一體化噴嘴在蒸汽計(jì)量中的應(yīng)用

王鑫民

(中國(guó)石化股份有限公司 天津分公司 煉油部，天津 300271)

節(jié)流式流量計(jì)技術(shù)成熟，在蒸汽計(jì)量中占有重要的地位。特別是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624—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》[1],ISO 5167—2003MeasurementofFluidFlowbyMeansofPressureDifferentialDevicesInsertedinCircularCross-sectionConduitsRunningFull[2]設(shè)計(jì)、制造，無須實(shí)流標(biāo)定，是其他流量計(jì)無法比擬的。目前，蒸汽流量測(cè)量主要采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，但是孔板流量計(jì)在蒸汽測(cè)量方面還存在很多不足，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。一體化噴嘴蒸汽流量計(jì)采用噴嘴與差壓變送器一體安裝，還配備防凍式隔離器，解決了儀表冬季可靠運(yùn)行的難題，與流量計(jì)算機(jī)構(gòu)成了完整的高精度免維護(hù)蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)。本文對(duì)蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)的一些難點(diǎn)問題以及一體化噴嘴蒸汽計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行分析介紹。

1 蒸汽流量計(jì)量高精度補(bǔ)償

1.1 關(guān)于寬量程的問題

雖然引起孔板流量計(jì)的誤差因素很多，諸如直管段、安裝條件等，但是都可通過設(shè)計(jì)與施工予以保證。一般儀表的準(zhǔn)確度均由測(cè)量范圍內(nèi)的相對(duì)誤差表示，當(dāng)測(cè)量值越接近滿度值，其準(zhǔn)確度越高。但在蒸汽輸送過程中，實(shí)際的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，流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間在測(cè)量范圍以外工作，進(jìn)而造成很大的測(cè)量誤差。因此，在設(shè)計(jì)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)。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)算是解決寬量程問題的關(guān)鍵。

節(jié)流式流量計(jì)流量計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

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；D——管道內(nèi)徑，m；β——直徑比，β=d/D；ρ——被測(cè)流體密度，kg/m3；Δp——差壓，Pa。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，C的計(jì)算公式如式(2)所示：

C=0.5961+0.0261β2-0.216β8+

0.080e-10L1-0.123e-7L1)(1-0.11A)

式中：Re——雷諾數(shù)。

ε的計(jì)算式如式(3)所示：

(3)

式中：κ——等熵指數(shù)；p1，p2——分別為節(jié)流件前后的壓力，Pa。

傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計(jì)將C和ε視為定值(C和ε由專門的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算得到)，輸入現(xiàn)場(chǎng)的流量積算儀?？装宓腃-Re曲線如圖1所示。

由式(2)可知C的計(jì)算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了計(jì)算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)算功能和較大的存儲(chǔ)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)使寬量程的智能化節(jié)流式流量計(jì)成為可能。它應(yīng)具備3個(gè)條件： 智能化的寬量程差壓變送器(差壓范圍為100∶1)；差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間的數(shù)字通信(HART協(xié)議)不僅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；流量計(jì)算機(jī)不僅可根據(jù)溫度、壓力等參數(shù)對(duì)工況流量進(jìn)行修正，還可以實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)C，ε等。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)確度的同時(shí)，流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到10∶1或更寬。

1.2 關(guān)于蒸汽密度問題

由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，針對(duì)蒸汽的流量測(cè)量在整個(gè)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)量中的重要性。目前有相當(dāng)數(shù)量的流量類二次顯示儀表(系統(tǒng))中蒸汽流量密度的計(jì)算，采用的是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式或查表法，其準(zhǔn)確度往往不能滿足要求。和一般通用氣體相比，在水蒸氣流量計(jì)算時(shí)存在3個(gè)難點(diǎn)：

1) 密度的確定。水蒸氣應(yīng)視為實(shí)際氣體，其物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜的多，故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式加以描述。因此，在以往的工程計(jì)算中，凡涉及水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)值，大部分從水蒸氣參數(shù)表中查出。把水蒸氣參數(shù)表輸入儀表中，數(shù)據(jù)量很大。

2) 蒸汽在應(yīng)用過程中會(huì)由于參數(shù)的變化發(fā)生狀態(tài)變化，如過熱蒸汽與飽和蒸汽的相互轉(zhuǎn)換。因此，必須先判斷蒸汽的狀態(tài)，再通過不同的數(shù)表或公式計(jì)算得出密度值。

3) 濕飽和蒸汽中含有飽和水，是兩相流，要準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽流量還必須確定干度。而干度測(cè)量難度很大，國(guó)外已有一些研究成果，但未見普遍推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前仍處于研究階段。

通常有查表法和計(jì)算法2種水蒸氣密度的確定方法。查表法： 把水蒸氣密度表輸入計(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。計(jì)算法： 自己擬合公式，或者參照其他公式；烏卡諾維奇公式；IFC1967公式。

中國(guó)沒有制訂“水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)表”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而是采用國(guó)外的水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)表。中國(guó)曾翻譯過美國(guó)、前蘇聯(lián)、西德的水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)表，近年來逐步統(tǒng)一到IFC1967公式的數(shù)表。因此，在流量測(cè)量中使用的儀表應(yīng)該按照IFC1967公式進(jìn)行實(shí)時(shí)的密度計(jì)算才是最理想和準(zhǔn)確的方法。目前中國(guó)JJG 1003—2005《流量積算儀檢定規(guī)程》[3]已引用了該公式。

文獻(xiàn)[3]的一個(gè)重要特點(diǎn)是把流量積算儀表與流量變送器、被測(cè)流體緊密結(jié)合在一起，檢定的理論值完全按有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到。由于涉及的流量變送器種類、被測(cè)流體的類型較多，計(jì)算公式各異且相當(dāng)復(fù)雜。因此，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和北京博思達(dá)新世紀(jì)測(cè)控技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)了FIMJ-01-WIN版流量積算儀檢定軟件以滿足用戶對(duì)流量積算儀(含流量計(jì)算機(jī),DCS,PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等)型式檢定、出廠檢定、周期檢定以及對(duì)在線儀表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定的需要。

2 一體化噴嘴蒸汽流量計(jì)量?jī)x表配置方案

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： 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)；補(bǔ)償功能完善且補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)；具有較寬的測(cè)量范圍；具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能；便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化；具有能量計(jì)量的功能。

2.1 一次儀表配置方案

本文推薦的蒸汽流量計(jì)量一次儀表是一體化噴嘴流量計(jì)，并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。

目前國(guó)內(nèi)90%以上的蒸汽計(jì)量用表仍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置。標(biāo)準(zhǔn)孔板的主要缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化。國(guó)內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn)，在孔板連續(xù)使用2～3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，這已引起了人們的高度重視。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，噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損。其流出系數(shù)非常穩(wěn)定，所以JJG 640—1994《差壓式流量計(jì)檢定規(guī)程》[4]規(guī)定ISA1932噴嘴的檢定周期為4a(孔板檢定周期是1a)。另外，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多，僅為孔板的50%～60%，有利于降低能耗。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)。

另外，節(jié)流式流量計(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。一體化噴嘴是將節(jié)流件和差壓變送器制作成一體，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，無需保溫供熱，在減少維護(hù)量的同時(shí)，也節(jié)省了能源。

一體化噴嘴的特點(diǎn)： 采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，測(cè)量準(zhǔn)確度有依據(jù)；采用防凍隔離技術(shù)，冬季運(yùn)行無須伴熱，維護(hù)量少；噴嘴節(jié)流件阻力損失小(同樣流量下阻力損失為相同β值孔板的60%左右)；不存在孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數(shù)穩(wěn)定，檢定周期長(zhǎng)(4a)；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；安裝簡(jiǎn)便。

2.2 二次儀表配置方案

蒸汽流量計(jì)量二次儀表推薦采用流量計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 依據(jù)有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、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，可計(jì)算蒸汽質(zhì)量流量和體積流量。

2) 對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的C，ε等參數(shù)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)也不會(huì)丟失。

4) 具有強(qiáng)大的通信功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表除可適配4～20mA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。

3 結(jié)束語(yǔ)

由一體化噴嘴流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)量程小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短、系統(tǒng)安裝和維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。實(shí)踐表明該方案在蒸汽流量計(jì)量方面已日趨成熟，并已在石化、化工、冶金以及城市供熱等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，在蒸汽流量計(jì)量方面做了有益的探索。

參考文獻(xiàn)：

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