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提高蒸汽计量仪表精度方法探析
点击次数:571 发布时间:2015-11-26

1、概述
蒸汽是一种重要的二次能源, 有的直接参与化学反应, 但多数是利用其所载之热能或其做功能力产生能量, 由于其清洁环保、 能效高等优点, 被广泛应用于工业生产和日常生活中。
我国” 十一五”规划提出节能减排的目标, 为此国家出台 《中华人民共和国节约能源法》 、 GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》等法律法规, 为能源计量工作的展开提出了新的更高要求。 其中蒸汽的计量是能源计量的重要方面, 是发展国民经济的重要基础。 提高蒸汽计量的精度对于节能降耗有着重要意义。
蒸汽的性质比较复杂, 根据状态不同可分为过热蒸汽、 饱和蒸汽和湿蒸汽。 目前, 在用的蒸汽流量计主要是针对特定状态下的蒸汽流量进行计量, 通常采用固定的补偿系数进行计算。 但在实际的工业生产中, 随着工况 (温度、 压力) 的变化, 蒸汽状态也在变化。 因此必须建立一套合理的补偿模式, 以提高计量精度。
2、蒸汽流量计种类及特点
目前, 测量蒸汽流量的流量计主要有涡街流量计、 分流旋翼式流量计和差压式 (孔板、 喷嘴、 文丘里管等) 流量计等。
(1)涡街流量计是依据卡门旋涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量计。 具有结构简单, 量程比可达1:10, 压力损失小, 良好的介质适应能力, 可直接测量工况体积流量等优点。 但也有抗振动性差,不适合于低雷诺数的流量测量等缺点。
(2) 分流旋翼式流量计为机械式流量计, 直接读出流经仪表的流体累积流量。 操作方便, 价格低, 安装方便, 但精度低, 仪表零部件易损坏。
(3)孔板流量计为代表的差压式流量计有国家标准, 理论精度高, 成本低, 应用十分普遍。 但存在维修和拆洗工作量大, 量程比仅为1:3, 压力损失大等缺点。 但仍是我国目前应用zui广泛的一种流量计。
因此, 流量计的正确选型以及安装和维护都是提高计量精度的根本。
3、软件提高补偿精度的方法
蒸汽流量计量目前主要采用孔板、 喷嘴等标准差压式流量计, 并配套温度、 压力变送器进行温度和压力补偿。 标准节流装置按GB/T 2624-2006 , ISO 5167-2003 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》 标准设计、 制造, 无需实流标定。
标准差压节流式流量计流量计量公式为

式中:
q m 为质量流量, kg/s;
C为流出系数;
ε为可膨胀系数;
d为节流件开孔直径, m;
β为直径比, d/D;
ρ为密度, kg/m 3 ;
Δp为差压, Pa。
从式 (1) 可知, 要提高计量精度, 必须对以下几个参数进行实时补偿。
3.1 流出系数C
标准孔板的流出系数C的计算公式为

式中: Re D 为雷诺数。
在一定安装条件下, 该值仅与雷诺数有关。 但是当蒸汽工况不同时, 表征液体流速、 密度和粘度的一个综合参数雷诺数就会有不同, 因此必须对流出系数C进行实时计算。 由于标准中给出的C的计算公式比较复杂, 因此流量计量仪表必须具有高速、 高精度的运算功能。
3.2 可膨胀系数ε
标准孔板的可膨胀系数计算公式为

式中:
κ为等熵指数;
p 1 为节流件上游侧压力, Pa;
p 2 为节流件下游侧压力, Pa。
可膨胀系数是对流出系数在可压缩性流体中密度变化的修正, 在超测量范围的情况下, 所引起的测量不确定度更不容忽视。
3.3 直径比β
在计算公式中, 管道内径、 节流件开孔径以及β值皆指工作状态下的尺寸, 但是一般这些参数均在常温下 (20℃) 测得, 若工作温度较高或较低时, 由于材料热膨胀可能使尺寸相差较大, 若不进行修正将产生较大的测量误差。 因此, 必须知道管道材料和节流件材料的热膨胀系数, 根据工况温度进行实时修正。
3.4 蒸汽物性参数
在进行上述参数实时补偿时, 涉及到一些蒸汽的物性参数。有动力粘度、 等熵指数、 密度等参数。其中, 蒸汽密度的补偿和差压、 温度、 压力变送器的精度具有同等重要的地位。 在饱和蒸汽补偿中, 针对两相流, 还应该引入饱和蒸汽的干度参数。 但是干度还没有很好的测量方法, 因此要尽可能提高饱和蒸汽的质量, 才能达到预期的计量效果。
在通常的计量中, 是将蒸汽密度表装入仪表, 根据工况的温度和压力从表中查询出密度值。 由于表格数据量巨大, 而且当水蒸气在运行状态中, 状态发生变化, 必须先判断蒸汽的状态, 再查不同的表格。 此方法精度不高。
我国没有制定水和蒸汽性质的国家标准, 但是1997年水和蒸汽性质国际协会经过30年的研究公布了水和蒸汽性质的新工业标准。 IAPWS-IF97给出了5个蒸汽区域, 每个区域各有计算公式。 与IFC67相比,IF97在精度、 区域边界的一致性和计算速度3个指标上均有质的飞跃。
4、蒸汽计量现状及发展趋势
当蒸汽状态不同时, 热焓值有所不同, 所以等质量的蒸汽产生的热能可能相差很大。 所以, 以质量为蒸汽结算单位并不能真实反映蒸汽的价值。 在国家提倡节能减排的大背景下, 应逐步过渡到以能量为蒸汽的结算单位。 以能量计量, 是在不远的将来, 蒸汽计量仪表的必备功能。
目前国内的流量测量仪表普遍采用8位CPU, 对补偿系数视为固定值处理, 存在运算精度不高, 补偿模型简单、 组态复杂等问题。
新型智能流量积算仪采用32位ARM高速处理器, 内置IAPWS-IF97公式替代查表法, 对工艺条件下蒸汽的密度、 动力粘度、 等熵指数、 热焓等值实时计算, 将流出系数C、 可膨胀系数ε, 直径比β的影响考虑在内进行动态补偿计算, 具备能源计量功能, 大大提高了计量精度。 同时具有信号全隔离、 历史数据记录、贸易结算和强大的通讯联网等功能。
根据差压式流量计的工作特点和影响其度的因素分析, 要想准确地测量流量, 除了正确选取、 安装和使用高精度的流量计之外, 还必须参照国家标准中的测量原理和计算方法, 进行全参数补偿, 才是提高蒸汽计量精度的有效方法, 也是未来蒸汽计量仪表的发展趋势。

 

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