由于蒸汽的特殊性，在計(jì)量方面存在諸多困難，長(zhǎng)期以來(lái)一直是我公司計(jì)量工作中的老大難問(wèn)題。目前，我公司蒸汽流量測(cè)量主要采用的還是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(差壓式流量計(jì))這一傳統(tǒng)的測(cè)量手段，常規(guī)差壓式流量計(jì)在蒸汽測(cè)量方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在測(cè)量范圍小、壓損大，現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)復(fù)雜、檢定周期短等方面。尤其是測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，在熱負(fù)荷變化大的情況下將使計(jì)量誤差大大增加。目前，通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)手段，可以較好地解決這些問(wèn)題。下面針對(duì)蒸汽流量計(jì)量存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出一套合理的蒸汽流量計(jì)量器具配備方案。
一、蒸汽流量計(jì)量面臨的問(wèn)題
1.寬量程問(wèn)題
我們都知道，引起差壓式流量計(jì)誤差因素雖然很多，但諸如直管段條件、安裝條件等都可通過(guò)設(shè)計(jì)與施工予以保證。但在蒸汽輸送過(guò)程中，實(shí)際流量范圍往往無(wú)法準(zhǔn)確確定，在熱負(fù)荷變化大的情況下，使流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間工作在測(cè)量范圍以外，這樣就造成了很大的測(cè)量誤差。因此，在設(shè)計(jì)差壓式蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮使用具有寬量程補(bǔ)償運(yùn)算功能的計(jì)量系統(tǒng)，對(duì)節(jié)流件流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等中間參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算是解決寬量程的關(guān)鍵。
差壓式流量計(jì)流量計(jì)算公式為
式中:qv——體積流量，m3/s；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹性系數(shù)；d——節(jié)流件開(kāi)孔直徑，m；；β——直徑比(β=d/D，D為管道內(nèi)徑)；ρ1——被測(cè)流體密度，kg/m3；Δp——差壓，Pa。
其中:按GB/T2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》孔板流出系數(shù)C的計(jì)算式為
式中:ReD——雷諾數(shù)。
流束可膨脹系數(shù)ε的計(jì)算式為
式中:k——等熵指數(shù)；p1、p2——節(jié)流件前后的壓力，Pa。
傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)是將流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε視為定值(C和ε由專門(mén)的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算得到)，置入現(xiàn)場(chǎng)的流量積算儀。圖1是一臺(tái)孔板流出系數(shù)曲線:
<CTSM>圖1一臺(tái)孔板流出系數(shù)曲線</CTSM>
圖1曲線表明:當(dāng)ReD=3×104，C=0.6101；ReD=1×104，C=0.6176；平均值
，即ReD在3×104～1×104范圍內(nèi)(3∶1)時(shí)，其不確定度為0.61%。 當(dāng)ReD=5×104，C=0.6081；ReD=5×103，C=0.6264；平均值
，即ReD在5×104～5×103范圍內(nèi)(10∶1)時(shí)，其不確定度為1.5%，遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的一級(jí)表對(duì)不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數(shù)ε在超測(cè)量范圍情況下，所引起的測(cè)量不確定度更不容忽視，例如，一臺(tái)角接取壓孔板流量計(jì)(D=100mm，β=0.5)測(cè)量過(guò)熱蒸汽(壓力=4MPa，溫度=400℃)，ReD在2.8×105～28×105(介質(zhì)流速:5.2m/s～52m/s)范圍內(nèi)，可膨脹系數(shù)ε的不確定度為3.0%。因此，要實(shí)現(xiàn)寬量程測(cè)量，就必須對(duì)流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。 由式(2)可以看出流出系數(shù)C的計(jì)算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了計(jì)算流出系數(shù)C的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運(yùn)算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復(fù)雜的中間參數(shù)的補(bǔ)償運(yùn)算。
智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，使我們能擁有寬量程的智能化差壓式流量計(jì)成為可能。歸納起來(lái)它應(yīng)具備以下條件:1.智能化的寬量程差壓變送器(差壓范圍為100∶1)；2.差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間數(shù)字通信(如Hart協(xié)議)除能滿足全量程差壓信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍；3.流量計(jì)算機(jī)可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工況流量進(jìn)行修正。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計(jì)，在滿足準(zhǔn)確度同時(shí)，流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到10∶1，必要時(shí)可采用具有自動(dòng)切換功能的雙差壓變送器系統(tǒng)，以克服低差壓信號(hào)所引起的誤差，并進(jìn)一步拓寬測(cè)量范圍。差壓式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變了人們對(duì)傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)的認(rèn)識(shí)。
2.蒸汽密度問(wèn)題
對(duì)于蒸汽的流量測(cè)量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償。但是由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在整套測(cè)量系統(tǒng)中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號(hào)的準(zhǔn)確與否，并盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測(cè)量中的重要地位，從式(1)中可以看出，密度與差壓在測(cè)量中是處于同等地位的。和一般通用氣體相比，在計(jì)算水蒸氣流量時(shí)有3個(gè)難點(diǎn):
(1)密度的確定。水蒸氣的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應(yīng)視為實(shí)際氣體。蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜得多，故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式子加以描述，在以往的工程計(jì)算中，凡涉及蒸汽的狀態(tài)參數(shù)數(shù)值，大都從蒸汽表中查出。把蒸汽參數(shù)表裝入儀表中，數(shù)據(jù)量很大。
(2)蒸汽在應(yīng)用過(guò)程中由于參數(shù)的變化，會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化。如過(guò)熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?，飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態(tài)(是飽和蒸汽還是過(guò)熱蒸汽)，再查不同的數(shù)表或用不同的公式計(jì)算。
(3)欠飽和蒸汽含有飽和水，是兩相流。要準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽流量還必須知道干度。而干度測(cè)量難度很大，國(guó)外已有一些研究成果，但未見(jiàn)普遍推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前仍處于研究階段。
通常有以下兩種蒸汽密度的確定方法:
?、俨楸矸?把蒸汽密度表裝入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)工況的溫度、壓力，從表中查出相應(yīng)的密度值。目前，流量類二次顯示儀表(系統(tǒng))中蒸汽流量密度的計(jì)算，有相當(dāng)數(shù)量的儀表采用的是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式或單一對(duì)應(yīng)查表法(只根據(jù)溫度或壓力，缺乏狀態(tài)判斷)，其準(zhǔn)確度往往不能滿足要求。
?、谟?jì)算法:
a.自己擬合公式(或者出版物給出的公式)。
b.烏卡諾維奇公式。
c.IFC1967公式。
目前，我公司蒸汽計(jì)量中密度的確定方法是上述兩種情況并存:進(jìn)出公司及二級(jí)單位的蒸汽計(jì)量大多采用專用二次表查表法，而二級(jí)單位內(nèi)部蒸汽計(jì)量由于多數(shù)未使用專用二次表(大多在DCS上進(jìn)行密度補(bǔ)充)，使用計(jì)算法較多，且采用的公式也未統(tǒng)一，計(jì)算出的密度的不確定度較大。
3.能量計(jì)量問(wèn)題
我公司能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能源分布縱橫交錯(cuò)。尤其是蒸汽，涉及多種能級(jí)，以往蒸汽流量測(cè)量采用間接式質(zhì)量測(cè)量法(單位:t/h)。但是蒸汽在其生產(chǎn)和輸送過(guò)程中，溫度、壓力狀態(tài)的變化是難以避免的，加上季節(jié)、天氣和用戶負(fù)荷變化的影響，其品質(zhì)即所含實(shí)際熱焓因輸送距離的長(zhǎng)短而不同，這就使蒸汽計(jì)量容易失準(zhǔn)，尤其是對(duì)蒸汽的末端用戶影響較大。不同狀態(tài)下等質(zhì)量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如:在壓力0.8MPa、溫度200℃條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2838.6千焦；在壓力0.8MPa、溫度220℃條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2kJ，二者相差1.6%。所以，以質(zhì)量為蒸汽的結(jié)算單位不能真實(shí)反映蒸汽的價(jià)值。因此，以能量作為蒸汽的結(jié)算單位，也得到了廣大蒸汽的生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)，呼吁國(guó)家出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步科學(xué)地規(guī)范蒸汽計(jì)量。然而，改動(dòng)貿(mào)易計(jì)量單位是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，非短時(shí)間內(nèi)所能成就。但先在企業(yè)內(nèi)部推行蒸汽的能量計(jì)量在技術(shù)層面上是可行的，在管理層面將是一項(xiàng)十分有益的實(shí)踐。針對(duì)我公司蒸汽計(jì)量現(xiàn)狀，通過(guò)完善蒸汽計(jì)量系統(tǒng)的溫壓補(bǔ)償并更換計(jì)量系統(tǒng)(二次)累計(jì)單元，可實(shí)現(xiàn)蒸汽計(jì)量單位由質(zhì)量向能量的轉(zhuǎn)換，對(duì)我公司裝置能耗的考核也將更為科學(xué)、合理。
4.非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)
為克服差壓式流量計(jì)的自身弱點(diǎn)，儀表研制者進(jìn)行了多種嘗試，制造出了各種非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)，如阿牛巴、V錐、彎管流量計(jì)等，它們各具特點(diǎn)。但由于它們不能像標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣，有成熟且通行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)支持，其流出系數(shù)、流束可膨脹性系數(shù)都必須通過(guò)實(shí)流標(biāo)定獲得(所謂實(shí)流標(biāo)定一般是指在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定的情況下，被測(cè)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為同一介質(zhì)，即測(cè)量蒸汽的儀表應(yīng)使用蒸汽進(jìn)行標(biāo)定)，否則，容易產(chǎn)生貿(mào)易計(jì)量糾紛。我公司芳烴廠前幾年引進(jìn)了一些阿牛巴流量計(jì)測(cè)量蒸汽，在解決低差壓(小流量)輸出指示的同時(shí)，卻存在著在全量程測(cè)量方面還缺少足夠的手段驗(yàn)證問(wèn)題，沒(méi)有從根本上解決計(jì)量糾紛。這也是非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)發(fā)展、應(yīng)用過(guò)程中的一個(gè)縮影。
二、蒸汽流量計(jì)量?jī)x表配備方案
1.一套合理、先進(jìn)的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征
(1)現(xiàn)場(chǎng)儀表符合準(zhǔn)確度要求、免維護(hù)、故障率低、穩(wěn)定性好、檢定周期長(zhǎng)。
(2)補(bǔ)償功能完善且補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
(3)具有較寬的測(cè)量范圍。
(4)具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能。
(5)便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。
(6)具有能量計(jì)量的功能。
2.一次儀表配備方案
標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個(gè)缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，在孔板連續(xù)使用2～3個(gè)月時(shí)，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1%～3%，個(gè)別嚴(yán)重的在4%以上。目前，解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問(wèn)題的最好方法是采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，同樣是按標(biāo)準(zhǔn)(ISO5167-2003E、GB/T2624-2006)設(shè)計(jì)、制造，無(wú)需實(shí)流標(biāo)定，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損(見(jiàn)圖2)。它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，檢定周期長(zhǎng)達(dá)4年(孔板檢定周期是1年)。我公司蒸汽外管網(wǎng)流量計(jì)經(jīng)過(guò)20多年的時(shí)間的長(zhǎng)期運(yùn)行，孔板老化磨損嚴(yán)重，影響了蒸汽計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，給公司蒸汽平衡帶來(lái)很大困難。2010年利用公司全面停車大修契機(jī)，對(duì)電廠蒸汽流量計(jì)全面改造，外管網(wǎng)中壓蒸汽2#、低壓蒸汽4#、5#、6#、7#、8#、10#蒸汽流量計(jì)量一次儀表均由原來(lái)的孔板更換成了一體化噴嘴流量計(jì)，并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償，有效提高了計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。公司大修后電廠外供蒸汽管網(wǎng)4#、5#、6#、7#、8#(串聯(lián)使用)計(jì)量數(shù)據(jù)由6月份的92751t上升至9月份的190953t，考慮季節(jié)因素引起的工藝生產(chǎn)用汽量變化，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失明顯比孔板減小(僅為孔板的50%～60%)，減小能耗，避免了供汽損失。長(zhǎng)期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。
<CTSM>圖2ISA1932噴嘴</CTSM>
差壓式流量計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，有較長(zhǎng)的引壓管，容易阻塞，冬季運(yùn)行還需對(duì)引壓管、冷凝系統(tǒng)進(jìn)行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護(hù)工作量大，噴嘴流量計(jì)也不例外。一體化噴嘴很好地解決了上述問(wèn)題，它將節(jié)流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器，不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統(tǒng)，使系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，無(wú)需保溫供熱，在減少維護(hù)量的同時(shí)，也節(jié)省了能源。
3.一體化噴嘴的特點(diǎn)
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，測(cè)量準(zhǔn)確度有依據(jù)。
(2)采用防凍隔離技術(shù)，冬季運(yùn)行無(wú)須伴熱，維護(hù)量少。
(3)噴嘴節(jié)流件阻力損失小(同樣流量下為相同β值孔板的60%左右)。
(4)沒(méi)有孔口鈍化的問(wèn)題，耐沖擊不易變形，系數(shù)穩(wěn)定，檢定周期長(zhǎng)(2年)。
(5)配置智能型差壓變送器，流量測(cè)量范圍度可達(dá)10∶1或更寬；雖然量程范圍仍不及渦街流量計(jì)，但其抗振性和耐高溫上限均優(yōu)于渦街流量計(jì)。
(6)安裝簡(jiǎn)便。
由于具有上述優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，一體化噴嘴流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中占有越來(lái)越重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我公司蒸汽計(jì)量用表有80%以上的仍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置，建議公司今后逐步將標(biāo)準(zhǔn)孔板更換成一體化噴嘴流量計(jì)。
4.二次儀表配備方案
如前文所述，由于蒸汽自身的特點(diǎn)和其測(cè)量過(guò)程的復(fù)雜性，蒸汽計(jì)量系統(tǒng)二次儀表配備應(yīng)*流量計(jì)算機(jī)式專用二次儀表。
流量計(jì)算機(jī)應(yīng)具有以下功能:
(1)依據(jù)有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與建議、國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同介質(zhì)和流量計(jì)類型建立了多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計(jì)算軟件，可以計(jì)算蒸汽質(zhì)量流量和能量流量。
(2)對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)寬量程。
(3)具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄、儀表斷電、修改參數(shù)設(shè)置等審計(jì)記錄功能，即使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障，流量計(jì)量數(shù)據(jù)也會(huì)存儲(chǔ)在其中不至于丟失。
的流量計(jì)算機(jī)所使用的流量計(jì)算軟件已通過(guò)國(guó)家部門(mén)認(rèn)證。
(5)流量計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的通訊功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表除可適配(4～20)mA信號(hào)、脈沖信號(hào)外，還可以適配HART、Modbus等數(shù)字信號(hào)；對(duì)上位機(jī)可采用包括程控電話網(wǎng)、以太網(wǎng)等方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督管理和建立集散式計(jì)量管理系統(tǒng)。
目前，我公司蒸汽流量計(jì)量尚有很多點(diǎn)位采用DCS公式計(jì)算或定點(diǎn)補(bǔ)償，對(duì)照前文，缺點(diǎn)無(wú)需贅述；但在貿(mào)易交接的計(jì)量點(diǎn)上，已基本采用流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)勢(shì)也已體現(xiàn)。需要指出的是，公司內(nèi)部部分B、C級(jí)計(jì)量點(diǎn)位采用的簡(jiǎn)配流量計(jì)算機(jī)不具備對(duì)流量計(jì)的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算的能力，甚至部分流量計(jì)算機(jī)所使用的流量計(jì)算軟件也沒(méi)有通過(guò)國(guó)家部門(mén)認(rèn)證，更不用說(shuō)具備能量換算的功能。建議在公司進(jìn)行蒸汽計(jì)量交接單位轉(zhuǎn)換為能量的過(guò)程中一并予以解決。
四、結(jié)束語(yǔ)
用一體化噴嘴取代標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，二次儀表采用流量計(jì)算機(jī)補(bǔ)償，可以克服傳統(tǒng)孔板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)量程小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短、系統(tǒng)安裝及維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)；輔以完善溫度、壓力補(bǔ)償?shù)拇胧?，還能實(shí)現(xiàn)蒸汽計(jì)量交接由質(zhì)量向能量的轉(zhuǎn)換，將使裝置能耗考核更為科學(xué)合理。
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