測(cè)量蒸汽流量時(shí)溫度壓力補(bǔ)償?shù)奶接?/h1>

2016-12-20 05:39:30劉立安張文兵

純堿工業(yè)訂閱 2016年1期 收藏

關(guān)鍵詞：溫壓變送器節(jié)流

劉立安，張文兵，劉 佳

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

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測(cè)量蒸汽流量時(shí)溫度壓力補(bǔ)償?shù)奶接?/p>

劉立安，張文兵，劉 佳

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

闡述了差壓式流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量裝置的構(gòu)成、工作原理、特點(diǎn)以及溫度壓力補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)。

蒸汽流量；差壓式流量計(jì)；節(jié)流裝置；溫度補(bǔ)償；壓力補(bǔ)償

我公司使用的蒸汽由熱電公司供給，這就涉及到公司之間的貿(mào)易結(jié)算問(wèn)題；公司內(nèi)部成本核算也需要蒸汽計(jì)量，所以對(duì)蒸汽計(jì)量的準(zhǔn)確度要求較高。由于蒸汽流量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力與實(shí)際運(yùn)行工作溫度、工作壓力有一定差異，或者由于生產(chǎn)運(yùn)行造成的工作溫度、工作壓力和設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力差別較大，產(chǎn)生測(cè)量誤差，不能反映工作狀態(tài)下真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，因此蒸汽流量的測(cè)量必須進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。2014年大修期間，對(duì)蒸汽流量測(cè)量進(jìn)行技術(shù)改造，增加溫壓補(bǔ)償。

1 差壓式帶溫壓補(bǔ)償蒸汽流量測(cè)量裝置的構(gòu)成

差壓式帶溫壓補(bǔ)償蒸汽流量測(cè)量裝置是由節(jié)流裝置(孔板、噴嘴等)、差壓變送器、溫壓補(bǔ)償裝置組成，并連接記錄、積算、調(diào)節(jié)儀表或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成流量的檢測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖1 差壓式帶溫壓補(bǔ)償蒸汽流量測(cè)量裝置

測(cè)量蒸汽流量的方法很多，主要有節(jié)流裝置的差壓式流量計(jì)(比如孔板、噴嘴、均速管、彎管流量計(jì)等)，渦街流量計(jì)，旋翼式流量計(jì)，浮子式流量計(jì)等。目前采用最多的是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(孔板、噴嘴)的差壓式流量計(jì)，由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件使用歷史悠久、應(yīng)用技術(shù)成熟、原理簡(jiǎn)明、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、無(wú)可動(dòng)部件、不怕振動(dòng)、耐高溫可適應(yīng)其他惡劣環(huán)境，同時(shí)又具有一套完整的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、加工和安裝，不必進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，在蒸汽流量測(cè)量中占重要地位。這種測(cè)量系統(tǒng)除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件和差壓變送器外，還必須配壓力溫度傳感器，對(duì)蒸汽流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。

2 差壓式帶溫壓補(bǔ)償蒸汽流量測(cè)量裝置的工作原理

2.1 工作原理

在管道中流動(dòng)的流體，具有動(dòng)能和靜能，并在一定條件下這兩種形式的能量可以相互裝換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和是不變的。假設(shè)流體是在水平管道中沿軸線方向穩(wěn)定流動(dòng)，流體不對(duì)外做功，和外界也沒有熱量交換，流體本身也沒有溫度變化，根據(jù)這些條件，對(duì)于不可壓縮性理想流體，如果流速為V,密度為ρ，靜壓為P，流體充滿管道流動(dòng)時(shí)，其能量方程為：

P/ρ+V2/2=常數(shù)

(1)

式中的每一項(xiàng)都代表單位質(zhì)量流量的能量，第一項(xiàng)為靜壓能，第二項(xiàng)為動(dòng)壓能。

根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒及原理，假設(shè)節(jié)流件上游入口前的流速為V1、密度為ρ1、靜壓為P1，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)的流速、密度、和靜壓分別為V2、ρ2和P2，根據(jù)能量方程其能量關(guān)系為：

(2)

根據(jù)流體連續(xù)性方程：

AV1ρ1=aV2ρ2

(3)

式中:A=πD2/4 (D為管道的直徑)a=πd2/4 (d為節(jié)流件的開孔直徑)

因是不可壓縮性流體，可認(rèn)為節(jié)流件前后的密度是不變的，即ρ1=ρ2=ρ。

由式(2)、式(3)推導(dǎo)出流體的平均速度V2(令β=d/D)：

(4)

根據(jù)質(zhì)量流量定義，M=aV2ρ寫出質(zhì)量流量與差壓ΔP=P1-P2的關(guān)系式為：

(5)

式(5)為流量與差壓間的理論公式，它是以理想流體在節(jié)流過(guò)程中不產(chǎn)生壓力損失為前提推導(dǎo)的，實(shí)際流體由于具有粘性流經(jīng)節(jié)流件時(shí)必然要產(chǎn)生壓力損失，實(shí)際流量要比上式的計(jì)算小，因此要引入流出系數(shù)C進(jìn)行修正。即

(6)

α=CE稱為流量系數(shù)，它是由實(shí)驗(yàn)決定的。

對(duì)于可壓縮流體，考慮到氣體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，由于時(shí)間很短，流體介質(zhì)與外界來(lái)不及進(jìn)行熱交換，可認(rèn)為其狀態(tài)變化為等熵過(guò)程，這樣，可壓縮流體的流量公式與不可壓縮流體的流量公式有所不同，但是，可以采用不可壓縮流體的流量系數(shù)和公式形式，引入一個(gè)流體膨脹校正系數(shù)ε，于是可壓縮流體的流量與差壓的關(guān)系式為：

(7)

2.2 溫壓補(bǔ)償原理

根據(jù)上述原理，如果節(jié)流裝置制作好，節(jié)流件本身固有參數(shù)幾乎不變，假如通過(guò)它能夠測(cè)量某種氣態(tài)介質(zhì)流量，那么同一種介質(zhì)在不同工況下，其流量就有如下關(guān)系：

(8)

M1設(shè)計(jì)工況質(zhì)量流量，M2實(shí)際工況質(zhì)量流量。

ρ1設(shè)計(jì)工況密度，ρ2實(shí)際工況密度。

ΔP1設(shè)計(jì)工況差壓，ΔP2實(shí)際工況差壓。

令ΔP1=ΔP2=ΔP，式(8)可簡(jiǎn)化為：

(9)

根據(jù)ρ1/ρ2=PV1TV2/PV2TV1

PV1為設(shè)計(jì)工況的絕對(duì)壓力，PV2為實(shí)際工況的絕對(duì)壓力。

TV1設(shè)計(jì)工況的K氏溫度，TV2實(shí)際工況的K氏溫度。

由式(9)可轉(zhuǎn)化為：

(10)

……

顯然由式(10)看出設(shè)計(jì)工況質(zhì)量流量M1與實(shí)際工況質(zhì)量流量M2間的補(bǔ)償修正關(guān)系只與相應(yīng)工作狀態(tài)的溫度壓力有關(guān)系。

3 差壓式蒸汽流量測(cè)量裝置溫壓補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于蒸汽的實(shí)際溫度、壓力波動(dòng)而偏離設(shè)計(jì)值，勢(shì)必造成實(shí)際累積蒸汽流量存在誤差。為了消除該誤差，在DCS中必需考慮對(duì)蒸汽流量測(cè)量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償計(jì)算。在DCS系統(tǒng)中，做一個(gè)專用的溫壓補(bǔ)償功能模塊，工程技術(shù)人員完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和回路連接即可實(shí)現(xiàn)。蒸汽流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算模塊、功能模塊，如圖2、圖3。

圖2 蒸汽流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算模塊

圖3 溫壓補(bǔ)償計(jì)算功能模塊

圖中PT工況代表連接現(xiàn)場(chǎng)壓力采集信號(hào)通道，TE工況代表連接現(xiàn)場(chǎng)溫度采集信號(hào)通道，F(xiàn)T補(bǔ)償前代表連接現(xiàn)場(chǎng)工況流量采集信號(hào)通道，F(xiàn)補(bǔ)償后是DCS 計(jì)算修正的流量數(shù)即溫壓補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量值，它可在DCS電腦屏幕上顯示出該瞬時(shí)流量實(shí)際大小。

4 補(bǔ)償時(shí)注意的問(wèn)題

4.1 補(bǔ)償后避免出現(xiàn)新的誤差

采用溫壓補(bǔ)償時(shí)都要用到壓力變送器，這時(shí)應(yīng)考慮:大氣壓及液柱靜壓力的影響，以免出現(xiàn)新的誤差。

大氣壓力引起的誤差，由于溫壓補(bǔ)償?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式中，都包含有蒸汽絕對(duì)壓力這一參數(shù)，而一般做法是用壓力變送器，把檢測(cè)出來(lái)的蒸汽表壓力加上當(dāng)?shù)卮髿鈮簛?lái)表示絕對(duì)壓力，因此在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮簛?lái)計(jì)算，不能不加區(qū)別的采用近似等于0.1 MPa來(lái)代替大氣壓，尤其是海拔較高的地區(qū)及所測(cè)蒸汽壓力較低時(shí)，更應(yīng)引起注意。如果選用絕對(duì)壓力變送器則不會(huì)產(chǎn)生上述影響。

液柱靜壓力引起的誤差，由于各種壓力變送器的取壓口與變送器本體大多不可能處于同一高度，因此冷凝水的靜壓力對(duì)變送器的輸出會(huì)造成影響，而產(chǎn)生附加誤差。取壓口與變送器的垂直距離越大則影響越大，這一影響對(duì)普通壓力變送器、絕對(duì)壓力變送器都存在影響。這時(shí)可采取零點(diǎn)遷移的方法來(lái)調(diào)整壓力變送器，以消除影響。

4.2 溫壓補(bǔ)償有一定的條件

蒸汽流量測(cè)量溫壓補(bǔ)償不是萬(wàn)能的，當(dāng)被測(cè)蒸汽流量的實(shí)際參數(shù)(溫度、壓力)與設(shè)計(jì)的參數(shù)不一致時(shí)，其流量系數(shù)α、流束膨脹系數(shù)ε、孔徑d等值都會(huì)改變。但當(dāng)蒸汽的溫度、壓力波動(dòng)不大，即工況參數(shù)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)不太多，對(duì)測(cè)量影響較小時(shí)，采用溫壓補(bǔ)償措施才能達(dá)到理想的測(cè)量精度。但當(dāng)工況參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值太多.或工況參數(shù)波動(dòng)頻繁且太大時(shí)，既使有了溫壓補(bǔ)償措施，仍難達(dá)到測(cè)量精度要求，此時(shí)對(duì)于特定的孔板而言，只能重新計(jì)算差壓與流量之間的關(guān)系。

4.3 飽和蒸汽的補(bǔ)償不推薦使用溫度補(bǔ)償

飽和蒸汽采用溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償在本質(zhì)上是一致的。其原因是飽和狀態(tài)的蒸汽，其壓力和溫度之間呈單值函數(shù)關(guān)系，從蒸汽溫度查出的密度同與此溫度對(duì)應(yīng)的壓力查出的密度是一致的。因此，采用溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償在原理上都是可行的。但是測(cè)溫誤差對(duì)流量測(cè)量的結(jié)果影響比較大，細(xì)微的溫度誤差可能引起較大的測(cè)量誤差值。例如壓力為0.7 MPa時(shí)，如果測(cè)量溫度誤差-1 ℃，差壓式蒸汽流量計(jì)誤差為-1.14%；而使用壓力補(bǔ)償，同樣的0.7 MPa壓力，如果測(cè)量壓力誤差±2 kPa，差壓式蒸汽流量計(jì)為±0.13%。顯然，壓力補(bǔ)償?shù)玫降难a(bǔ)償精確度比溫度補(bǔ)償高。

對(duì)于飽和蒸汽，以較高的流速流過(guò)，由于壓損引起的絕熱膨脹往往使蒸汽進(jìn)入過(guò)熱狀態(tài)，這時(shí)仍舊將它看成飽和蒸汽，并根據(jù)蒸汽溫度去查飽和蒸汽密度表，得到的數(shù)值將會(huì)明顯偏高。

由于以上的原因，在測(cè)量飽和蒸汽質(zhì)量流量時(shí)，僅僅測(cè)量溫度，并據(jù)此查密度表，進(jìn)行質(zhì)量流量計(jì)量將引起較大的誤差。在蒸汽流量計(jì)中不推薦使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

差壓式流量計(jì)在測(cè)量蒸汽流量時(shí)，特別要注意所測(cè)量蒸汽壓力、溫度是否符合設(shè)計(jì)時(shí)的壓力溫度，如果實(shí)際工況與設(shè)計(jì)相差比較大，那么必須按照上述方法加以溫壓補(bǔ)償來(lái)修正蒸汽流量值，只有這樣才能準(zhǔn)確計(jì)量。

TQ056.1

B

1005-8370(2016)01-25-04

2015-11-17

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