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蒸汽流量测量(质量流量计量)应用方案的讨论
点击次数:516 发布时间:2015-01-22

1.国内蒸汽流量计概况
20 世纪80 年代以来, 我国使用的蒸汽流量计大概有4 种:差压式流量计、涡街流量计、均速管流量计和分流旋翼式流量计。
差压式流量计有较大发展, 制订并修订了节流装置国家标准, 采用的节流装置亦多样化;引进差压变送器制造技术, 产品的性能已接近国际水平;以微机为基础的流量显示仪蓬勃发展, 品种齐全, 可满足广泛的应用。
涡街流量计是80 年代开始应用的, 它有一些特点是差压式所不及, 受到用户的欢迎, 但在测量高温蒸汽(350 ℃以上)受到限制, 在测量饱和蒸汽(特别低干度时)也遇到了困难, 其仪表系数在混相流中难以确定, 致使计量准确度较低。
均速管流量计是插入式流量计的一个品种, 它具有插入式流量计的一系列特点:结构简单, 重量轻,制造成本低(指检测件), 安装维护方便, 压损小,准确度不高。在蒸汽流量计量中可以发挥一些作用,但如何提高测量准确度是必须解决的问题。
分流旋翼式蒸汽流量计在80 年代获得广泛应用,曾经年产量达万台以上。对分流旋翼式流量计是否推广使用却遇到不同意见, 有人认为仪表准确度低, 可靠性差, 应予淘汰, 但是至今还有一定的用户。
2.节流式流量计的有关问题
《蒸汽标准》的制定对蒸汽流量测量作了原则性规定, 使我国的蒸汽计量更具科学性、准确性及合理性, 必将丰富我国计量科学的内容, 促进计量科学的发展同时, 我们也应注意到《蒸汽标准》是一个方法标准, 它不可能也不应该去具体评价一个计量系统、计量仪表的优劣。在符合标准的基本原则的情况下,我们如何来构成一个满意的测量系统, 选择合适的仪表呢? 还有进一步讨论的必要。
节流式流量计在蒸汽计量中占有重要的地位。节流式流量计技术成熟, 特别是标准节流装置由于其徇有的特点———按标准(ISO 5167 :1 、GB/T2624 -93)设计、制造就无须实流标定, 是其它流量计无法比拟的。在蒸汽测量研究上, 国内外学者用标准节流装置进行了大量的试验, 给出了修正的数学模型, 所以采用标准节流装置测量蒸汽有明显的优越性。实际上,目前我国占蒸汽用表90 %以上的仍采用标准孔板节流装置。
孔板流量计的主要特点为结构简单牢固, 性能稳定可靠, 使用周期长, 价格低廉等。它的缺点是测量范围小、压损大, 现场安装条件和直管段条件要求高。
虽然引起孔板流量计误差因素很多, 诸如直管段条件、安装条件等都可通过设计与施工予以保证, 但超测量范围是引起误差的主要原因, 特别是用在流量变化范围大的情况下, 使仪表在相当长时间内工作在测量范围以外, 所以解决扩展测量范围问题是解决问题的关键所在。智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计算机的问世, 使我们能拥有宽量程的智能化节流式流量计成为可能。归纳起来它应具备三个条件:
(1) 智能化的宽量程差压变送器(差压范围为100∶1)。
(2) 差压变送器与流量计算机之间数字通讯(Hart 协议)除能满足量程差压信号传递的准确性,而且能够自动迁移测量范围。
(3) 流量计算机不仅要根据温度、压力等工况参数对流量进行修正, 还可以实时计算流出系数C 、流体膨胀性系数ε等。符合上述条件的宽量程智能化差压式流量计, 在满足准确度同时, 流量测量范围可真正达到10∶1 (或更宽), 节流式流量计的这一飞跃是多项技术进步的成果, 它改变着人们对节流式流量计的传统认识。
3.流出系数C 等中间参数的实时计算
节流式流量计用于蒸汽计算的实用公式为:

式中 qm 为蒸汽质量流量, kg/s;C 为流出系数, 无量纲;d 为工作条件下节流件的节流孔或喉部直径, m ;ε为可膨胀性系数, 无量纲;β 为直径比(β =d/D), 无量纲;Δp 为差压, Pa ;ρ为流体密度, kg/m3 。
其中流出系数C 的计算式为(以角接取压为例):

式中β为直径比, β=d/D (无量纲);ReD 为管径雷诺数, 无量纲;D 为管道内径, m 。
流出系数是指通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比, 将它应用到理论流量方程中以获得实际的流量。在一定条件下, 对于给定的节流装置, 该值仅与雷诺数有关, 对于不同的节流装置, 只要这些装置是几何相似, 并且在相同的雷诺数条件下, 则C值是相同的, 流出系数C 的计算式是以大量实验所确定的数值为依据, 并以标准的形式给出。
传统的节流式流量计是将该流出系数C 视为定值, 置入现场的流量积算仪, 图1 是D =50mm , β=0.52 的孔板流出系数曲线。

流出系数曲线表明, 当ReD =3×104 时, 流出系数为0.6113 , ReD =1×105 时, 流出系数为0.6067 , 仅在3∶1 测量范围内, 其附加误差为0.75 %, 当测量范围超出3∶1 , 其附加误差更大。所以要实现宽量程, 就必须对流出系数C 进行实时计算, 由(2)式可见流出系数C 的计算很复杂。标准中给出计算流出系数C 的迭加方法, 同理, 公式
(1) 中可膨胀性系数ε等参数, 也须实时计算。所以流量积算仪表必须具有高速、高精度的运算功能和比较大的存贮空间, 以完成这些复杂的中间参数的补偿。
4.孔板流量计入口钝化问题
标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度使用时在流体冲刷下易发生钝化, 据悉国内有关部门曾对新装孔板进行跟踪校验, 在孔板连续使用2~3 个月时,钝化引起流出系数偏差在1 ~ 3 %, 个别严重的4 %以上, 这已引起了人们的高度重视。目前, 解决标准孔板钝化问题的方法是采用标准喷嘴, 由于喷嘴的入口为光滑曲面, 不易磨损如图2 。它的流出系数非常稳定, 所以JJG640 -94 规程规定ISA1932 喷嘴的检定周期为4 年。再者, 喷嘴在相同流量和相同β 值条件下, 阻力损失比孔板小很多(仅为孔板的50 %~60 %)。

从节流式流量计发展历史看, 影响标准喷嘴广泛应用的原因是因为其制造成本高, 特别是在传统的已知流量、差压, 求开口径的传统设计模式下, 仅因为开孔径有些偏差, 而废弃一个节流件。如果引入定值节流件的概念, 就可以改变这种状况。定值节流件是指对每种口径的管道, 配以有限数量(3 ~ 5 个)的节流件, 其β 值按优选系数选用, 改变节流件对号入座的缺陷, 将已知流量、差压, 计算开孔径的方法改为已知开孔径、差压, 求流量或已知开孔径、流量, 求差压的方法, 在制造方面节流件由单件生产方式转为标准化的批量生产, 使采用数控机床进行加工成为可能, 大大降低了成本。为扩大应用创造了条件, 这既便于质量监督与管理, 同时也给用户带来了极大的方便。
5.节流式流量计的维护与管理
节流式流量计的系统构成比较复杂, 有较长的引压管, 容易阻塞, 冬季运行还需对引压管、冷凝系统进行保温、伴热, 稍有不慎便造成故障, 且仪表的维护工作量大。一体化喷嘴较好地解决了上述问题, 一体化喷嘴是将节流件和差压变送器做成一体, 并装有防冻隔离器, 不仅缩短了引压管线, 还省略了冷凝和排污系统, 使系统构成简单, 无需保温供热, 在减少维护量的同时, 也节省了能源。
另外, 受季节和工况的影响, 蒸汽的流量测量范围变化比较大, 在没有采用宽量程技术的节流式流量计, 超测量范围现象十分普遍, 这造成了很大的测量误差, 随着智能化差压变送器广泛应用, 利用手操器迁移现场差压变送器的量程成为可能, 但问题是迁移量程的依据;人工计算是一项烦杂工作, 不仅耗时,而且往往因数据查寻引入偏差, 利用《节流装置设计计算及管理软件》, 它有丰富准确的数据资料, 可以在数分种完成:已知开孔径、流量、求差压或已知开孔径、差压、求流量的计算, 为现场仪表提供准确数据。这不仅使工作更为便捷, 也大大提高了节流式流量计的管理水平。
蒸汽流量测量还有很多问题亟待解决, 在开发新的测量技术的同时, 我们更应注重运用现代科学手段, 进行应用技术深层次的开发, 切实有效地解决一些实际问题。

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