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由于蒸汽的特殊性，在計量方面存在諸多困難，長期以來一直是我公司計量工作中的老大難問題。目前，我公司蒸汽流量測量主要采用的還是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(差壓式流量計)這一傳統(tǒng)的測量手段，常規(guī)差壓式流量計在蒸汽測量方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在測量范圍小、壓損大，現(xiàn)場安裝、維護(hù)復(fù)雜、檢定周期短等方面。尤其是測量范圍小的缺點，在熱負(fù)荷變化大的情況下將使計量誤差大大增加。目前，通過現(xiàn)代技術(shù)手段，可以較好地解決這些問題。下面針對蒸汽流量計量存在的問題進(jìn)行分析，并提出一套合理的蒸汽流量計量器具配備方案。
一、蒸汽流量計量面臨的問題
1.寬量程問題
我們都知道，引起差壓式流量計誤差因素雖然很多，但諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設(shè)計與施工予以保證。但在蒸汽輸送過程中，實際流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定，在熱負(fù)荷變化大的情況下，使流量計長時間工作在測量范圍以外，這樣就造成了很大的測量誤差。因此，在設(shè)計差壓式蒸汽流量計量系統(tǒng)時，應(yīng)考慮使用具有寬量程補(bǔ)償運(yùn)算功能的計量系統(tǒng)，對節(jié)流件流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等中間參數(shù)的實時計算是解決寬量程的關(guān)鍵。
差壓式流量計流量計算公式為
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)流件開孔直徑，m；；β——直徑比(β=d/D，D為管道內(nèi)徑)；ρ1——被測流體密度，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量滿管流體流量》孔板流出系數(shù)C的計算式為
式中:ReD——雷諾數(shù)。
流束可膨脹系數(shù)ε的計算式為
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由專門的節(jié)流裝置設(shè)計計算軟件計算得到)，置入現(xiàn)場的流量積算儀。圖1是一臺孔板流出系數(shù)曲線:
<CTSM>圖1一臺孔板流出系數(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，其不確定度為0.61%。
，即ReD在3×104～1×104范圍內(nèi)(3∶1)時，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，其不確定度為1.5%，遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的一級表對不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數(shù)ε在超測量范圍情況下，所引起的測量不確定度更不容忽視，例如，一臺角接取壓孔板流量計(D=100mm，β=0.5)測量過熱蒸汽(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，要實現(xiàn)寬量程測量，就必須對流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行實時計算。
，即ReD在5×104～5×103范圍內(nèi)(10∶1)時，其不確定度為1.5%，遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的一級表對不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數(shù)ε在超測量范圍情況下，所引起的測量不確定度更不容忽視，例如，一臺角接取壓孔板流量計(D=100mm，β=0.5)測量過熱蒸汽(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，要實現(xiàn)寬量程測量，就必須對流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行實時計算。 由式(2)可以看出流出系數(shù)C的計算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了計算流出系數(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算機(jī)的問世，使我們能擁有寬量程的智能化差壓式流量計成為可能。歸納起來它應(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傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動遷移測量范圍；3.流量計算機(jī)可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)實時計算流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等，從而實現(xiàn)對工況流量進(jìn)行修正。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準(zhǔn)確度同時，流量測量范圍可真正達(dá)到10∶1，必要時可采用具有自動切換功能的雙差壓變送器系統(tǒng)，以克服低差壓信號所引起的誤差，并進(jìn)一步拓寬測量范圍。差壓式流量計的這一飛躍是多項技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變了人們對傳統(tǒng)差壓式流量計的認(rèn)識。
2.蒸汽密度問題
對于蒸汽的流量測量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償。但是由于對蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在整套測量系統(tǒng)中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準(zhǔn)確與否，并盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位，從式(1)中可以看出，密度與差壓在測量中是處于同等地位的。和一般通用氣體相比，在計算水蒸氣流量時有3個難點:
(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，故不能用簡單的數(shù)學(xué)式子加以描述，在以往的工程計算中，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)用過程中由于參數(shù)的變化，會發(fā)生狀態(tài)變化。如過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?，飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態(tài)(是飽和蒸汽還是過熱蒸汽)，再查不同的數(shù)表或用不同的公式計算。
(3)欠飽和蒸汽含有飽和水，是兩相流。要準(zhǔn)確測量蒸汽流量還必須知道干度。而干度測量難度很大，國外已有一些研究成果，但未見普遍推廣應(yīng)用，國內(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算，有相當(dāng)數(shù)量的儀表采用的是簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式或單一對應(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。
②計算法:
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)出公司及二級單位的蒸汽計量大多采用專用二次表查表法，而二級單位內(nèi)部蒸汽計量由于多數(shù)未使用專用二次表(大多在DCS上進(jìn)行密度補(bǔ)充)，使用計算法較多，且采用的公式也未統(tǒng)一，計算出的密度的不確定度較大。
3.能量計量問題
我公司能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能源分布縱橫交錯。尤其是蒸汽，涉及多種能級，以往蒸汽流量測量采用間接式質(zhì)量測量法(單位:t/h)。但是蒸汽在其生產(chǎn)和輸送過程中，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)即所含實際熱焓因輸送距離的長短而不同，這就使蒸汽計量容易失準(zhǔn)，尤其是對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)算單位不能真實反映蒸汽的價值。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)，呼吁國家出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步科學(xué)地規(guī)范蒸汽計量。然而，改動貿(mào)易計量單位是一個十分復(fù)雜的問題，非短時間內(nèi)所能成就。但先在企業(yè)內(nèi)部推行蒸汽的能量計量在技術(shù)層面上是可行的，在管理層面將是一項十分有益的實踐。針對我公司蒸汽計量現(xiàn)狀，通過完善蒸汽計量系統(tǒng)的溫壓補(bǔ)償并更換計量系統(tǒng)(二次)累計單元，可實現(xiàn)蒸汽計量單位由質(zhì)量向能量的轉(zhuǎn)換，對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
為克服差壓式流量計的自身弱點，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，如阿牛巴、V錐、彎管流量計等，它們各具特點。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)都必須通過實流標(biāo)定獲得(所謂實流標(biāo)定一般是指在沒有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定的情況下，被測介質(zhì)和實驗介質(zhì)應(yīng)為同一介質(zhì)，即測量蒸汽的儀表應(yīng)使用蒸汽進(jìn)行標(biāo)定)，否則，容易產(chǎn)生貿(mào)易計量糾紛。我公司芳烴廠前幾年引進(jìn)了一些阿牛巴流量計測量蒸汽，在解決低差壓(小流量)輸出指示的同時，卻存在著在全量程測量方面還缺少足夠的手段驗證問題，沒有從根本上解決計量糾紛。這也是非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計發(fā)展、應(yīng)用過程中的一個縮影。
二、蒸汽流量計量儀表配備方案
1.一套合理、先進(jìn)的蒸汽計量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征
(1)現(xiàn)場儀表符合準(zhǔn)確度要求、免維護(hù)、故障率低、穩(wěn)定性好、檢定周期長。
(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)具有較寬的測量范圍。
(4)具有歷史數(shù)據(jù)存儲、事件報警等管理功能。
(5)便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。
(6)具有能量計量的功能。
2.一次儀表配備方案
標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個缺點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個月時，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1%～3%，個別嚴(yán)重的在4%以上。目前，解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問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、制造，無需實流標(biāo)定，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損(見圖2)。它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，檢定周期長達(dá)4年(孔板檢定周期是1年)。我公司蒸汽外管網(wǎng)流量計經(jīng)過20多年的時間的長期運(yùn)行，孔板老化磨損嚴(yán)重，影響了蒸汽計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，給公司蒸汽平衡帶來很大困難。2010年利用公司全面停車大修契機(jī)，對電廠蒸汽流量計全面改造，外管網(wǎng)中壓蒸汽2#、低壓蒸汽4#、5#、6#、7#、8#、10#蒸汽流量計量一次儀表均由原來的孔板更換成了一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償，有效提高了計量系統(tǒng)的測量準(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。長期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點，適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。
<CTSM>圖2ISA1932噴嘴</CTSM>
差壓式流量計的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，有較長的引壓管，容易阻塞，冬季運(yùn)行還需對引壓管、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，噴嘴流量計也不例外。一體化噴嘴很好地解決了上述問題，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)成簡單，無需保溫供熱，在減少維護(hù)量的同時，也節(jié)省了能源。
3.一體化噴嘴的特點
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，測量準(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)沒有孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數(shù)穩(wěn)定，檢定周期長(2年)。
(5)配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達(dá)10∶1或更寬；雖然量程范圍仍不及渦街流量計，但其抗振性和耐高溫上限均優(yōu)于渦街流量計。
(6)安裝簡便。
由于具有上述優(yōu)勢特點，一體化噴嘴流量計在蒸汽計量中占有越來越重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，我公司蒸汽計量用表有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。
4.二次儀表配備方案
如前文所述，由于蒸汽自身的特點和其測量過程的復(fù)雜性，蒸汽計量系統(tǒng)二次儀表配備應(yīng)*流量計算機(jī)式專用二次儀表。
流量計算機(jī)應(yīng)具有以下功能:
(1)依據(jù)有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)與建議、國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對不同介質(zhì)和流量計類型建立了多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計算軟件，可以計算蒸汽質(zhì)量流量和能量流量。
(2)對節(jié)流式流量計的流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等參數(shù)作為動態(tài)量進(jìn)行實時逐點運(yùn)算以實現(xiàn)寬量程。
(3)具有歷史數(shù)據(jù)存儲、報警記錄、儀表斷電、修改參數(shù)設(shè)置等審計記錄功能，即使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障，流量計量數(shù)據(jù)也會存儲在其中不至于丟失。
的流量計算機(jī)所使用的流量計算軟件已通過國家部門認(rèn)證。
(5)流量計算機(jī)具有強(qiáng)大的通訊功能，對現(xiàn)場儀表除可適配(4～20)mA信號、脈沖信號外，還可以適配HART、Modbus等數(shù)字信號；對上位機(jī)可采用包括程控電話網(wǎng)、以太網(wǎng)等方式構(gòu)成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督管理和建立集散式計量管理系統(tǒng)。
目前，我公司蒸汽流量計量尚有很多點位采用DCS公式計算或定點補(bǔ)償，對照前文，缺點無需贅述；但在貿(mào)易交接的計量點上，已基本采用流量計算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)勢也已體現(xiàn)。需要指出的是，公司內(nèi)部部分B、C級計量點位采用的簡配流量計算機(jī)不具備對流量計的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z等參數(shù)進(jìn)行實時逐點運(yùn)算的能力，甚至部分流量計算機(jī)所使用的流量計算軟件也沒有通過國家部門認(rèn)證，更不用說具備能量換算的功能。建議在公司進(jìn)行蒸汽計量交接單位轉(zhuǎn)換為能量的過程中一并予以解決。
四、結(jié)束語
用一體化噴嘴取代標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，二次儀表采用流量計算機(jī)補(bǔ)償，可以克服傳統(tǒng)孔板流量計計量系統(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；輔以完善溫度、壓力補(bǔ)償?shù)拇胧?，還能實現(xiàn)蒸汽計量交接由質(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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