蒸汽流量計(jì)量存在的問(wèn)題及解決方法

趙曉嵐

（馬鞍山鋼鐵公司計(jì)量處,安徽馬鞍山 243000）

1 引言

在鋼鐵的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的蒸汽，廣泛用于動(dòng)力、制冷、生產(chǎn)線等用熱場(chǎng)合。因此對(duì)能源計(jì)量工作的要求較高，蒸汽的儀表配置及運(yùn)行率達(dá)99%。但是在能源供用方面卻存在很大的不平衡。

2 存在的原因

2.1 一次部件的選用

馬鋼的蒸汽測(cè)量中，一次部件有約90%采用的是標(biāo)準(zhǔn)孔板（ISO5167—2003E、GB/T2624—2006）。

標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用期限長(zhǎng)，價(jià)格低廉，無(wú)需實(shí)流校準(zhǔn)，即可投用，在流量計(jì)中是惟一的。雖然標(biāo)準(zhǔn)孔板有這樣的優(yōu)點(diǎn)，但差壓法流量測(cè)量中不可避免地存在著以下問(wèn)題：

（1）壓損大

根據(jù)GB2624—93中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)原理可知管道流經(jīng)節(jié)流裝置的壓力損失為:

式中：β—節(jié)流件內(nèi)徑與管道內(nèi)徑之比d/D；

ΔP—流量差壓

從上式中不難看出，在一定的流體情況下，差壓ΔP越大，壓損越大；β值越小，壓損越大。這樣給蒸汽測(cè)量帶來(lái)了不可避免的誤差。

（2）入口直角銳利度在流體刷下易發(fā)生鈍化

據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在孔板連續(xù)使用2～3個(gè)月時(shí)，鈍化引起流出系數(shù)偏差在1%～3%，個(gè)別嚴(yán)重的在4%以上，這就給蒸汽測(cè)量帶來(lái)了測(cè)量誤差。

2.2 蒸汽的相變問(wèn)題

變相問(wèn)題主要是過(guò)熱蒸汽變飽和汽。例如熱電廠供汽管道，在其出口處供出的是過(guò)熱蒸汽，但經(jīng)管道長(zhǎng)距離的輸送或保溫不利造成輸送過(guò)程中部分蒸汽程度不等地產(chǎn)生冷凝水而成為濕飽和汽。造成供方出口計(jì)量值與用戶(hù)進(jìn)口計(jì)量值不一致的誤差。

2.3 蒸汽本身的介質(zhì)問(wèn)題

外供蒸汽大都為濕飽和汽，即汽液兩相共存的汽，它是蒸汽和水的混合物，稱(chēng)為濕飽汽。而世界上尚還未有一份完整的濕飽和蒸汽密度數(shù)據(jù)。目前我們蒸汽測(cè)量計(jì)量中使用的是干飽和蒸汽（臨界飽和蒸汽）密度表（以壓力和溫度為自變量），這樣就給我們的蒸汽計(jì)量帶來(lái)了誤差。舉個(gè)例子：在飽和蒸汽工作絕壓為0.48 MP，濕度為5%的情況下，查干、濕兩個(gè)密度表造成的密度誤差為5%?？梢?jiàn)這樣的誤差導(dǎo)致了蒸汽供用雙方計(jì)量的不平衡。

2.4 寬量程的問(wèn)題

由于使用過(guò)程中總是存在季節(jié)性的差別、全狀態(tài)下及事故狀態(tài)下的差別等，造成使用范圍忽大忽小，使流量計(jì)工作在測(cè)試范圍以外，造成了很大的誤差。

3 解決方法

3.1 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板壓損大的問(wèn)題的解決

自2010年以來(lái)，馬鋼的大、中修以及新上項(xiàng)目中的蒸汽計(jì)量全部都采用了噴嘴。噴嘴和孔板都屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，且噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損，它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，檢定周期長(zhǎng)（4年）（ISA1932噴嘴 依照規(guī)程JJG640-94）。另外噴嘴的阻力損失比孔板小得多,在相同流量和相同β值條件下，阻力損失僅為孔板的50%～60%。

3.2 對(duì)于蒸汽相變以及介質(zhì)變化的問(wèn)題的解決

實(shí)際上，無(wú)論是蒸汽的相變問(wèn)題還是介質(zhì)的變化問(wèn)題歸根到底就是密度的確定問(wèn)題。

鋼鐵企業(yè)中的水蒸汽的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應(yīng)視為實(shí)際氣體。水蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜的多，故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型加以描述；所以，在以往的工程計(jì)算中，凡涉及水蒸汽的狀態(tài)參數(shù)數(shù)值，大都從水蒸汽表中查出。

水蒸汽在運(yùn)行過(guò)程中由于工況參數(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柡驼羝優(yōu)檫^(guò)熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態(tài)（飽和或是過(guò)熱），再查不同的數(shù)表或用不同的公式計(jì)算

濕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。而在線干度測(cè)量難度很大，國(guó)外雖有一些研究成果，但未見(jiàn)普遍推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前仍處于研究階段。

目前，在馬鋼內(nèi)部確定密度的方法是：

把水蒸汽密度表裝入計(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，再用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

在用以上公式計(jì)算時(shí)，需對(duì)氣體介質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償，在低壓范圍內(nèi)，可以利用理想氣體狀態(tài)方程來(lái)進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償.但在高壓時(shí)，則必須考慮氣體壓縮系數(shù)的影響.對(duì)于過(guò)熱蒸氣，必須作實(shí)際氣體處理。對(duì)于大部分氣體，在低壓區(qū)(如小于1 MPa)的壓縮系數(shù)都接近于l。在該區(qū)域內(nèi)，只要溫度不是太低，即使不對(duì)壓縮系數(shù)進(jìn)行修正，也不會(huì)引起明顯的誤差，完全可以滿足工程上的要求。但在高壓區(qū)，則必須考慮壓縮系數(shù)的影響，否則將會(huì)造成明顯的誤差。像常規(guī)方法那樣將K看成常數(shù)，將會(huì)造成不可忽視的測(cè)量誤差。而目前馬鋼采用的K值基本上是一常數(shù)。

分析計(jì)算表明，當(dāng)溫度和壓力在設(shè)計(jì)值T0和P0的基礎(chǔ)上變化20%，雷諾數(shù)ReD變化60%時(shí)，如果我們只補(bǔ)償密度變化的影響，那么，即使密度變化可能引入的誤差為零，即認(rèn)為已實(shí)現(xiàn)了對(duì)密度的完全補(bǔ)償，其它各余留參數(shù)變化累加后的最大誤差仍可達(dá)6%左右。其中，ε引入的誤差最為明顯。目前我們的測(cè)量并沒(méi)有對(duì)這些余留誤差做到補(bǔ)償。

現(xiàn)在馬鋼內(nèi)部的蒸汽計(jì)量采用的全部都是溫度、壓力雙補(bǔ)正的模式，今后我們的方向是蒸汽計(jì)量中采用節(jié)流元件作為傳感元件時(shí)用計(jì)算法進(jìn)行補(bǔ)償，其流量采用IFC1967公式：

式中：qm-質(zhì)量流量，kg/s；

c-流出系數(shù)；

d-節(jié)流件開(kāi)孔直徑，m；

ε-可膨脹性系數(shù)；

ρ-被測(cè)流體密度，kg/m3；

β-節(jié)流件孔徑與直管段內(nèi)徑之比，β＝d/D；

ΔP-差壓，Pa；

采用“IFC1967公式”雖然公式繁雜一些，但在壓力為0～16.65MPa范圍內(nèi)，計(jì)算的過(guò)熱蒸汽及飽和蒸汽密度值完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用公式只需安裝有溫度、壓力變送器不需要判斷是飽和狀態(tài)或過(guò)熱狀態(tài)就可以準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于確定是飽和蒸汽的場(chǎng)合，只需要將公式稍做變動(dòng)，只用測(cè)溫或測(cè)壓，也可準(zhǔn)確計(jì)算飽和蒸汽密度。

4 寬量程測(cè)量的問(wèn)題

雖然引起孔板流量計(jì)誤差因素很多，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，但超范圍是引起誤差的主要原因，特別是用在流量變化范圍大的情況下，使儀表在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)工作在測(cè)量范圍以外，所以解決擴(kuò)展測(cè)量范圍問(wèn)題是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

目前國(guó)內(nèi)有些廠家已生產(chǎn)出一些智能化的寬量程差壓變送器，它們根據(jù)節(jié)流式流量計(jì)用于蒸汽計(jì)算的實(shí)用公式：

對(duì)以上公式來(lái)說(shuō)，當(dāng)雷諾數(shù)ReD≥2×105時(shí)，孔板的流出系數(shù)C進(jìn)入線性區(qū)，流出系數(shù)C方可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)雷諾數(shù)ReD≥4×105時(shí)，噴嘴的流出系數(shù)C進(jìn)入線性區(qū)，流出系數(shù)C方可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，由于流量變化而使雷諾數(shù)小于界限值的情況時(shí)有發(fā)生，如果不進(jìn)行修正，仍按計(jì)算書(shū)的C值來(lái)計(jì)算流量，會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

流量計(jì)算機(jī)可自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C和流速可膨脹系數(shù)ε，這是實(shí)現(xiàn)節(jié)流式流量計(jì)寬量程自動(dòng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵所在。

其中：流出系數(shù)的計(jì)算式為（以角接取壓為例）：

式中：β——直徑比(d/D,d、D值的單位為毫米)

ReD——管徑雷諾數(shù)

流出系數(shù)是指通過(guò)節(jié)流裝置的實(shí)際流量值與理論流量值之比，將它應(yīng)用到理論流量方程中以獲得實(shí)際的流量。在一定條件下，對(duì)于給定的節(jié)流裝置，該值僅與雷諾數(shù)有關(guān)，對(duì)于不同的節(jié)流裝置，只要這些裝置是幾何相似，并且在相同的雷諾數(shù)條件下，則C值是相同的，流出系數(shù)C的計(jì)算式是以大量實(shí)驗(yàn)所確定的數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)ReD≥2×105時(shí)，孔板的流出系數(shù)C進(jìn)入線性區(qū)，流出系數(shù)C方可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)雷諾數(shù)ReD≥4×105時(shí)，噴嘴的流出系數(shù)C進(jìn)入線性區(qū)，流出系數(shù)C方可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，由于流量變化而使雷諾數(shù)小于界限值的情況時(shí)有發(fā)生，如果不進(jìn)行修正，仍按計(jì)算書(shū)的C值來(lái)計(jì)算流量，會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

所以如何自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C和流速可膨脹系數(shù)ε，這是實(shí)現(xiàn)節(jié)流式流量計(jì)寬量程自動(dòng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵所在，也是未來(lái)蒸汽測(cè)量的方向。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，使我們實(shí)現(xiàn)寬量程的智能化流量測(cè)量有了可能。但我們今后在蒸汽測(cè)量中還應(yīng)具有前瞻性，現(xiàn)在我們的蒸汽是以質(zhì)量為單位進(jìn)行計(jì)量。作為一種能源將來(lái)必然要采用能量計(jì)量，所以今后在儀表選型上，應(yīng)選用同時(shí)具有質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量功能的儀表，這樣在將來(lái)需要用能量計(jì)量時(shí)，不用再大規(guī)模地更換了。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著“十二五”計(jì)劃的推進(jìn)，能源計(jì)量越來(lái)越被企業(yè)所重視。能源計(jì)量工作是企業(yè)加強(qiáng)能源管理、提高科學(xué)計(jì)量管理水平的重要基礎(chǔ)。只有高度重視能源計(jì)量器具的使用，才能最優(yōu)化地利用能源，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供重要保證。

[1].孫淮清，王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.6

[2].蔡武昌，孫淮清.流量測(cè)量方法和儀表的選用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.4