差壓法蒸汽計量存在的問題分析及對策

葉志剛

(北京燕山石油化工分公司，北京 102500)

過熱蒸汽是各化工生產(chǎn)裝置最常見的動力能源。蒸汽的準(zhǔn)確計量是企業(yè)進(jìn)行成本核算、實現(xiàn)節(jié)能降耗及安全環(huán)保等工作的基礎(chǔ)。隨著公司專業(yè)化重組的深入，統(tǒng)計調(diào)查中心對蒸汽計量的完善工作更加細(xì)致，蒸汽計量的全面性和準(zhǔn)確性逐步提高。差壓式流量計在東區(qū)蒸汽計量儀表總量中占60%，尤其對于大口徑，高溫、高壓的蒸汽輸送，幾乎全部使用差壓式流量計。隨著冬季的到來，差壓式蒸汽計量儀表的投用和防凍等工作尤為突出。

1 差壓法工作原理

蒸汽的質(zhì)量計量通常是通過測量蒸汽流過節(jié)流件時兩邊產(chǎn)生的差壓來進(jìn)行間接測量的，蒸汽流量的測量以由節(jié)流件孔板、噴嘴、文丘里管組成的差壓流量計為主，加以溫壓補(bǔ)償通過流量計算機(jī)計算出質(zhì)量。下面以孔板測量蒸汽質(zhì)量流量為例介紹差壓法流量計工作原理，從國標(biāo) GB/T 2624—1993 知蒸汽質(zhì)量計算公式為

(1)

式中：qm——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)流孔直徑，m;β——直徑比，β=d/D;D——工作條件下管道內(nèi)徑,m;ε——可膨脹性系數(shù); Δp——差壓，Pa;ρ1——流體密度,kg/m。

由式(1)可以看出,若把C，ε，β，d都看作常數(shù)時，那么Δp和蒸汽在該狀態(tài)下的ρ1成為計算qm的決定性因素,若Δp和ρ1任何一個測量產(chǎn)生偏差，其蒸汽質(zhì)量流量計算就會產(chǎn)生較大誤差,下面對該誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

當(dāng)流體參數(shù)如雷諾數(shù)、溫度、壓力、黏度等與節(jié)流件設(shè)計參數(shù)一致時,qm與Δp的平方根成正比,然而實際流體的工作狀態(tài)總是在變化的。因此，qm不僅與Δp有關(guān)，還受其他參數(shù)變化的影響，只有當(dāng)流體工作狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)差別不大，可以近似認(rèn)為qm=KΔp,K為常數(shù)。當(dāng)流體工作狀況與設(shè)計狀況偏差較大或者雖然不大但需要較精確計量時，就必須知道實際狀況下各參數(shù)的值,以精確計算qm。

2 影響質(zhì)量流量測量的因素

2．1 差壓的測量及其誤差

在蒸汽的計量中,Δp的測量由差壓計 (包括差壓變送器)完成。隨著差壓計準(zhǔn)確度的提高,差壓計本身準(zhǔn)確度對差壓測量的影響極小, 正確安裝和使用差壓變送器以真實地反映差壓的大小,便成了應(yīng)關(guān)注的問題。

根據(jù)式(1)，在不考慮其他參數(shù)變化的情況下，當(dāng)差壓引起的誤差在±0．25%時，流量的誤差在±5%。當(dāng)差壓較小時，差壓的較小誤差或者差壓有較小的變化，就能引起流量較大的變化，即在小流量時,差壓微小測量誤差將對流量測量造成較大的誤差。

針對零點不準(zhǔn)確的情況及時進(jìn)行調(diào)整。在工藝準(zhǔn)許的情況下，通過關(guān)閉正負(fù)取壓閥，打開平衡閥的方法檢查儀表的零點。對于一體化節(jié)流裝置，需保證儀表正負(fù)取壓室的隔離液或冷凝液的液位高度一致，在必要的情況下需檢查和添加隔離液。

在現(xiàn)場用手持通信器檢查儀表的量程，有1%以內(nèi)的少量遷移現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由3051差變的按鈕調(diào)零引起的，因此在儀表的檢查調(diào)零中要盡量使用通信器調(diào)零，不用調(diào)零按鈕，避免量程的遷移現(xiàn)象發(fā)生。

2．2 密度的測量及其誤差

蒸汽密度ρ的測量，通常是通過測量溫度和壓力來間接測量的。實際測量中，溫度的測量值常常是偏低的，有時會低30～40 ℃，這主要是安裝不正確(如安裝位置、插入深度、保溫情況等)引起的。 而壓力的測量值常常是偏高的，有時高幾十甚至幾百千帕，這主要是由冷凝水產(chǎn)生的靜壓沒有消除引起的。

部分測量點由于蒸汽管線保溫破損、蒸汽溫度測量儀表故障等因素引起蒸汽溫度指示的偏差。如僅考慮溫度對密度的影響，對于3．5 MPa蒸汽，溫度為300 ℃時，蒸汽密度為15．09 kg/m3，因溫變故障或保溫原因造成溫度偏高或偏低30 ℃，即溫度指示330 ℃或270 ℃時密度分別為14．03 kg/m3和16．45 kg/m3，依據(jù)式(1)計算，僅溫度偏差導(dǎo)致密度計算不準(zhǔn)確，給蒸汽的質(zhì)量流量造成的示值誤差分別為-3．6%和4．4%。

壓力測量儀表的自校驗可以保證壓力變送器準(zhǔn)確度在0．5級，但在部分壓力變送器引壓管從高空管廊引至地面表箱，由于引壓管中蒸汽凝液的存在，會造成壓力指示偏高。如引壓管中液柱高度在5 m，壓力指示偏高0．05 MPa。還以3．5 MPa蒸汽，溫度為300 ℃時為例，如因冷凝液柱的存在壓力指示為3．55 MPa，密度將指示為15．33 kg/m3。依據(jù)式(1)，因壓力偏高導(dǎo)致密度計算不準(zhǔn)確，給蒸汽的質(zhì)量流量造成的示值誤差為0．8%。

2．3 補(bǔ)償方式

根據(jù)式(1)可以看出，過熱蒸汽溫度、壓力、實際流量偏離設(shè)計值不僅導(dǎo)致密度的變化，也導(dǎo)致節(jié)流件C，ε等中間參數(shù)的改變。密度的計算公式應(yīng)按IFC1967公式或過熱蒸汽密度表查取，其他參數(shù)的改變計算亦十分復(fù)雜，在DCS中難以直接組態(tài)。

目前部分蒸汽計量中，補(bǔ)償仍直接在DCS中進(jìn)行，補(bǔ)償?shù)墓綖?/p>

(2)

式中： qm0——補(bǔ)償后質(zhì)量流量；qmi——補(bǔ)償前測量質(zhì)量流量；Ti——實際測量溫度；T0——理想狀態(tài)溫度；pi——實際測量壓力；p0——理想狀態(tài)壓力。

該公式為理想氣體的補(bǔ)償公式，過熱蒸汽為實際氣體時不能使用該公式，在《中石化企業(yè)計量設(shè)備配備指導(dǎo)意見》中也明文規(guī)定了這一點。

個別補(bǔ)償采用DCS廠家提供的簡單補(bǔ)償公式，這類公式在一些計量點補(bǔ)償尚可，在另一些計量點則誤差很大。要實現(xiàn)較為全面、準(zhǔn)確的補(bǔ)償，需要專門的流量計算機(jī)。采用差壓式測量的蒸汽計量的補(bǔ)償回路如圖1所示。

圖1 過熱蒸汽補(bǔ)償回路構(gòu)成示意

2．4 二次儀表參數(shù)設(shè)置

由于蒸汽用量是按噸結(jié)算，因此蒸汽密度的變化會嚴(yán)重影響計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。蒸汽的密度隨著工況溫度、壓力的變化而變化，要求配套使用的二次儀表一定要具有對流量信號進(jìn)行溫度、壓力實時補(bǔ)償?shù)墓δ?。?dāng)配套使用的流量計為節(jié)流式流量計時，二次儀表還必須具有對ε和C的補(bǔ)償功能等，所以參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要。當(dāng)設(shè)計溫度壓力與實際溫度壓力不一致時，將導(dǎo)致測出的流量不能真實地反映其工作狀態(tài)下的實際流量，計量的準(zhǔn)確性無從談起。

3 減少誤差的方法

1) 盡可能選用準(zhǔn)確度較高的檢測儀表。壓力和溫度的準(zhǔn)確測量同樣不能忽視。溫度指示應(yīng)當(dāng)定期檢查，通過比對發(fā)現(xiàn)指示是否準(zhǔn)確，對儀表故障要盡快消除。壓力變送器也應(yīng)定期校驗，引壓管中凝液造成的壓力指示偏高問題應(yīng)在變送器中作相應(yīng)的遷移處理。

2) 對節(jié)流件及檢測儀表應(yīng)定期檢定或校驗，保證經(jīng)常處于完好狀態(tài)，并按要求灌裝隔離液。流量計零點檢查調(diào)校時盡量使用手持通信設(shè)備，不使用表體上的調(diào)零按鈕，那樣可能造成量程的少量遷移。

3) 測量設(shè)備要正確安裝，這里包括導(dǎo)壓管及閥門的正確安裝，否則準(zhǔn)確度再高的儀表也無法得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

4) 蒸汽的補(bǔ)償應(yīng)當(dāng)使用專門的流量計算機(jī)補(bǔ)償方式，比在DCS中用簡單公式組態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償要準(zhǔn)確，建議有條件的盡可能利用流量計算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。

5) 通過蒸汽平衡核算關(guān)系對蒸汽計量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。加強(qiáng)對各單位能耗數(shù)據(jù)的考核,切實將能耗指標(biāo)落實到各單位，促使各單位節(jié)能降耗、加強(qiáng)管理,定期發(fā)布真實的能耗計量數(shù)據(jù)。充分利用信息化技術(shù)，通過蒸汽平衡核算關(guān)系對蒸汽計量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，強(qiáng)化計量數(shù)據(jù)管理。將數(shù)采數(shù)據(jù)與班組日常巡檢數(shù)據(jù)相互比對印證，既保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確又為儀表維護(hù)人員提供了方便，也避免了計量抄表員的誤抄誤報，同時可以利用數(shù)采隨時跟蹤所有計量儀表的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，以便減少計量損失。

6) 建議加強(qiáng)計量人員培訓(xùn)，強(qiáng)化能源計量的現(xiàn)場管理。分級分層作好人員培訓(xùn)： 針對管理層進(jìn)行計量法律法規(guī)、能源計量管理要求等方面的培訓(xùn); 對技術(shù)員、檢定員、儀表專業(yè)維護(hù)人員定期進(jìn)行計量專業(yè)基礎(chǔ)知識、生產(chǎn)過程能源控制、安裝技巧和操作技能、測量設(shè)備的檢定/校準(zhǔn)等方面培訓(xùn)。

7) 同時希望在蒸汽計量的方法上加以改進(jìn)。從傳統(tǒng)的質(zhì)量計量到熱量計量的轉(zhuǎn)變，更為直觀準(zhǔn)確地體現(xiàn)一個單位的能耗情況，更準(zhǔn)確更便捷地服務(wù)于生產(chǎn)實際。

4 結(jié)束語

實踐證明，正確的儀表選型是準(zhǔn)確計量的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的密度補(bǔ)償方法是準(zhǔn)確計量的關(guān)鍵，規(guī)范的檢定與測試是準(zhǔn)確計量的依據(jù)，嚴(yán)密的安裝調(diào)試過程是準(zhǔn)確計量的保證，現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)管理模式是準(zhǔn)確計量的標(biāo)準(zhǔn)。蒸汽計量及平衡存在的問題還有很多，提高蒸汽計量準(zhǔn)確性的工作任重道遠(yuǎn)，還需從事該項工作的技術(shù)管理人員堅持不懈的努力。

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