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影响蒸汽流量计量准确度的主要因素
点击次数:727 发布时间:2015-03-02

影响蒸汽流量计量准确度的因素主要有: 测量元件、测量管、密度、相关系数、量程等。
1.1 测量元件
测量元件磨损、脏污、变形都会影响蒸汽流量计量的准确度。由于武汉石化厂的节流装置大部分采用孔板作为一次测量元件, 因此孔板的好坏就成了影响计量准确度的重要因素之一。在实际使用中, 孔板入口边缘会出现磨损、气蚀、前后直管段内结垢、粗糙程度改变等, 这些都能影响到测量的准确度。另外由于节流装置的计算数据是在规定的标准条件下得到的, 如果装置中节流元件的实际条件达不到标准条件或偏离规定,也会导致测量误差。
1.2 测量管
测量管是节流装置的重要组成部分, 其结构尺寸对流体流动状态有重要的影响, 流体流经弯头、阀门、缩径管、扩径管等阻流件后, 会产生速度畸变、旋转流及非定常流, 由于标准节流装置的各项参数是在充分发展管流、无旋转流以及定常流的参考工作条件下实验得出的, 如果不满足规定的条件, 就会造成流出系数偏离正常值, 影响测量准确度。另外, 测量管没有按规定要求安装, 安装测量元件时直管不符合要求, 内径D 数值不准确等,都会造成测量误差。
在武汉石化厂的许多装置中, 有的节流件上下游直管段不满足要求, 没有考虑节流装置的具体情况, 例如弯头、三通的数量及分布, 直管段上缩管、扩管以及阀门的开度等情况, 大部分采取直管段*D 后5D 进行安装, 甚至在直管段小于*D 后5D 的情况下安装。关于直管段内径D 的数值, 按规定应该采取实测值, 而实际情况是基本不进行实测, 有的采用工艺提供的数据, 有的是查以前资料, 甚至有的用公称通径代替D 值作为设计计算的依据, 从而给测量准确度埋下隐患。
测量管内表面的粗糙度对测量的影响是zui为复杂的, 也zui容易被忽略, 特别是在设备投用时间比较长的情况下, 管内结垢、磨蚀等都会使管道比新投用时粗糙。即使是管流已达到充分发展管流时,粗糙度对流体仍是有影响的, 见图1。

从图1 中可以看出: 粗糙管的流速分布与光滑管是有区别的, 因此流出系数也不会相同。武汉石化厂大部分的蒸汽测量管都是直接采用工艺管道,没有在定货时与节流装置整体加工, 投用时粗糙度是否符合要求也不清楚, 况且经过多年的运行也没有进行过检查和清理, 所以粗糙度对测量准确度肯定有影响。
1.3 蒸汽密度计算
对于蒸汽的流量测量, 一般都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, 在实际工作中往往存在一些不正确的做法。武汉石化厂大部分蒸汽仪表测量是用DCS (集散控制系统) 气体补偿方式, 或用智能流量二次仪表的气态方程来计算蒸汽的密度, 再就是根据工艺车间提供的数据直接作为蒸汽密度的参考值, 虽然测量系统或多变量变送器(Honeywell SMV3000 系列)有压力温度补偿, 但因为计算公式或组态软件使用不正确, 使补偿失准。
蒸汽是比较特殊的介质, 一般情况下所说的蒸汽是指过热蒸汽。而过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温获得。其中绝不含液滴或液雾, 属于实际气体。
过热蒸汽的温度与压力是两个独立参数, 其密度应由这两个参数决定。
过热蒸汽在经过长距离输送后, 随着温度、压力的变化, 特别是在过热度不高的情况下, 会因为热量损失温度降低而使其从过热状态进入饱和状态或过饱和状态, 转变成饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽容易凝结, 在传输过程中如有热量损失, 蒸汽中便有液滴或液雾形成, 俗称温蒸汽。这时它已不属于严格意义上的气体, 其密度也发生了很大变化。所以, 不同状态下不能用同一气体状态方程来描述。
在日常的流量测量中, 大家往往只重视差压信号的准确与否, 并常常使用高精度的差压变送器,而忽略了密度在测量中的重要地位。节流装置的流量方程为:
qm=k(2△P·ρ)1/2
k=c/(1-β4)1/2·ε·π/4·d2
式中 qm———质量流量/(kg/s);
c———流出系数;
β———直径比, d /D;
d———工作条件下节流件的孔径/m;
D———工作条件下上游管道内径/m;
ε———可膨胀性系数;
△P———差压/Pa;
ρ———流体密度/(kg/m3)。
从上式可以看出, 差压与密度在测量中是处于同等地位的。然而在实际使用中由于忽视了密度对流量测量的影响, 因此往往不重视对密度的认真研究和分析。
我们知道: 对气体流量的测量, 如果没有温压补偿, 测量结果是不准确的。因此无论是以前的电III 型仪表, 还是近些年广泛使用的智能仪表、DCS, 乃至武汉石化厂新安装的多变量仪表(HoneyWell SMV3000), 都有不同的补偿方式。目前仍没有一个统一的气体状态方程, 只有众多的实际气体状态方程。本文所讨论的蒸汽就没有的方程, 主要是因为蒸汽在工作过程中有物质状态的变化, 与理想的气体性质有很大差别, 它的物理参数比理想气体要复杂, 不能用简单的数学方程式表达出来。而在实际生产中, 蒸汽流量密度的计算,大多数采用的恰恰是简单的数学表达式。另外由于使用测量的仪表不统一, 仅智能流量二次表就有不同的型号, 对密度的计算也各不相同, 加上DCS、多变量等仪表的计算方式也不尽相同, 造成密度计算的不准确, 因此密度计算不准确对蒸汽流量计量准确度的影响不亚于用一台精度差的差压变送器带来的误差。
1.4 相关系数的影响
流出系数c 的定义是: 将节流装置的实际流量与理论流量的比值应用到理论方程中, 以获得实际的流量。在一定的安装条件下和给定的节流装置,c 值仅与雷诺数有关。
在节流装置计算书中, 根据提供的工艺条件计算出的c 值是一个固定值, 在DCS 或智能二次表中又无修正功能, 都将流出系数c 作为固定值参与流量计算, 而实际上流出系数c 只有雷诺数在规定的范围内才可视为常数, 实际使用中当雷诺数不在这个范围时, 流出系数c 就不能视为常数。特别是当小流量时, 随着雷诺数变小, 流出系数c 将有较大的变化, 流出系数c 与雷诺数Re 的变化关系见图2。

从图2 可以看出: 只有雷诺数Re≥104 时, 流出系数c 才可以是一个常数。据有关资料介绍, 当Re=103时(β = 0.6), 附加误差可达-19%, 而当Re = 250 时, 附加误差增加到-26%。在实际测量中, 由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情况时有发生。武汉石化厂热电车间某蒸汽流量, zui小可达1 t/h, 而zui大时可达28 t/ h, 实际量程比达到了28 ∶ 1。在低限流量时流出系数c 将变化很大, 如果不进行修正, 仍按计算书的c 值来计算流量, 会带来较大的误差。在武汉石化厂大部分DCS 和二次仪表中, 都没有对流出系数c 的修正功能, 由此可见流出系数c 对测量系统的影响是普遍存在的。
实际上, 孔板从安装使用开始, 其入口锐边就开始经历由尖锐到平钝的一个变化过程, 对仪表准确度的影响是一个从小到大的缓慢过程, 常常被忽视。如果被测介质是高流速的流体, 影响可能会更为显著。根据某专业杂志报道, 在流体高度脏污的场合, 流出系数c 变化百分之十几也不足为奇, 而武汉石化厂使用的孔板时间zui长达10 年以上, 短
的也用了3 ~ 4 年, 因此流出系数c 带来的测量误差是可想而知的。
1.5 仪表量程设置
在武汉石化厂计量仪表完善项目施工中, 笔者发现, 有部分车间选用的仪表量程过大, 使仪表经常工作在量程的50%甚至20%以下, 这样就造成了相对误差变大的后果。我们都知道, 一般仪表的准确度等级都用引用误差表示, 其实引用误差是一种简化的相对误差。若仪表的准确度等级为0.2、0.5 或1.0 级, 所标明的是仪表的引用误差不能超过的界限, 也就是说合格仪表zui大引用误差不会超过0.2%、0.5%、1.0%, 而不能认为它的各刻度点上的示值都具有0.2%、0.5%、1.0%的准确度。
设一台仪表的准确度为S%, 量程为0~Xn, 测量点为X, 相对误差应按下式求得:相对误差≤ Xn /X × S%如果这台仪表的量程是0 ~ 150, 准确度是0.5%, 用上式计算测量点75、50、30、15 的相对误差分别为: 1.0% 、1.5%、2.5%、和5.0%。由此可见, 当测量值越接近满度值, 其准确度越高。这就是我们在选用仪表量程时, 尽可能选择接近仪表量程的上限值或仪表满量程值的2/3 以上的原因。

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