接测量气体的质量流量，是真正的直接式质量流量计。热式质量流量计适用已知截面积的任意形状管道，适合测量腐蚀性气体，还可用于极低气体流量监测和控制。(6)超声波流量计在原理上可用两种方法进行测量：多普勒效应方法和时差测量方法。多普勒效应方法需要流体中含有反向物质。由于在流体中反向物质的性能不稳定，到目前为止，这种方法仅在少数场合得到应用。时差测量方法在工业界应用已有30多年历史。它具有精度高和可靠性好的特点。除了测量体积流量外，同时还能导出超声波在被测流体中的传播速度。在工业界，超声波流量计用于气体、液体和蒸汽体积的测量已有几十年的历史。应用范围从原来的污水测量扩展到天然气、空气、甲烷、氮气、氨气、磷酸和重油的测量，还可以测量纯净水和油水混合物。
综合考虑了各种流量计的性能应用范围后，科里奥利质量流量计和超声波流量计均可作为基准流量计。但考虑到梅钢石灰窑原检测系统是采用孔板流量计进行测量，所测为体积流量。超声波流量计所测也为体积流量，所以采用超声波流量计比质量流量计更容易实现。所以最终确定选用超声波流量计为基准流量计。下面从超声波流量计的测量原理及其优点两个方面简述为何选择超声波流量计为基准流量计。
3.3.2超声波流量计
一、超声波流量测量原理
超声波流量计根据测量原理的不同，可以具有不同的形式。它们所依据的原理有：传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法、流速—液面法。本节仅讨论工程中应用较多的多勒法和传播速度差法超声波流量计的工作原理。
1、多普勒超声波流量计
多普勒超声流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的，多普勒效应可表述为：当发射器和接收器之间有相对运动时，接收器的接收声频率与发射器的发射声频率之差和两者之间的相对速度成正比。多普勒超声流量计的测量原理如图 3-4所示。发射换能器1以一定的角度发射出频率为的超声波信号，经过管道内流体中的悬浮颗粒或气泡将声波反射到接收换能器2，反射后的频率会发生偏移，反射到换能器2上的频率将变为。与之差即为多谱勒频差。

图3- 4 多谱勒效应超声波流量计测量原理图

设流体流速是，超声波在流体中声速是，多谱勒频差为，频差正比于流体流速，即：
（3-2）
（3-3）
所以当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，即为常数，流体流速和多谱勒频差成正比，通过测量频差就可得到流体流速，再乘以管道截面积就可以求得流体流量。
2、传播速度差法超声波流量计
传播速度差法超声波流量计测量流体流量的基本原理是超声波在流体中顺流传播的时间和超声波在流体中逆流传播的时间的差值与被测流体的速度有关，进而求出流速的方法。按所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差法、相位差法和频差法。
（1）时差法
超声波流量计的两个换能器（换能器1和换能器2）以一定的间距L安装在管壁外，交替发射和接受超声波，见图3-5。

图3- 5 时差式超声波流量计测量原理图
当声波在静止的流体中传播时，从换能器1到换能器2的声波信号的传送时间与从换能器2到换能器1的声波信号的传送时间应该是相同的；但是当流体是流动状态时，上面的换能器1向下面的换能器2发射一个信号，而与此同一时间，下面的换能器2也会向上面的换能器1发射一个信号。我们可以看到，流体流速会对超声波信号产生一定的作用，它会加快从换能器1到换能器2信号的传播速度，同时将减慢从换能器2到换能器1信号的传播速度，这样两个信号之间就会产生时间差