非標(biāo)差壓類流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中的應(yīng)用

胡海翔

（中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部，北京100728）

1 概述

由于蒸汽壓力較大、溫度較高，而且飽和蒸汽在計(jì)量時(shí)易變?yōu)闅庖簝上嗔鳎啾扔谄渌橘|(zhì)，計(jì)量難度較大[1-3]。隨著我國大中型企業(yè)的不斷深化改革以及對節(jié)能降耗工作的日益重視，企業(yè)內(nèi)部各個(gè)分廠（車間）的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行獨(dú)立核算，蒸汽計(jì)量工作也越來越受到企業(yè)重視，計(jì)量準(zhǔn)確性問題也日漸突出。在貿(mào)易結(jié)算中蒸汽計(jì)量存在著兩個(gè)問題，一是當(dāng)蒸汽流量很小時(shí)，超出變送器的量程范圍，出現(xiàn)漏測的現(xiàn)象，供蒸汽企業(yè)損失較大；二是由于計(jì)量不準(zhǔn)，導(dǎo)致供需雙方核對不一致，造成雙方直接的利益沖突，產(chǎn)生激烈的矛盾[4]。

目前熱電廠蒸汽流量計(jì)量主要采用渦街流量計(jì)和差壓式流量計(jì)兩大類。渦街流量計(jì)具有安裝維護(hù)方便、壓損小的優(yōu)點(diǎn)，但在計(jì)量過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題，比如信號受到干擾導(dǎo)致流量示值出現(xiàn)偏差，而且一旦出現(xiàn)此類問題，用戶往往過段時(shí)間才會發(fā)現(xiàn)，造成經(jīng)濟(jì)損失，因此供需雙方產(chǎn)生很多糾紛，同時(shí)抗震性差，從而制約了其應(yīng)用[5-10]。相比于渦街流量計(jì)，差壓式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝牢固、使用壽命長、差壓值高、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此熱電廠蒸汽計(jì)量多采用差壓式流量計(jì)。

某熱電廠在汽輪發(fā)電機(jī)組下游蒸汽管道的流量計(jì)量中，流量變化范圍較大；由于冬季防凍和高空施工等限制，流量計(jì)需要安裝在室內(nèi)，但室內(nèi)空間有限，并且蒸汽管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直管段普遍不足。為獲得更高的蒸汽計(jì)量精度，該電廠選擇了非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)，并通過數(shù)字化分析技術(shù)，確定了安裝位置，得到了工況條件下的計(jì)量精度。

2 智能多孔工況流量計(jì)

該電廠選用的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)為智能多孔工況流量計(jì)。流體流過智能多孔工況流量計(jì)的過程中，在流量計(jì)上游和下游（法蘭取壓時(shí)為流量計(jì)上、下游端面25.4 mm 處）產(chǎn)生差壓，通過差壓、密度、等效直徑比、可膨脹系數(shù)、流出系數(shù)等計(jì)算出流量。計(jì)算公式如下：

質(zhì)量流量：qm＝ρ·qv

式中：ε 被測介質(zhì)可膨脹性系數(shù)，液體ε ＝1；對氣體、蒸汽等可壓縮流體ε ＜1；qv流體的體積流量，m3/s；qm流體的質(zhì)量流量，kg/s；d工況下節(jié)流件的等效開孔直徑，m；ΔP 節(jié)流件前后壓力差，Pa；ρ 工況下節(jié)流件上游處流體的密度，kg/m3；C流出系數(shù)；β等效直徑比。

3 汽輪發(fā)電機(jī)組蒸汽計(jì)量工況

根據(jù)該熱電公司的現(xiàn)場管道鋪設(shè)圖紙，上游高溫高壓蒸汽經(jīng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電后輸送到下游熱網(wǎng)加熱器對外供熱。圖1（a）為汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道鋪設(shè)情況。根據(jù)現(xiàn)場儀表工程師反饋，熱網(wǎng)加熱器上游存在較長直管段，但是該管道中存在不定時(shí)開通、流向不定的輸氣橫管，見圖1（c），輸氣橫管在關(guān)閉狀態(tài)下，預(yù)計(jì)計(jì)量精度可控，但在輸氣橫管開啟狀態(tài)下，管道中蒸汽流場受到不確定蒸汽氣流的影響，嚴(yán)重影響計(jì)量結(jié)果，因此不能在熱網(wǎng)加熱器上游安裝流量計(jì)。在圖1（b）汽輪發(fā)電機(jī)組出口管道，存在允許流量計(jì)安裝區(qū)域。

汽輪發(fā)電機(jī)組出口區(qū)域直管段最長為6.2D，不滿足非標(biāo)差壓式流量計(jì)的安裝要求，如果選擇該位置安裝，會導(dǎo)致流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)；直管段上下游為異面彎頭，在大量程比下，隨著蒸汽流量不斷變化，可能引起流量計(jì)儀表系數(shù)偏移，造成系統(tǒng)精度變差，因此需詳細(xì)分析管道內(nèi)蒸汽的流場，并進(jìn)行工況標(biāo)定，確定當(dāng)前工況下流量計(jì)的儀表系數(shù)和計(jì)量精度。根據(jù)管道圖紙建立汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道三維模型，見圖1（d）。

汽輪發(fā)電機(jī)組下游蒸汽管道內(nèi)介質(zhì)為過熱蒸汽，工作溫度為265.8℃，工作壓力為400 kPa，密度為2.041 87 kg/m3，動力黏度為1.88×10-5Pa·s。流量計(jì)安裝管道的直徑為1 020×11 mm。過熱蒸汽的刻度流量為550 t/h，最大流量為500 t/h，常用流量為400 t/h，最小流量為55 t/h。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)下游蒸汽管道測量現(xiàn)場工況

4 汽輪發(fā)電機(jī)組出口管段氣流分布

根據(jù)基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)字化流場分析技術(shù)，計(jì)算過程中使用k-ε 湍流方程，應(yīng)用SIMPLE算法耦合連續(xù)性方程和動量方程，設(shè)定速度入口、壓力出口、整條管道壁面無滑移邊界條件。采用現(xiàn)場提供的常用流量工況運(yùn)行參數(shù)對汽輪發(fā)電機(jī)組出口管段進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，得到數(shù)字化分析結(jié)果。

圖2（a）為汽輪發(fā)電機(jī)組出口管段內(nèi)蒸汽流動的速度分布云圖，由圖2（a）可知過熱蒸汽從管道下方入口流入，經(jīng)過一小段豎直管段后受到豎直彎頭的影響，彎頭內(nèi)側(cè)為綠色偏黃，與圖例對比可知該側(cè)流速高；彎頭外側(cè)為藍(lán)色，且越靠近彎頭外側(cè)邊緣顏色緣深，對比圖例可知，該側(cè)流速較低且越靠近外側(cè)流速越低。進(jìn)入水平直管段后，整個(gè)直管段外側(cè)流速波動較小。又經(jīng)過水平彎頭進(jìn)入后方異面管段后流出，可知該彎頭外側(cè)流速較低。

圖2（b）為汽輪發(fā)電機(jī)組出口管段內(nèi)蒸汽流動時(shí)的壓力分布云圖，由圖2（b）可知過熱蒸汽在豎直管段內(nèi)波動較小，在豎直彎頭內(nèi)側(cè)云圖顯示呈綠色偏藍(lán)，外側(cè)呈紅色，對比圖例可知，該彎頭處內(nèi)側(cè)壓力低，外側(cè)壓力高。水平直管段處由于受到后方水平彎頭的影響，直管段后方壓力略有變化。由于流體在流動過程中的能量損失，造成了豎直彎管下游水平直管段壓力均小于上游直管段處的壓力[11]。水平彎頭外側(cè)壓力較高。

為進(jìn)一步分析管道內(nèi)過熱蒸汽的流場分布情況，截取管道內(nèi)具有代表性的兩個(gè)截面分析截面處的速度和壓力分布。圖2（c）為管段縱切面蒸汽流動的速度分布云圖，圖2（d）為管段縱切面蒸汽流動壓力分布云圖，由圖可知，豎直彎頭內(nèi)側(cè)壓力低流速高，外側(cè)壓力高流速低，允許流量計(jì)安裝管段受上游豎直彎頭影響，由于流動慣性，在彎頭內(nèi)側(cè)產(chǎn)生流線分離旋渦區(qū)，造成直管段底部區(qū)域流速波動較大，且分布不均勻，存在狹長的流速分布紊亂區(qū)，流量計(jì)在安裝時(shí)應(yīng)該避開此區(qū)域。

圖2（e）（f）為管段橫切面蒸汽流動的速度、壓力分布云圖，由圖可知，允許流量計(jì)安裝直管段后方的水平彎頭處，內(nèi)側(cè)壓力低流速高，外側(cè)壓力高流速低。管道水平截面直管段內(nèi)的速度和壓力波動較小，分布比較均勻，水平彎頭對允許流量計(jì)安裝直管段內(nèi)過熱蒸汽的流場影響不大，因此對流量計(jì)計(jì)量精度影響較小。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道氣流分布

5 流量計(jì)安裝位置分析

在汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道允許流量計(jì)安裝直管段，每間隔0.5 m 選取一個(gè)橫截面，共選取13個(gè)截面，各截面的速度分布云圖如圖3（a）所示（圖中主要顯示直管段區(qū)域），由圖3（a）可知，13個(gè)截面的上方流速分布都比較均勻，主要是各截面下方流速波動較大，這與圖2 中的流場分析結(jié)果吻合，僅根據(jù)圖3（a）并不能確定流量計(jì)的具體安裝位置。因此計(jì)算各截面的平均流速得到13個(gè)截面的平均流速分布曲線如圖3（b）所示。

由圖3（b）可知，受汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道直管段下游水平彎頭對直管段區(qū)域流場的影響，流速在橫截面坐標(biāo)0 ～0.5 m 處（直管段下游進(jìn)入彎頭前）流速迅速降低，兩截面流速波動很大；在0.5 ～2.0 m 區(qū)域流速變化平緩，這是由于直管段上游豎直彎頭對直管段內(nèi)過熱蒸汽流場的影響逐漸減弱，下游水平彎頭對直管段區(qū)域流場的影響還尚未增強(qiáng)；隨后在2.0 ～5.5 m（直管段上游）坐標(biāo)區(qū)域流速逐漸增大，在5.5 ～6.0 m坐標(biāo)區(qū)域流速迅速提升。在2.0 ～6.0 m直管段區(qū)域，過熱蒸汽的流場主要受直管段上游彎頭控制，但隨著直管段內(nèi)流場逐漸向后發(fā)展，上游彎頭對直管段區(qū)域的影響逐漸減弱。綜上所述，根據(jù)各橫截面過熱蒸汽的平均流速分布，坐標(biāo)0.5 ～1.0 m區(qū)域的流速最平穩(wěn)，適合安裝流量計(jì)。

以上數(shù)字化分析是在常用流量400 t/h工況下得到的，因?yàn)槌Ｓ昧髁肯鹿艿纼?nèi)過熱蒸汽流場相對穩(wěn)定的位置，在其他流量即刻度流量550 t/h、最大流量500 t/h、最小流量55 t/h 下相比于管道其他位置依然比較穩(wěn)定，所以確定在坐標(biāo)1.0 m 的位置安裝非標(biāo)差壓式流量計(jì)，然后進(jìn)行工況標(biāo)定。

圖4 為智能多孔工況非標(biāo)差壓式流量傳感器的平面模型。該傳感器結(jié)構(gòu)主要包括衛(wèi)星孔和中心孔兩部分，看似結(jié)構(gòu)簡單的傳感器，其中心孔大小、衛(wèi)星孔直徑大小、兩種孔的比例、衛(wèi)星孔間距、衛(wèi)星孔距中心孔的距離、衛(wèi)星孔距傳感器邊緣距離等結(jié)構(gòu)特性以及等效直徑比與流出系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，使得這種傳感器所能達(dá)到的效果并不簡單，決定了其具有一般差壓式流量計(jì)所不具有的優(yōu)勢以及其他流量計(jì)在復(fù)雜工況下達(dá)不到的精度等級。該傳感器采用了迭代技術(shù)，測量精度更高；壓力損失遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，節(jié)能效果更加顯著；該傳感器的結(jié)構(gòu)決定了其具備整流器的功能，使管道內(nèi)流場更穩(wěn)定，縮短了對直管段的要求；結(jié)構(gòu)對稱，可直接測量雙向流[12]。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)組蒸汽管道直管段上速度場分析

圖4 智能多孔工況非標(biāo)差壓式流量傳感器

6 工況精度分析

按照上述汽輪發(fā)電機(jī)組出口管道模型，將非標(biāo)差壓式流量計(jì)的傳感器安裝在蒸汽管道上，分別按照刻度流量550 t/h、最大流量500 t/h、常用流量400 t/h、最小流量55 t/h進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的精度分析數(shù)據(jù)如表1所示（工況精度）。汽輪發(fā)電機(jī)組出口管道實(shí)際標(biāo)定的平均儀表系數(shù)為0.4149，儀表線性度為0.69%，符合1 級精度?？潭攘髁肯虏顗褐禐?7 074.9 Pa，最小流量下差壓值為655.181 Pa，可以滿足差壓變送器的測量要求。

表1 流量計(jì)安裝后精度分析

7 結(jié)論

綜上所述，分析該熱電公司提供的圖紙并根據(jù)實(shí)際工況，最終確定了允許流量計(jì)安裝的管段只能在汽輪發(fā)電機(jī)組出口。該管段流量變化范圍較大，上下游為異面彎頭，存在直管段不足的問題。根據(jù)基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)字化分析技術(shù)對常用流量下的管道流場進(jìn)行分析，結(jié)果表明直管段下游水平彎頭前1.0 m處，氣流受上游彎頭影響較弱，下游彎頭對該處流場的影響還未增強(qiáng)，此區(qū)域流場變化平緩，適合安裝流量計(jì)。管道安裝非標(biāo)差壓式流量計(jì)后，采用數(shù)字化工況標(biāo)定的方法，最終確定流量計(jì)精度1 級；刻度流量55 ～550 t/h 下的差壓值655.2 ～67 074.9 Pa，可滿足差壓變送器測量要求。