冶金企業(yè)蒸汽計(jì)量問(wèn)題的探討及改進(jìn)

姬文紅

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 引言

隨著余熱余能等回收利用節(jié)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，冶金企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)了由能源消耗大戶向自給自足型能源制造大戶的華麗轉(zhuǎn)身。蒸汽作為其主要的能源之一，生產(chǎn)、輸送及使用效率直接關(guān)系到企業(yè)的資源利用和經(jīng)濟(jì)效益。只有準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)才能夠有效衡量和指導(dǎo)能源系統(tǒng)的資源平衡，提升能源資源的運(yùn)行能力，為深化節(jié)能降耗等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)的依據(jù)。但蒸汽的特殊性和影響蒸汽流量計(jì)量準(zhǔn)確性的相關(guān)因素，給企業(yè)的計(jì)量工作帶來(lái)極大困擾，逐步建立、實(shí)施能夠切合冶金企業(yè)實(shí)際、科學(xué)可行的蒸汽計(jì)量方案，是近年來(lái)冶金企業(yè)計(jì)量工作的重點(diǎn)課題。

目前，蒸汽流量測(cè)量普遍采用的是標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置，由于傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)存在測(cè)量范圍小、壓損大，現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)、更新困難等諸多方面的不足，尤其是測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，在熱負(fù)荷變化大的情況下計(jì)量誤差大大增加，數(shù)據(jù)失真造成蒸汽產(chǎn)供和耗用之間的不平衡，給系統(tǒng)平衡、效能評(píng)價(jià)帶來(lái)了極大困擾。隨著近年來(lái)各種新型檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，以及計(jì)量數(shù)據(jù)運(yùn)算模型的完善改進(jìn)，很好地解決了這些問(wèn)題。筆者針對(duì)蒸汽計(jì)量現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并結(jié)合對(duì)行業(yè)應(yīng)用的調(diào)研和應(yīng)用研究，提出了較為合理的計(jì)量裝置配備方案。

2 蒸汽計(jì)量現(xiàn)狀及其改進(jìn)分析

2.1 計(jì)量?jī)x表在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行

我們?cè)谶x擇計(jì)量?jī)x表時(shí)，首先要確定準(zhǔn)確度等級(jí)和量程比這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)。企業(yè)計(jì)量專業(yè)人員根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)蒸汽運(yùn)行控制的工況條件和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，遵照GB17167—2006《用能單位能源計(jì)量器具配備與管理通則》的相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)出計(jì)量要求，從而確定儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)、測(cè)量范圍以及選型。儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)是以相對(duì)誤差的方式表示的，運(yùn)行在設(shè)計(jì)選定的量程段內(nèi)，測(cè)量值越接近滿度值，則測(cè)量準(zhǔn)確度越高，數(shù)據(jù)越接近真實(shí)值。但實(shí)際上蒸汽在輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生狀態(tài)的較大變化，實(shí)際的流量范圍往往無(wú)法準(zhǔn)確確定，因此導(dǎo)致流量計(jì)經(jīng)常運(yùn)行在設(shè)計(jì)的量程范圍以外，這樣就造成了很大的測(cè)量誤差。

以標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量計(jì)算公式為例進(jìn)行分析：

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

式（1）中的流出系數(shù)C 和可膨脹性系數(shù)ε，是在設(shè)計(jì)的一定流量范圍條件下，由專門(mén)的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算得到的。因此，在設(shè)計(jì)蒸汽流量計(jì)量方案時(shí)，一定要考慮實(shí)際工況條件的流量變化，對(duì)流出系數(shù)C 和可膨脹性系數(shù)ε 等中間參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量條件下的流量補(bǔ)償運(yùn)算，才能解決計(jì)量數(shù)據(jù)的偏差問(wèn)題。

在實(shí)際應(yīng)用中，采用智能化寬量程的差壓變送器、兼?zhèn)涓咚龠\(yùn)算和補(bǔ)償功能的流量計(jì)算機(jī)，來(lái)完成這些復(fù)雜的中間參數(shù)的補(bǔ)償運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了節(jié)流式流量計(jì)的寬量程和智能化。智能化的寬量程差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間通過(guò)數(shù)字通訊除了能準(zhǔn)確傳遞全量程差壓信號(hào)之外，還能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍。

流量計(jì)算機(jī)不僅可以根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)對(duì)工況流量進(jìn)行修正，還可以實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε 等。在滿足準(zhǔn)確度的同時(shí)，量程比可真正達(dá)到10：1(或更寬)，這一新技術(shù)成果的逐步拓展應(yīng)用，正在改變著人們對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

2.2 蒸汽熱力狀態(tài)參數(shù)的變化影響

在工業(yè)蒸汽的產(chǎn)-供-用環(huán)節(jié)，由于生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)、輸運(yùn)速度、管網(wǎng)保溫、氣溫變化等因素導(dǎo)致蒸汽流量、溫度和壓力的波動(dòng)，使蒸汽流量計(jì)偏離設(shè)計(jì)的運(yùn)行條件。人們都知道要對(duì)特定狀態(tài)下的流量進(jìn)行計(jì)量，針對(duì)溫度和壓力的變化，采用對(duì)設(shè)定的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并盡量選用高精度的變送器以減少系統(tǒng)誤差。而往往因?yàn)閷?duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜性掌握不夠，而忽視了密度的重要影響。溫度和壓力的變化直接導(dǎo)致蒸汽狀態(tài)，也即密度的變化，測(cè)出的流量不再是真實(shí)狀態(tài)下的實(shí)際流量，因此對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確度影響較大。從式（1）可以看出，差壓與密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是同等重要的。

參照有關(guān)流體力學(xué)文獻(xiàn)的相關(guān)描述，首先要判斷水蒸氣的狀態(tài)，是屬于飽和蒸汽還是過(guò)熱蒸汽，然后采用查表法或者計(jì)算法來(lái)確定密度值。（1）查表法：根據(jù)蒸氣的狀態(tài)和工況溫度、壓力，從水蒸氣熱力性質(zhì)表中查出對(duì)應(yīng)的密度值。（2）計(jì)算法：以蒸汽密度表為基礎(chǔ)建模，把密度與壓力、溫度之間的函數(shù)關(guān)系，擬合成計(jì)算公式，滿足現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量的需要。飽和蒸汽密度是溫度或壓力的一元函數(shù)，根據(jù)儀表量程和精度的需要，借助飽和蒸汽密度表進(jìn)行函數(shù)擬合，就可以得到符合計(jì)量要求的解析式。而過(guò)熱蒸汽情況比較復(fù)雜，其密度為溫度、壓力的二元函數(shù)，可以采用現(xiàn)有的研究成果，烏卡諾維奇公式或者IAPWS-IF97 公式。

我國(guó)沒(méi)有制定“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)外出版物的水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)表。國(guó)內(nèi)專業(yè)人士曾翻譯過(guò)美國(guó)的、前蘇聯(lián)的、西德的水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)表，近年來(lái)逐步進(jìn)行了統(tǒng)一，使用IAPWS-IF97 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IAPWS-IF97 公式進(jìn)行實(shí)時(shí)的密度計(jì)算，這才是最理想和準(zhǔn)確的方法。

目前，國(guó)家JJG 1003—2005《流量積算儀》檢定規(guī)程已引用了該公式。其最重要的一個(gè)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，檢定的理論值完全是按有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的。

2.3 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的可信度

近年來(lái)，眾多品牌和種類的非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件呈現(xiàn)市場(chǎng)，尤其在方便安裝和易于維護(hù)方面，較傳統(tǒng)節(jié)流件有很多優(yōu)勢(shì)，往往更容易被用戶接受。但是良莠不齊的產(chǎn)品質(zhì)量令人擔(dān)憂，可信度較低。因?yàn)樗鼈儾幌駱?biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣，有成熟且通行的國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)支持，在生產(chǎn)制造過(guò)程中采用幾何尺寸法保證計(jì)量精度，而其儀表系數(shù)只能通過(guò)實(shí)流標(biāo)定獲得，且實(shí)驗(yàn)測(cè)試介質(zhì)應(yīng)與被測(cè)介質(zhì)相同。比如測(cè)量蒸汽的儀表必須使用蒸汽進(jìn)行標(biāo)定，才能夠完全滿足精確計(jì)量的要求，而實(shí)際上因其成本太高，國(guó)內(nèi)只有極少生產(chǎn)廠家能夠做到。

在計(jì)量裝置設(shè)計(jì)選型時(shí)，一定要結(jié)合流體特性和計(jì)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用精度需要，按照經(jīng)濟(jì)合理的原則，選用滿足計(jì)量要求的產(chǎn)品。

2.4 流量計(jì)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用

企業(yè)內(nèi)部蒸汽計(jì)量的主要問(wèn)題反映在用能單位的工序能耗指標(biāo)“偏高”，這主要源于對(duì)蒸汽特殊性質(zhì)的不了解，在認(rèn)識(shí)上混淆了流量值與熱值的概念。計(jì)量數(shù)據(jù)是流量值，而實(shí)際上蒸汽作為載能工質(zhì)，用戶使用的是水蒸氣所攜帶的熱能，而不同的溫度、壓力狀態(tài)，能量差距很大。參照有關(guān)文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在壓力為0.8 MPa、溫度為200 ℃條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2 838.6 kJ；在壓力0.8 MPa、溫度為220 ℃的條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2 884.2 kJ，二者相差1.6%。因此，用蒸汽流量來(lái)評(píng)估生產(chǎn)能力或消耗指標(biāo)顯然不盡合理。

以熱能作為蒸汽的核算單位，采用能量計(jì)量的定量評(píng)估方式，已成為學(xué)術(shù)界和廣大蒸汽的生產(chǎn)企業(yè)和用戶的共識(shí)。目前計(jì)量行業(yè)正在研討出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步科學(xué)規(guī)范蒸汽計(jì)量，成熟后將率先在企業(yè)內(nèi)部推行，以驗(yàn)證蒸汽的能量計(jì)量在技術(shù)層面上是可行的，為推動(dòng)蒸汽以能量計(jì)量為貿(mào)易計(jì)量單位的轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

3 蒸汽計(jì)量方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

3.1 選型設(shè)計(jì)原則

（1）準(zhǔn)確識(shí)別生產(chǎn)工藝過(guò)程的測(cè)控要求，轉(zhuǎn)化為測(cè)量過(guò)程的計(jì)量要求。包括測(cè)量范圍、準(zhǔn)確度等級(jí)等等。

（2）現(xiàn)場(chǎng)儀表要符合計(jì)量要求，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，盡量選擇易于維護(hù)、性能指標(biāo)好、制造品質(zhì)性價(jià)比高的可靠產(chǎn)品。

（3）補(bǔ)償功能完備且補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）具有較寬的測(cè)量范圍，能夠最大可能的優(yōu)于或接近于生產(chǎn)工況變化區(qū)間。

（5）具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能。

（6）具有多種網(wǎng)絡(luò)接口，能提供使用多種通訊協(xié)議的軟件。

3.2 節(jié)流裝置的選擇

目前，標(biāo)準(zhǔn)孔板作為傳統(tǒng)節(jié)流件的流量測(cè)量裝置，在冶金企業(yè)蒸汽計(jì)量應(yīng)用中的占比很大，主要是因?yàn)楣?jié)流式流量計(jì)技術(shù)較為成熟，是按照標(biāo)準(zhǔn)（ISO 5167—2003E、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》）設(shè)計(jì)、制造的，無(wú)須實(shí)流標(biāo)定，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，至今沒(méi)有任何一種流量計(jì)可與之相比擬。如果具備安裝條件，或在后期維護(hù)不受現(xiàn)場(chǎng)條件轄制的情況下，應(yīng)為首選。但其不足之處是流量測(cè)量范圍小，壓損大，測(cè)量精度普遍偏低，安裝復(fù)雜以及容易堵、漏、凍等問(wèn)題，不能夠滿足高精度測(cè)量應(yīng)用需求，且維護(hù)成本較高。

隨著計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，兼有傳統(tǒng)節(jié)流件的優(yōu)點(diǎn)又能克服其缺點(diǎn)的一體化標(biāo)準(zhǔn)噴嘴應(yīng)運(yùn)而生，其獨(dú)有的檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)和流體測(cè)控原理成為一種穩(wěn)定、可靠、免維護(hù)并有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的流量測(cè)量方法，在目前工業(yè)蒸汽生產(chǎn)和貿(mào)易結(jié)算中應(yīng)用最為廣泛。

一體化標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的結(jié)構(gòu)較孔板更適用于蒸汽計(jì)量，其噴嘴的入口為光滑曲面，壓損小，流出系數(shù)穩(wěn)定，JJG640-94《差壓式流量計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定其檢定周期為4 年，是標(biāo)準(zhǔn)孔板周期時(shí)長(zhǎng)的4 倍。尤其是節(jié)流裝置和差壓變送器采用一體化制作，并采用了防凍隔離技術(shù)，因此可能的泄漏點(diǎn)少、維護(hù)量很小。選用配置智能型差壓變送器，流量測(cè)量范圍度可達(dá)10：1，能夠完全滿足冶金企業(yè)蒸汽介質(zhì)高溫高壓、狀態(tài)變化的實(shí)際工況條件。

3.3 二次儀表的配備

蒸汽流量計(jì)量二次儀表大多采用流量計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品。流量計(jì)算機(jī)具有補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z 等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算。國(guó)內(nèi)外知名品牌的流量計(jì)算機(jī)，技術(shù)和功能性更強(qiáng)一些，針對(duì)蒸汽介質(zhì)的實(shí)際工況和不同的節(jié)流裝置類型，建立有多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的計(jì)算軟件，且都是依據(jù)有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與建議、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工作中可以選配實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、濕度、密度等的高精度補(bǔ)償運(yùn)算。

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，選用的流量計(jì)算機(jī)軟件必須通過(guò)國(guó)家權(quán)威部門(mén)的認(rèn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾年來(lái)的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)試驗(yàn)研究和計(jì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用探索的實(shí)踐表明：

（1）若要準(zhǔn)確地測(cè)量蒸汽流量，首先要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的工況條件和對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的精度需求，正確的選配計(jì)量裝置和流量計(jì)算軟件，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）一體化噴嘴流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償式蒸汽計(jì)量系統(tǒng)，將傳統(tǒng)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，有效地解決了傳統(tǒng)節(jié)流件量程小、壓損大、難維護(hù)、測(cè)量精度受工況條件影響大等問(wèn)題，使測(cè)量質(zhì)量得以保證。

（3）計(jì)量界對(duì)蒸汽計(jì)量由流量模式向能量模式轉(zhuǎn)變的研究工作正在加速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)后將會(huì)為蒸汽能源的計(jì)量和管理帶來(lái)質(zhì)的跨越。