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准确计量蒸汽流量的案例剖析
点击次数:590 发布时间:2015-08-25

随着云南云天化国际化工股份有限公司红磷分公司节能降耗项目的投产及新蒸汽管网的投用,资源的综合利用对准确计量提出了新的要求。蒸汽是使用zui为广泛的载热工质,是重要的二次能源。因此,准确的蒸汽计量对企业节能降耗、成本核算、优化生产过程控制等具有十分重要的意义。
1蒸汽流量的特征
1.1蒸汽流量的特点
目前还不能直接测量蒸汽的质量流量,工程上普遍使用推导蒸汽质量流量测量系统,但在流量方程中质量流量与蒸汽密度ρ直接相关,因此,要准确测量质量流量,关键是求取蒸汽密度。对于饱和蒸汽,蒸汽密度ρ只与压力p有关,即ρ=ρ(p);而对于过热蒸汽,蒸汽密度ρ与压力P、温度t有关,即ρ=ρ(p,t),但不再遵循理想气体状态方程,并随蒸汽工况参数的变化而变化,无法用一个通式表示即不能获得统一的密度计算公式,只能根据具体情况个别推导求得温度、压力补偿公式。采用节流装置时,当温度、压力、雷诺数变化较大时,还应动态修正C、ε、d、β等参数,以提高测量的准确度。否则,即使已实现了密度的完全补偿,这些余留参数变化累加后,引入的误差仍然较大。
1.2蒸汽流量的计量仪表
用于测量蒸汽流量的仪表有:节流式差压流量计、涡街流量计、阿纽巴流量计等。蒸汽流量信号进入DCS系统,在DCS中实现蒸汽流量温度、压力公式补偿。组态人员根据实际工况温度、压力的范围,采用正确合适的温度、压力补偿公式,并在DCS系统上进行组态转换,以实现准确补偿。但在实际组态中,要动态修正C、ε、d、β等参数是很难实现的。因此,组态的计算式中用一常数K代替流量方程中的诸项。对于蒸汽测量:涡街流量计耐高温只能到200℃,对320℃以上的蒸汽系统缺乏应用经验,zui大的弱点是抗振性能差;阿纽巴流量计所产生的差压信号值较低,应用中波动大、流量小时偏差大;蒸汽在输送过程中,存在压力、温度损失。因此,蒸汽计量数据偏差大,在成本核算时,不得不进行平衡与分摊。
2标准喷嘴、温度补偿元件、3095MV变送器组成的蒸汽流量计
2.1标准节流装置
普遍使用的节流装置—孔板和喷嘴已经标准化,ISA1932喷嘴其几何形状在20世纪30年代就已开始标准化。标准节流装置得到国际标准化组织和国际法制计量组织的认可,对标准型测量元件进行的试验研究是国际性的,按照标准文件ISO5167或GB2624设计、制造、安装和使用的标准节流装置无须实流校准,即可确定其流量值并估算其测量误差。目前,在全部流量计中,它是*达到此标准的。由标准喷嘴、温度补偿元件及3095MV变送器组成的蒸汽流量计如图1所示。

节流装置的测量原理:当流体流经管道内的节流元件时,流束将在节流元件处形成局部收缩,流速增加,静压力降低,于是在节流件前后产生了压差ΔP;流量愈大,压差愈大。这种测量方法是以流动连续性方程、伯努力方程为基础的,其流量公式为:

式中:qm为质量流量,kg/s;C为流出系数;d为节流元件的开孔直径,m;ε为可膨胀性系数;ρ为被测流体密度,kg/m3;Δp为差压,Pa;β为节流元件孔径与直管段内径之比,β=d/D。
2.2标准喷嘴
标准喷嘴的结构形式如图1中所示。标准喷嘴的特点:①具有光滑的收缩内壁,当流体流过时是逐渐收缩的,因此在同样流量和相同β值时喷嘴的压力损失只有孔板的30%。②由于入口是光滑的曲面,且结构比孔板厚实,不易磨损,使用寿命长。③流出系数大并且稳定。④喷嘴的测量范围比孔板大。
⑤适应于高温、高压、高流速介质。
2.33095MV变送器
3095MV变送器是美国Rosemount公司为蒸汽、气体提供的质量流量变送器,其特点:①体积小巧,结构简单,安装方便。②可灵活配套不同的一次测量元件如孔板、喷嘴、阿纽巴等,3095MV变送器的EA组态软件数据库中记录了这些测量元件及过程流体数据。③多变量测量,精度高。可同时测量压力、差压、温度、流量4个参数,差压、压力的测量精度为量程的0.075%,温度的测量精度为0.56℃,重复性0.1%。④采用实时动态的完全公式来计算所有参数,zui大限度地提高了测量的准确性。传统的差压流量是用一个简化的质量流量公式在DCS或流量仪中计算的即qm=KΔ槡p,公式中用一个常数K代表真实流量计算中的许多参数。
事实上,只有单位换算系数是常数,其它项都是过程变量的函数,简化公式不能补偿这些量的变化,故在计算的流量中产生不可预见的误差。⑤二线制、直接输出与量程相对应的质量流量信号。⑥3095MV变送器的优点弥补了传统意义上差压流量计的缺点,如量程比从3∶1拓宽到10∶1。
2.4温度补偿元件
工况下的蒸汽温度信号直接进入3095MV变送器进行补偿,其安装位置尽可能靠近节流装置,但又要在节流装置需要的直管段外,还要保证插入深度,以实现准确的测量。
3蒸汽管网计量系统蒸汽管网及计量点如图2所示。

图2中各流量计的配置:FQ0103、FQ3702为孔板+差压变送器,信号进入DCS系统后作温度压力补偿;FQ1002、FQ506001、FQ506002、FQ61307为标准喷嘴+补偿热电阻+3095MV变送器,标准喷嘴均为同一厂家制造;FQ3707为涡街流量计。主要考查:FQ1002+FQ0103是否等于FQ506001+FQ61307+损失量;FQ506002+减温水是否等于FQ3707+损失量,从而验证流量计是否满足准确计量要求。
3.1FQ1002+FQ0103与FQ506001+FQ61307+损失量
3.1.1流程及数据采集
三废锅、35t锅炉的蒸汽经FQ1002、FQ0103到1#分配缸,汇合后的蒸汽一路经FQ506001计量并经减压减温后进入2#蒸汽分配缸,另一路经过约1015m蒸汽管、若干弯头、疏水阀后经FQ61307计量后并入3#蒸汽分配缸,考查时段内的数据见表1。

3.1.2FQ1002、FQ0103、FQ506001、FQ61307的状况
FQ1002在考查时用给水流量作过对比,能满足计量要求;经过FQ0103的蒸汽压力在3.2MPa、410℃以上时偏差小,在考查时段内满足这一条件;FQ506001在选型计算范围内;到达FQ61307的蒸汽存在一定的损失量。
3.1.3数据分析
1)第1~5组数据
①三废炉、35t/h锅炉、合成氨系统(3机)平稳生产;5#硫酸停车,6#硫酸、发电系统正常开车。
②数据满足重复性、线性关系。③1#分配缸内的蒸汽平均压力、温度为3.56MPa、423℃,经FQ61307的蒸汽平均压力、温度为3.35MPa、415℃,平均流量损失=(FQ1002+FQ0103-FQ506001-FQ61307)/(FQ1002+FQ0103)×100%=2.2%。④经过1015m的管线、几十个的弯头及疏水阀后,2.2%的蒸汽流量损失小于估算值,对于蒸汽测量来说这是一个理想的测量结果。
2)第6组数据5#硫酸刚开车,蒸汽富余;35t/h锅炉停车,FQ0103为零;合成氨系统(3机)平稳生产。1#分配缸内的蒸汽压力、温度分别为3.53MPa、420℃,经FQ61307的蒸汽压力、温度分别为3.41MPa、403℃,流量只有前5组的70%,损失为3.1%。
3)第7~12组数据①5#硫酸已开车正常,合成氨系统(3机)平稳生产。1#分配缸内的蒸汽平均压力、温度分别为3.54MPa、420℃,经FQ61307的蒸汽平均压力、温度分别为3.48MPa、390℃,流量只有1~5组的47%,损失已达16.4%。②数据满足重复性、线性关系。
4)第13组数据①由于公司开始检修,数据时段的前8小时合成氨系统(3机)平稳生产;后32小时合成氨系统停车、三废炉降负荷生产,蒸汽主要经FQ61307并入3#蒸汽分配缸。②在数采时段内,经FQ61307的蒸汽流量只有1~5组33%,损失达20.6%。
流量是一个推导量,由一些基本参数组成;同时它又是一个动态量,只有流体流动时才产生流量,因此它与流体物性、流动的特性密切相关。蒸汽的经济流速为20~30m/s,流速高于经济流速上限,则阻力损失会随着流量的增加而急剧增加;流速低于经济流速下限,运行热损增大,流量损失随之增大。取7~12组数据的平均值与第6组作对比,当FQ1002、FQ506001的变化不大时,从FQ61307上取得的数据应与第6组的数据差别不大,损失的差别也应该不大,但实际上从FQ61307取得的每小时流量相对第6组数据只减小了32%,而流量损失却是第6组数据的5.3倍。数采时段内的主要区别是5#硫酸刚开车时及开车正常后并入3#蒸汽分配缸的蒸汽量大小不同。第6组数据处于5#硫酸刚开车时,并入3#蒸汽分配缸的蒸汽量小;而第7~12组数据,5#硫酸已正常并汽到3#分配缸且蒸汽量大、压力高。5#硫酸的蒸汽并入3#蒸汽分配缸混和后的蒸汽压力及蒸汽进出3#分配缸的平衡关系影响了来自1#分配缸蒸汽的畅通流动即1、3#蒸汽分配缸间压差减小,如表1中1、3#分配缸间压差数据所示,这一情况使输送的蒸汽流速下降,热损增大,一定程度上影响了蒸汽的流态甚至出现汽、液两相流,直接影响FQ61307的测量,这就是第7~12组数据与第6组数据差别大的根本原因,第13组数据进一步对这种差别进行了证明。
综上所述,管网物料进出平衡,流量计能满足准确计量要求;蒸汽通过管网、疏水后存在一定的流量损失;管网存在一个温度、压力、流量损失zui小的zui佳操作、输送范围。
3.2FQ506002+减温水与FQ3707+损失量
3.2.1流程及数据采集
2#分配缸出来的一路蒸汽经FQ506002计量、PV-3710减压、喷水减温后再经FQ3702、FV-3702流量调节进入石墨换热器,石墨换热器出来的冷凝水经冷凝液槽收集由FQ3707计量出装置。考查时段内的数据见表2。

3.2.2FQ506002、FQ3702、FQ3707的状况
FQ506002工作在设计选型计算的范围内;冷凝液槽液位高度考查前后保持不变;从图2可知,FQ3702与FQ3707的测量数据应很接近,但在考查时段内由于生产负荷低,采集到的蒸汽参数(0.05MPa、110℃左右)比设计值(0.12~0.14MPa、<125℃)低很多,因此FQ3702经过DCS系统补偿后的流量偏差较大,从理论分析可知,当P
实<P设时将出现正偏差,偏差的大小取决于实际压力与设计压力的偏离程度,表2的数据充分表明了这一情况,因此FQ3702的数据仅作为一个参考;FQ3707在考查时已经过校准。
3.2.3减温水用量
减温水用量、相关参数及取值:
1)减压、减温前的蒸汽参数取FQ506002测量数据:p=1.15MPa(表压),t=270℃,h1=2977.025kJ/kg,蒸汽总量Gv=2696t。
2)减压减温后的参数:p=0.05MPa(表压),t=110℃,h=2693.35kJ/kg。
3)减温水的参数:p=3.5MPa(表压),t=100℃;hw=421.69kJ/kg。
4)不考虑中间损失。
减温水用量:

3.2.4FQ506002+减温水与FQ3707+损失量
在考查时段内,FQ506002累积数为2696t、减温水用量Gw为337t,FQ3707累积数为3025t,即:FQ506002累计量+减温水用量Gw=2696+337=3033t与FQ3707的累计量3025t偏差很小,总损失量为8t,量损仅为0.26%,FQ506002满足准确计量要求。
综上所述,由标准喷嘴、温度补偿元件及3095MV变送器组成的蒸汽流量计在考查时段内都表现出了良好的特性,即:①重复性。流量计对一个确定的流量能重复显示,测量示值在允许的范围内。确定的流量在本系统内是以相同时段、蒸汽压力温度的稳定、生产条件的稳定来界定的。好的重复性是确定各流量计间关系的重要依据,也是实现高度的基础。②线性。在不同倍数的时段内,各量值基本呈一种单值的倍数关系即线性关系,对于测量仪表,这是一个关键的技术参数。③稳定性、可靠性。流量是一个推导量,在考查的时段内,对于可验证的温度、压力等基本参数均能稳定、可靠、准确的测量。④准确性。表1中的1~6组数据、表2中的数据充分表明了这一点。
由标准喷嘴、温度补偿元件、3095MV变送器组成的蒸汽流量计,是经典节流装置与现代技术巧妙结合,其技术优势非常适合云天化国际红磷分公司蒸汽管网的特点。此外,优化的调度管理及测量技术的有机结合,才能实现蒸汽的准确计量,改变蒸汽结算分摊的尴尬局面。蒸汽的准确计量、监测及合理的调度分配利用,可帮助企业节约5%~20%的能耗。

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