蒸汽熱量計量應(yīng)用的探析

李 江

(中國石化上海石油化工股份有限公司計量所，200540)

蒸汽既是石油化工企業(yè)重要的二次能源，也是企業(yè)成本核算的一項重要的經(jīng)濟指標(biāo)。隨著企業(yè)內(nèi)部獨立核算的不斷深入，蒸汽計量越來越受到企業(yè)的重視。它不僅關(guān)系到企業(yè)的能耗水平，更直接關(guān)系的用汽單位和產(chǎn)汽單位的經(jīng)濟利益，還可能對生產(chǎn)工藝的改進產(chǎn)生影響。

在過去相當(dāng)長的時間里，蒸汽計量一直采用質(zhì)量計量和結(jié)算，國內(nèi)外專家、同行也對如何提高蒸氣的質(zhì)量計量準(zhǔn)確度，提出了很多對策和措施。但對蒸氣質(zhì)量計量的合理性方面討論較少，尤其具體到石油石化行業(yè)，裝置大多數(shù)時候是利用蒸汽的熱能，而不是蒸汽本身，即蒸汽本身的質(zhì)量和其所含的熱量并沒有線性關(guān)系。而這種用汽、算汽方式的不一致，會直接影響到用熱方的經(jīng)濟利益和節(jié)能降耗。

1 計量方式分析

前已述及，大多數(shù)裝置和用戶購買蒸汽，是為了使用蒸汽的熱量，而不是蒸汽本身。若用質(zhì)量計量單位作為蒸汽計量和結(jié)算的單位，難以真實、準(zhǔn)確的反映蒸汽的品質(zhì)和價值，可能會直接影響用熱方的經(jīng)濟利益。在不同的狀態(tài)下，即便同等質(zhì)量的蒸汽，其所含的熱量也會不同，主要是因為蒸汽的焓隨狀態(tài)變化而發(fā)生改變。

焓是工質(zhì)在某一狀態(tài)下所具有的總能量，它是內(nèi)能U和壓力勢能(流動能)即壓力P和體積V乘積之和，是一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，其定義式為［1］:

式中:H——工質(zhì)的焓，J或kJ;

U——內(nèi)能，J或 kJ;

P——壓力，Pa;

V——體積，m3。

單位質(zhì)量工質(zhì)的焓稱為比焓，用符號h表示，單位為J/kg或kJ/kg，表示為:

由此可以推斷出，蒸汽的比焓是其內(nèi)能和溫度、壓力的函數(shù)，是單位蒸汽所含的全部熱能。不同狀態(tài)的蒸汽，所含的熱能完全不一樣，過熱蒸汽、飽和干蒸汽和飽和濕蒸汽(即汽水混合物)的焓差異很大。即使同一狀態(tài)的蒸汽，因溫度和壓力變化，其焓值也有較大差異。如對兩種過熱蒸汽而言，p1=1.3 MPa、t1=300℃蒸汽的比焓約為3 606 kJ/kg，而 p2=1.2 MPa、t2=280 ℃蒸汽的比焓約為3 587 kJ/kg，比焓減少了3%左右。即使在同一蒸汽管網(wǎng)中，蒸汽從鍋爐產(chǎn)出，通過管道輸送到遠(yuǎn)近不同的各個用戶，在輸送過程中，由于沿途熱損和用戶引進，蒸汽的工況變化難以避免，鍋爐出口的壓力、溫度和管道末端用戶的溫度、壓力變化很大，導(dǎo)致蒸汽的品質(zhì)下降，末端用戶的蒸汽中可能含較大比例的熱水，所含熱量明顯降低，所以蒸汽用質(zhì)量計量，對下游用戶帶來的損害是顯而易見的。以上海石化為例，過熱蒸汽(350℃、3.7 MPa，其焓值約為3.102 MJ/kg)，采用階梯式循環(huán)運行方式，及蒸汽經(jīng)過兩級(或多級)裝置做功，蒸汽(仍是過熱蒸汽)的溫度、壓力逐級降低，焓值也逐級下降，但流經(jīng)各級裝置的質(zhì)量流量不變。以質(zhì)量流量做為結(jié)算單位，難以準(zhǔn)確進行單套裝置的能耗考核和獨立的成本核算。而用熱量計量，則可以避免由此引起的不合理數(shù)據(jù)，體現(xiàn)計量的公正公平。質(zhì)量測量法對蒸汽產(chǎn)方也不總是有利的，因為產(chǎn)熱方為了保證用熱方的蒸汽品質(zhì)指標(biāo)，總要留有余量，即要高于用熱方所要求的溫度、壓力，此余量若用質(zhì)量測量對產(chǎn)熱方來說就意味著利潤的損失。

2 蒸汽計量

2.1 熱量計量的依據(jù)

要實現(xiàn)蒸汽的熱量計量，首先要有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的支持，蒸汽的焓值，目前有兩套公式可以遵循，一個是由第六屆國際水蒸氣性質(zhì)會議的國際公式化委員會(IFC)擬定的“工業(yè)用1967年IFC公式”，另一個是1997年在德國(Erlangen)召開的水和水蒸氣國際聯(lián)合會(IAPWS)擬定的IAPWS－IF97公式。這兩公式在使用范圍、區(qū)域劃分、計算精度上都有一定的差別［2］。

(1)使用范圍的差別。IFC－67:溫度0.1～800℃、壓力0～100 MPa;IAPW－IF97:溫度0～800℃、壓力0～100 MPa及800～2 000℃、壓力0 ～10 MPa。

(2)區(qū)域劃分的差別。IFC－67將使用范圍內(nèi)的水和水蒸氣分為6個子區(qū)域;IAPW－IF97將使用范圍內(nèi)的水和水蒸氣分為5個子區(qū)域，即將IFC－67的第3和4子區(qū)域合并為一個子區(qū)域，將IFC－67的第5和6子區(qū)域合并為一個子區(qū)域，并增加一低壓高溫區(qū)，即第1區(qū)為常規(guī)水區(qū)、第2區(qū)為過熱蒸汽區(qū)、第3區(qū)為臨界區(qū)、第4區(qū)為飽和線區(qū)、第5區(qū)為低壓高溫區(qū)。

(3)計算精度的差別。一般說，IAPW－IF97的計算精度比IFC－67高一個數(shù)量級，特別是邊界點(從分區(qū)圖看是溫度為350～374.15℃、壓力大于16.54 MPa)，用IFC－67計算誤差為6%，用IAPW－97計算誤差在1%以內(nèi)。但是在常用測量范圍(溫度0～600℃，壓力0.1～5 MPa)，兩公式計算結(jié)果偏差極小(0.1%以內(nèi))，所以正確使用IFC－67公式是可以滿足蒸汽計量準(zhǔn)確度的要求。

2.2 熱量計量的具體過程

2.2.1 蒸汽的質(zhì)量計量

蒸汽熱量的計量是建立在質(zhì)量基礎(chǔ)上的。目前，工業(yè)用流量儀表種類多達(dá)60余種，主要有渦街流量計、差壓式(孔板、均速管、彎管)流量計、質(zhì)量流量計、分流旋翼式流量計、阿牛巴流量計、浮子式流量計等，任何一種儀表都有它特定的適用性，也有其局限性。就蒸汽質(zhì)量測量來說，無論是工礦企業(yè)還是市政集中供熱系統(tǒng)，使用最多的是孔板式(噴嘴式)流量計和渦街流量計，在煉化企業(yè)的蒸汽管網(wǎng)中，主要采用了孔板和渦街兩種流量計，選型原則是:DN＞200的基本采用孔板，DN≤200的多選用渦街流量計?？装辶髁坑嫓y量蒸汽質(zhì)量的公式為［3］:

式中:qm——蒸汽質(zhì)量流量，kg/s;

C——流出系數(shù);

d——工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔或喉部直徑，m;

ε——可膨脹性系數(shù);

β——直徑比(β =d/D);

ΔP——差壓，Pa;

ρ——工作條件下蒸汽的密度，kg/m3。

渦街流量計測量蒸汽的質(zhì)量流量是目前人們普遍使用的一種較為成熟的測量方法。渦街流量計是一種體積流量計，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)時，其輸出只與體積流量成正比。渦街流量計的輸出信號有頻率信號和模擬信號兩種，模擬輸出是在頻率輸出的基礎(chǔ)上經(jīng)f/I轉(zhuǎn)換得到。這一轉(zhuǎn)換大約要損失0.1%的精確度，所以為獲得較高的測量精度，建議用戶選用頻率輸出的渦街流量計。該流量計測量質(zhì)量流量的表達(dá)式為［4］:

式中:qm——蒸汽質(zhì)量流量，kg/h;

f——渦街流量計輸出頻率，脈沖數(shù)/s;

kt——流量系數(shù)，脈沖數(shù)/l;

ρf——工作狀態(tài)下的流體密度，kg/m3。

(1)當(dāng)被測流體為飽和蒸汽時，若工作狀態(tài)下的壓力為pf，工作狀態(tài)下的溫度為tf，則可從ρf=y1(pf)或ρf=y2(tf)查表求得工作狀態(tài)下的流體密度，其測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 用渦街流量計測量飽和蒸汽質(zhì)量流量的系統(tǒng)

(2)當(dāng)被測流體為過熱蒸汽時，可從ρf=y(pf，tf)查表求得工作狀態(tài)下的流體密度，其測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 用渦街流量計測量過熱蒸汽質(zhì)量流量的系統(tǒng)

目前，智能型流量積算儀的EPROM中寫入了過熱蒸汽密度表ρf=y(pf，tf)和飽和蒸汽密度表 ρf=y1(pf)、ρf=y2(tf)，可通過用戶填寫組態(tài)菜單選定所查的表格，自動查表計算。

關(guān)于蒸汽的質(zhì)量計量，無論是采用差壓式流量計還是速度式流量計，重點是選擇合適的儀表量程，并做好儀表的溫壓補償工作，安裝時注意位置的選擇，保證前后直管段。

2.2.2 蒸汽的熱量計量

如上所說，蒸汽的熱量計量是建立在質(zhì)量計量的基礎(chǔ)上的，他們之間的關(guān)系是蒸汽質(zhì)量與蒸汽的比焓的乘積即為熱量，其關(guān)系式為［1］:

式中:Q——熱量，kJ;

hf——蒸汽比焓，kJ/kg。

(1)當(dāng)流體為過熱蒸汽時，h=f(p，t);(2)當(dāng)流體為飽和蒸汽時，h=f(p)，或h=f(t)，其中p和t分別為蒸汽壓力和溫度。在準(zhǔn)確測得蒸汽質(zhì)量后，通過查表獲得測量時工況下的比焓，再由公式(5)求得蒸汽的熱量。

當(dāng)前，國內(nèi)有許多儀表廠家生產(chǎn)智能型儀表，除了具有質(zhì)量流量演算、補償、積算、顯示功能之外，還具有熱量演算功能，這種演算器在使用者指定了熱量演算功能之后，先根據(jù)流體壓力和溫度查國際蒸汽比焓表，得到hf，在按公式(5)計算熱量，然后積算顯示，為蒸汽的熱量計量提供了極大的方便。

3 蒸汽熱量計量應(yīng)用

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)的蒸汽熱網(wǎng)管道長度約78 km，承擔(dān)著為各生產(chǎn)裝置供汽的重要任務(wù)。上海石化蒸汽熱量計量改造始于2000年，主要是為了節(jié)能降耗，提高裝置能耗指標(biāo)的真實性和準(zhǔn)確性，消除裝置使用質(zhì)量相同而品質(zhì)不同的蒸汽卻要支付相同的費用現(xiàn)象。當(dāng)時改造計劃分兩步實施:第一步，先對企業(yè)外部貿(mào)易及所屬二級單位間的蒸汽計量設(shè)施進行整改，增加熱量積算儀，在企業(yè)層面實施熱量計量、結(jié)算;第二步，對二級單位內(nèi)部進出裝置的計量設(shè)施進行整改，在企業(yè)全方位實施熱量計量和結(jié)算。表1為熱量改造后的歷年差率。

表1 熱量改造后的歷年差率 GJ

第一階段改造于2000年底完成并正式運行，采用熱量結(jié)算后，管道熱損直接體現(xiàn)出來，最高時達(dá)到12%，這對管道維護單位帶來了直接壓力，一改過去由于質(zhì)量計量結(jié)算帶來的熱網(wǎng)管道保溫積極性不高的情況，維護單位想方設(shè)法加強管道保溫工作，減少熱量損失，熱網(wǎng)損失逐年下降，近幾年一直保持在6%左右，按照上海石化年耗蒸氣8 000 kt計算，一年節(jié)能約500 kt(熱量約為1.5×106GJ)。

同時由于采用熱量計量，下游裝置的能耗指標(biāo)也明顯好轉(zhuǎn)，原來上海石化腈綸事業(yè)部生產(chǎn)裝置汽源不同，能耗指標(biāo)差異明顯，當(dāng)油電廠供汽時，由于供汽位置就在隔壁，管道短，熱量損失少，蒸汽品質(zhì)好，相同質(zhì)量的蒸汽熱量相對高，裝置的能耗指標(biāo)明顯好;當(dāng)煤電廠供汽時，由于腈綸事業(yè)部位于供汽管道的末端，蒸汽品質(zhì)差，相同質(zhì)量的蒸汽熱量相對低，裝置的能耗指標(biāo)明顯變差，腈綸事業(yè)部一直呼吁要用油電廠的蒸汽。熱量改造完成后，這種現(xiàn)象有了明顯改善，因為采用熱量結(jié)算，無論是油電廠供汽還是煤電廠供汽，能耗指標(biāo)的變化不大，提高了裝置能耗指標(biāo)的真實性和準(zhǔn)確性。

上海石化第一步改造完成后，雖然節(jié)能效果明顯，但由于整個中國石化集團公司仍然采用質(zhì)量指標(biāo)對裝置的能耗進行考核，若只有上海石化采用熱量計量結(jié)算，相關(guān)數(shù)據(jù)與中國石化總部存在銜接問題，也難以比較同類裝置能耗指標(biāo)的高低，正是由于此類原因，涉及第二步的改造目前尚未實施。

4 結(jié)束語

(1)蒸汽采用熱量計量，雖然當(dāng)前國家還未出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但其計量方式的合理性、準(zhǔn)確性，不僅僅是學(xué)術(shù)界的共識，也得到了大量蒸汽生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)。

(2)上海石化初步應(yīng)用的事實表明，蒸汽熱量計量對加強能源管理，促進節(jié)能降耗效果明顯，可以預(yù)計蒸汽的熱量計量將是一種技術(shù)進步的發(fā)展趨勢。

1 華自強.工程熱力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

2 孫玉寶，田貫三.水和水蒸氣熱力性質(zhì)通用計算模型IAPWSIF97與 IFC67的比較［EB/OL］.2005［2011－01－04］.http://www.shuigong.com/papers/dianqi/20051116/paper10123.shtml.

3 紀(jì)綱.流量測量儀表應(yīng)用技巧［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

4 盧嘉，史云肖，鄭永輝.用渦街流量計測量蒸汽的質(zhì)量流量［J］.石油化工自動化，2006(4):79－80.