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蒸汽流量计量面临的问题
点击次数:1496 更新时间:2014-08-11

1.宽量程问题
我们都知道,引起差压式流量计误差因素虽然很多,但诸如直管段条件、安装条件等都可通过设计与施工予以保证。但在蒸汽输送过程中,实际流量范围往往无法准确确定,在热负荷变化大的情况下,使流量计长时间工作在测量范围以外,这样就造成了很大的测量误差。因此,在设计差压式蒸汽流量计量系统时,应考虑使用具有宽量程补偿运算功能的计量系统,对节流件流出系数C、可膨胀性系数ε等中间参数的实时计算是解决宽量程的关键。
差压式蒸汽流量计流量计算公式为

式中:qv———体积流量,m3/s;C———流出系数;ε———可膨胀性系数;d———节流件开孔直径,m;β———直径比(β=d/D,D为管道内径);ρ1———被测流体密度,kg/m3;Δp———差压,Pa。
其中:按GB/T2624-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》孔板流出系数C的计算式为

式中:k———等熵指数;p1、p2———节流件前后的压力,Pa。
传统的差压式流量计是将流出系数C和可膨胀性系数ε视为定值(C和ε由专门的节流装置设计计算软件计算得到),置入现场的流量积算仪。图1是一台孔板流出系数曲线:
图1曲线表明:当ReD=3×104,C=0.6101;ReD=1×104,C=0.6176;平均值C=0.6139,即ReD在3×104~1×104范围内(3∶1)时,其不确定度为0.61%。
当ReD=5×104,C=0.6081;ReD=5×103,C=0.6264;平均值C=0.6173,即ReD在5×104~5×103范围内(10∶1)时,其不确定度为1.5%,远不能满足用于贸易结算的一级表对不确定度的要求。同样,可膨胀性系数ε在超测量范围情况下,所引起的测量不确定度更不容忽视,例如,一台角接取压孔板流量计(D=100mm,β=0.5)测量过热蒸汽(压力=4MPa,温度=400℃),ReD在2.8×105~28×105(介质流速:5.2m/s~52m/s)范围内,可膨胀系数ε的不确定度为3.0%。因此,要实现宽量程测量,就必须对流出系数C和可膨胀性系数ε进行实时计算。

由式(2)可以看出流出系数C的计算很复杂。相关标准给出了计算流出系数C的迭代方法,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运算。
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差压式流量计成为可能。归纳起来它应具备以下条件:
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信(如Hart协议)除能满足全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.流量计算机可根据温度、压力等工况参数实时计算流出系数C、可膨胀性系数ε等,从而实现对工况流量进行修正。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,必要时可采用具有自动切换功能的双差压变送器系统,以克服低差压信号所引起的误差,并进一步拓宽测量范围。差压式流量计的这一飞跃是多项技术进步的成果,它改变了人们对传统差压式流量计的认识。
2.蒸汽密度问题
对于蒸汽的流量测量,人们都知道要进行压力和温度补偿。但是由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够,在整套测量系统中,往往只重视差压、温度、压力信号的准确与否,并尽量使用高精度的变送器,而忽略了密度在测量中的重要地位,从式(1)中可以看出,密度与差压在测量中是处于同等地位的。和一般通用气体相比,在计算水蒸气流量时有3个难点:
(1)密度的确定。水蒸气的性质与理想气体大不相同,应视为实际气体。蒸汽的物理性质较理想气体要复杂得多,故不能用简单的数学式子加以描述,在以往的工程计算中,凡涉及蒸汽的状态参数数值,大都从蒸汽表中查出。把蒸汽参数表装入仪表中,数据量很大。
(2)蒸汽在应用过程中由于参数的变化,会发生状态变化。如过热蒸汽变为饱和蒸汽,饱和蒸汽变为过热蒸汽。所以必须先判别蒸汽的状态(是饱和蒸汽还是过热蒸汽),再查不同的数表或用不同的公式计算。
(3)欠饱和蒸汽含有饱和水,是两相流。要准确测量蒸汽流量还必须知道干度。而干度测量难度很大,国外已有一些研究成果,但未见普遍推广应用,国内目前仍处于研究阶段。
通常有以下两种蒸汽密度的确定方法:①查表法:把蒸汽密度表装入计算机中,根据工况的温度、压力,从表中查出相应的密度值。目前,流量类二次显示仪表(系统)中蒸汽流量密度的计算,有相当数量的仪表采用的是简单的数学表达式或单一对应查表法(只根据温度或压力,缺乏状态判断),其准确度往往不能满足要求。
②计算法:
a.自己拟合公式(或者出版物给出的公式)。
b.乌卡诺维奇公式。
c.IFC1967公式。
目前,我公司蒸汽计量中密度的确定方法是上述两种情况并存:进出公司及二级单位的蒸汽计量大多采用二次表查表法,而二级单位内部蒸汽计量由于多数未使用二次表(大多在DCS上进行密度补充),使用计算法较多,且采用的公式也未统一,计算出的密度的不确定度较大。
3.能量计量问题
我公司能源结构复杂,能源分布纵横交错。尤其是蒸汽,涉及多种能级,以往蒸汽流量测量采用间接式质量测量法(单位:t/h)。但是蒸汽在其生产和输送过程中,温度、压力状态的变化是难以避免的,加上季节、天气和用户负荷变化的影响,其品质即所含实际热焓因输送距离的长短而不同,这就使蒸汽流量计量容易失准,尤其是对蒸汽的末端用户影响较大。不同状态下等质量的蒸汽含有的热能相差很大。例如:在压力0.8MPa、温度200℃条件下的过热蒸汽,每公斤所含的热能为2838.6千焦;在压力0.8MPa、温度220℃条件下的过热蒸汽,每公斤所含的热能为2884.2kJ,二者相差1.6%。所以,以质量为蒸汽的结算单位不能真实反映蒸汽的价值。因此,以能量作为蒸汽的结算单位,也得到了广大蒸汽的生产和使用单位的响应,呼吁国家出台相关标准以进一步科学地规范蒸汽计量。然而,改动贸易计量单位是一个十分复杂的问题,非短时间内所能成就。但先在企业内部推行蒸汽的能量计量在技术层面上是可行的,在管理层面将是一项十分有益的实践。针对我公司蒸汽计量现状,通过完善蒸汽计量系统的温压补偿并更换计量系统(二次)累计单元,可实现蒸汽计量单位由质量向能量的转换,对我公司装置能耗的考核也将更为科学、合理。
4.非标准差压式流量计
为克服差压式流量计的自身弱点,仪表研制者进行了多种尝试,制造出了各种非标准差压式流量计,如阿牛巴、V锥、弯管流量计等,它们各具特点。但由于它们不能像标准节流件一样,有成熟且通行的行业标准支持,其流出系数、流束可膨胀性系数都必须通过实流标定获得(所谓实流标定一般是指在没有标准明确规定的情况下,被测介质和实验介质应为同一介质,即测量蒸汽的仪表应使用蒸汽进行标定),否则,容易产生贸易计量纠纷。我公司芳烃厂前几年引进了一些阿牛巴流量计测量蒸汽,在解决低差压(小流量)输出指示的同时,却存在着在全量程测量方面还缺少足够的手段验证问题,没有从根本上解决计量纠纷。这也是非标准差压式流量计发展、应用过程中的一个缩影。

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