1 问题的提出
在冶金工业企业中，煤气的流量测量尤其是非固定组分的混合煤气的流量测量，一直是工业流量测量领域中的难点。由于混合煤气的组分比较复杂，而且颗粒状和粘稠状杂质较多，造成煤气的流量检测比较困难。
我国现有大管道煤气计量仪表主要采用节流装置测量，从应用角度看，节流装置有其优势，如原理及理论研究成熟、标准化程度高、结构简单等，但用于检测煤气流量，由于测量介质脏污等原因，经常造成取压管堵塞等故障，造成数据失准。而且由于工艺条件发生变化等原因，将会导致混合煤气的混合比随时发生改变，而高炉、焦炉、转炉煤气的密度、动力粘度和热传导系数等热力学性质不尽相同，因而造成混合煤气的密度、热传导系数等热力学参数也不断发生改变。因此混合煤气的混合比发生变化同样会造成较大的测量误差。
针对在节流装置中混合气体混合比变化的问题，我们曾考虑采用修正的方法解决，修正公式为（混合煤气按焦炉、高炉、转炉3种煤气混合比1:1:1的比例计算；公式中未考虑介质湿度的影响）：
（1）
式中：
Q' 为修正后混合煤气实际体积流量；
Q 为修正前体积流量；
ρ1、ρ2、ρ3 为各组分密度；
Q1、Q2、Q3 为实际运行时各组分气体实际流量；
P 为设计绝对压力；
T 为设计绝对温度；
P' 为实际工作绝对压力；
T' 为实际工作绝对温度。
但是在济钢球团厂的实际应用中，由于煤气混合站与球团厂的距离较远，单一煤气的流量信号的传输比较困难，在竖炉生产过程中难以实现混合煤气流量检测的在线修正，因此导致煤气流量数据经常失准，无法起到正确指导球团竖炉生产的作用。因此我们在济钢球团厂3#竖炉应用了两台超声波气体流量计，解决此问题，同时也解决了节流装置中取压管易堵的问题。
2 超声波气体流量计测量原理及特点
（1）概述
超声波流量计通过在煤气管道中测量顺流和逆流方向超声波的传播时间，再经过计算得出煤气的流速。煤气的流量则可以通过对煤气流速、管径，以及用雷诺数对流体进行动力学方面的校正后得到。
（2）测量原理
在管道中斜装一对超声波传感器，两个传感器之间的距离为超声波的传播声程。超声波在两个传感器之间的顺流和逆流传播时间分别表示为：
（2）
（3）
式中：
C 为超声波在静止气体中的传播速度，随气体性质变化而变化，m/s；
V 为气体流速，m/s；
θ 超声波声程L与管道轴线之间的夹角；
根据ts和tn的表达式，可求得沿声程L的线平均流速：
（4）
该方法称为传播时间倒数差计算法。从公式（4）可知，传播时间与气体流速成一定比例关系，线性非常好。而且，在求ts和tn的倒数差时，因为消去了在静止气体中的传播速度C，所以气体流速仅与测量参数ts和tn有关，与气体本身性质无关，即不受气体成分、密度、粘度等的影响。同时也大大减小了温度等环境参数对流量测量的影响。这对于生产现场的在线流量检测非常有利。
（3）流量测量修正方式
1）温度压力修正
超声波气体流量计按测量原理属于流速测量仪表，因此必须进行温度、压力修正：
（5）
式中：
Q' 为标准状况下流量；
Q 为工作状况下流量；
t 为介质工作温度；
P 为介质工作压力。
2）质量流量计算
Qm = Q'×ρn （6）
式中：
ρn 为标准状况下气体密度。
3）截面积修正
超声波流量计只能测出气体流速，只有用流速乘以截面积才可以得到实际流量，如果管道内结垢比较严重或有积水，则实际管道的截面积将减小。因此采用专用超声波传感器和专用信号转换器连接，可测出管道内积水和结垢厚度，进行截面积修正，从而实现对气体流量的精确测量。
（4）主要特点
1）不受测量介质本身性质的影响；
2）测量结果呈线性，可实现双向测量；
3）可测量脏污、腐蚀气体及多组分气体；
4）无可动部件；
5）无压力损失，无磨损，无堵塞；
6）安装简单，可带压安装；
7）可不断流拆装、维护，在线检修方便；
8）受环境变化影响小。
3 超声波气体流量计的安装、调试及测试
济钢球团厂3#竖炉燃烧用煤气分为东、西燃烧室两根管道，以前用高炉煤气作为燃料，采用差压式计量检测装置。2003年3月由于3#竖炉改为燃烧混合煤气，为配合球团竖炉改烧混合煤气工程，实现煤气流量的准确测量，确保竖炉燃烧室自动控制功能的实现，经多方面考察、论证，在3#球团竖炉安装了两台超声波气体流量计。
（1）安装及调试
超声波气体流量计安装和常规测量液体流量的超声波流量计相似，采用Z形安装，在管道上开孔，将传感器探入管道内部，传感器与管道内平面平齐或深入一点，传感器与管道轴线的夹角为45゜，两个传感器的轴线重合。并且超声波气体流量计可实现在线不停产安装。
仪表参数设定非常简单，在信号转换器设定流量量程、压力量程、温度量程、比例系数及声程等参数。若无压力、温度补偿，可设定固定补偿值。调试工作采用示波器，将超声波传感器与信号转换器连接后，利用示波器观察两个通道的波形，相应调节电位器即可。如果需要4-20mA输出，可调节电位器校正。
（2）在线测试
超声波气体流量计安装调试完成后，利用风速管对混合煤气流量进行实测，测量数据经计算与超声波气体流量计进行比较。
1）测试用仪表参数见表1。
表1
仪表名称生产厂家型号精度等级系数ξ风速管西安中望仪表公司BMY-P0.51.0016差压变送器川仪横河公司EJA120ADES0.5/手持远程智能终端川仪横河公司BT200//
2）风速管简化计算公式：
3）测量实验数据见表2。
表2
测量项目东煤气流量西煤气流量超声波气体流量计流量（Nm3/h）99809920工作压力（kPa）1616工作温度（℃）6060风速管差压值（Pa）6262风速管实测流量（Nm3/h）97439743误差（%）-2.37-1.78
4 结束语
超声波气体流量计的传感器部分对流体无压缩、无压力损失、运行可靠、维护量小，可在线不停产安装清洗。根据在3#竖炉的运行情况来看，运行状况良好。超声波气体流量计同孔板相比，降低压力损失，节约了能源消耗。很好的解决了混合脏污气体的流量测量难题，测量数据稳定可靠，满足了生产的需要。
