設(shè)為首頁
加入收藏
聯(lián)系我們| 分 類 |
蒸汽是煉化企業(yè)的主要能源，由于管網(wǎng)蒸汽具有高溫、高壓、高流速且介質(zhì)密度計(jì)算復(fù)雜的特性，所以蒸汽流量計(jì)量一直是能源計(jì)量的難點(diǎn)。一次表選型、寬量程補(bǔ)償、密度補(bǔ)償、能量計(jì)量問題是影響蒸汽準(zhǔn)確計(jì)量的主要因素。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，分析了上述問題存在的原因，探討技術(shù)對(duì)策。
1 一次表選型
目前在煉化企業(yè)用于蒸汽流量計(jì)量的一次儀表主要有三種類型: 渦街流量計(jì)、非標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。
1. 1 渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)支持，但需要實(shí)流標(biāo)定( 檢定周期2 年) 。其測(cè)量范圍寬( 10∶1) ，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)捷，具有一定的使用經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)有產(chǎn)品在耐高溫、低流速、特別是抗振動(dòng)等性能方面尚需提高。另外，被測(cè)蒸汽的干度較小( 小于85%) ，對(duì)信號(hào)干擾嚴(yán)重，目前尚無有效解決措施。
1. 2 非標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)
近年來，各種非標(biāo)差壓式流量計(jì)( 如: V 形錐、多孔孔板、均速管流量計(jì)等) 進(jìn)入煉化企業(yè)，由于非標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)沒有通行的、國家標(biāo)準(zhǔn)可循，所以其流出系數(shù)、可膨脹性系數(shù)都必須通過實(shí)流標(biāo)定獲得( 所謂實(shí)流標(biāo)定一般是指在沒有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定的情況下，被測(cè)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為同類介質(zhì)) ，這給用戶在實(shí)際檢定、使用時(shí)造成困難。這類儀表在蒸汽測(cè)量方面應(yīng)用歷史短，缺少足夠的使用經(jīng)驗(yàn)，有的在結(jié)構(gòu)上還存在設(shè)計(jì)缺陷及安全隱患，應(yīng)給予充分重視。
1. 3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置指按國家標(biāo)準(zhǔn): GB /T 2624—滿管流體流量》或標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167—2003 《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》加工、制造安裝和使用的流量測(cè)量節(jié)流裝置。其歷史悠久，應(yīng)用廣泛( 占在用儀表總量的60% ～ 70%) ，制造技術(shù)成熟，使用經(jīng)驗(yàn)豐富; zui大的優(yōu)點(diǎn)是無須實(shí)流標(biāo)定，這是其他流量計(jì)*的。但采用傳統(tǒng)取壓和流量計(jì)算的孔板，存在測(cè)量范圍小、壓損大、檢定周期短、系統(tǒng)構(gòu)成和維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)孔板如圖1 所示。
綜上所述，目前標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置仍是蒸汽流量計(jì)量儀表。通過調(diào)整一次元件選型和二次表技術(shù)配置，可以有效地解決傳統(tǒng)孔板流量計(jì)在蒸汽流量計(jì)量方面的不足。
1. 4 ISA1932 噴嘴
ISA1932 噴嘴和孔板一樣也是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，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，避免了采用孔板時(shí)入口直角銳利度在流體沖刷下鈍化問題( 據(jù)悉國內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn)，孔板在連續(xù)使用2～3 個(gè)月時(shí)，流出系數(shù)偏離1% ～ 2%) 。JJG 640—1994 差壓式流量計(jì)規(guī)程規(guī)定: 孔板檢定周期為1 年，而ISA1932 噴嘴的檢定周期為2 年( zui長不超過4年) ; 這也說明ISA1932 噴嘴流量性能穩(wěn)定。另外，噴嘴在相同β ( β 為直徑比，β = d /D，其中，d 為節(jié)流件開孔直徑，D 為管道內(nèi)徑) 和相同流量
條件下，阻力損失比孔板小得多( 僅為孔板的50% ～ 60%) ，有利于減小能耗。長期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，所以其具有耐沖擊、抗變形的優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。噴嘴流量計(jì)如圖2 所示。
一體化結(jié)構(gòu)的ISA1932 噴嘴流量計(jì)，是將節(jié)流件和差壓變送器做成一體，目前國內(nèi)已有廠家生產(chǎn)。有的廠家還配有防凍隔離器( 技術(shù)) ，引壓管不積存冷凝水，冬季運(yùn)行不需保溫伴熱，故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)便，實(shí)際使用效果好。
2 寬量程補(bǔ)償
引起標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量誤差的因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設(shè)計(jì)與施工予以保證，但超測(cè)量范圍對(duì)流量儀表準(zhǔn)確度的影響則受到多種因素的制約。早期孔板流量計(jì)由于受到差壓變送器量程( 10∶1) 和二次儀表運(yùn)算能力等因素限制，流量量程僅為3∶1，幾乎不具備擴(kuò)展量程條件。傳統(tǒng)做法是將節(jié)流件流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε 作為定值，置入現(xiàn)場(chǎng)的流量積算單元( 二次表或DCS) 。而蒸汽輸送過程中，實(shí)際的流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定。當(dāng)流量波動(dòng)大( 超出3∶1 范圍) ，或流量計(jì)長時(shí)間工作在測(cè)量范圍以外時(shí)，將造成很大的測(cè)量誤差。圖3 所示為孔板流出系數(shù)曲線，其中，ＲeD為雷諾數(shù)。
由圖3 可以看出: ＲeD=1×104，C= 0.622 0;ＲeD=3×104，C= 0.6152。平均值C=0.6186，即ＲeD在1×104～3×104 范圍內(nèi)(3∶1) 其不確定度為0.55%。ＲeD=5×103，C= . 632 0; ＲeD=5×104，C=0.6121。平均值C=0.6221，即ＲeD在5×103～5×104 范圍內(nèi)(10∶1) 其不確定度為1. 6%，遠(yuǎn)不能滿足貿(mào)易結(jié)算對(duì)不確定度的要求。
同樣，可膨脹性系數(shù)ε 在超測(cè)量范圍情況下，所引起的測(cè)量不確定度更不容忽視。例如，一臺(tái)角接取壓孔板流量計(jì)(D=100 mm，β=0.5) 測(cè)量過熱蒸汽(壓力為4MPa，溫度為400℃) ，ＲeD在2.8×105～28×105(介質(zhì)流速為5.2～52m/s) 范圍內(nèi)，可膨脹性系數(shù)ε 的不確定度約為3.0%。節(jié)流式流量計(jì)流量計(jì)算公式為:
由式( 2) 、式( 3) 可以看出，C、ε 的計(jì)算很復(fù)雜。擴(kuò)展流量計(jì)測(cè)量范圍的技術(shù)措施是: 利用流量計(jì)算機(jī)具有足夠的存貯空間和高速、高精度的運(yùn)算功能，遵從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出的計(jì)算方法，在允許差壓測(cè)量范圍內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前ＲeD，實(shí)時(shí)計(jì)算節(jié)流件流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε 等流量參數(shù)，從而克服采用固定流量參數(shù)帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)量程擴(kuò)展。
智能化寬量程( 100∶1) 的差壓變送器和運(yùn)算功能強(qiáng)大的流量計(jì)算機(jī)的問世，使擁有智能化、寬量程的節(jié)流式流量計(jì)成為可能，這為提高蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性提供了重要的技術(shù)保證。
3 密度補(bǔ)償
對(duì)于蒸汽的流量計(jì)量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，但是由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，所以在整個(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，而忽略了密度計(jì)算的重要性。從式( 1) 可以看出，差壓與密度在測(cè)量中處于同等地位。目前我國已有的流量二次儀表中蒸汽密度的計(jì)算，采用的是簡(jiǎn)易的數(shù)學(xué)模型( 自己擬合公式或用出版物給出的公式) ，在DCS 上甚至采用的是理想氣態(tài)方程，因此，其準(zhǔn)確度往往不能滿足要求。
水蒸汽的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應(yīng)視為實(shí)際氣體。水蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜得多，故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式加以描述。所以，在以往的工程計(jì)算中，凡涉及水蒸汽的狀態(tài)參數(shù)數(shù)值，大都從水蒸汽表中查出。把蒸汽參數(shù)表裝入儀表中，數(shù)據(jù)量很大且不連續(xù)，在實(shí)際操作中有很大困難。目前，我國還沒有關(guān)于水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)的國家標(biāo)準(zhǔn)，但JJG 1003—2005 《流量積算儀》國家檢定規(guī)程已引用了IFC1967 公式( 該公式于1967 年由水蒸氣性質(zhì)協(xié)會(huì)成員國確認(rèn))進(jìn)行蒸汽密度計(jì)算。因此，目前在蒸汽流量計(jì)量中的密度計(jì)算應(yīng)統(tǒng)一到IFC1967 公式。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)研究水平的提高，1997 年在德國召開的水和水蒸汽性質(zhì)聯(lián)合會(huì)( IAPWS) 通過并發(fā)表了一個(gè)全新的水和水蒸汽計(jì)算模型，即水和水蒸汽熱力性質(zhì)IAPWS －IF97 公式。與IFC1967 公式相比，該公式的計(jì)算精度和運(yùn)算速度大大提高。重要的是，1999 年IAPWS 要求在商業(yè)合同中采用IAPWS － IF97 公式。
根據(jù)我國目前蒸汽流量計(jì)量的需要，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于2012 年底批準(zhǔn)《水蒸汽能量計(jì)算方法》國家標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)，該標(biāo)準(zhǔn)正在由全國計(jì)量器具管理標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)組織編寫。
4 能量計(jì)量
蒸汽目前采用質(zhì)量計(jì)量，而溫度、壓力不同的蒸汽，焓值不同。例如，壓力為0. 8 MPa，溫度為180 ℃的蒸汽，其焓值為2. 791 1 MJ /kg; 壓力為0. 8 MPa，溫度為220 ℃ 的蒸汽，其焓值為2. 884 2 MJ /kg，兩者相差3. 2%。實(shí)際使用的蒸汽溫度范圍更大，其焓值的差別也更大，用消耗蒸汽質(zhì)量來評(píng)價(jià)用能設(shè)備或用能單位的耗能，顯然是不合理的。另外，蒸汽管網(wǎng)上存在不容忽視的熱損耗，但由于采用質(zhì)量計(jì)量，所以無法對(duì)這部分熱損耗進(jìn)行定量評(píng)估，這不僅成為蒸汽供需雙方爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，而且也不能為管道保溫維護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。以能量作為蒸汽的結(jié)算單位，已不僅是學(xué)術(shù)界的共識(shí)，而且也得到了廣大蒸汽生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)，呼吁國家盡快出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步科學(xué)地規(guī)范蒸汽流量計(jì)量。我國熱水能量計(jì)量已逐步推廣，在節(jié)能方面做出了重要的實(shí)踐。蒸汽流量計(jì)量制式的改動(dòng)需要一個(gè)過程，不可一蹴而就。但先在企業(yè)內(nèi)部推行蒸汽的質(zhì)量與能量計(jì)量并行，在技術(shù)層面上是可行的。這將為節(jié)約和合理使用蒸汽提供依據(jù)，也是優(yōu)化管理、提益等方面十分有益的實(shí)踐。
蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征:
(1) 一次儀表符合準(zhǔn)確度要求，穩(wěn)定性好、檢定周期長、維護(hù)量小、故障率低。
( 2) 流量運(yùn)算單元除可溫、壓補(bǔ)償外，還應(yīng)具有量程擴(kuò)展功能; 補(bǔ)償運(yùn)算功能完善且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn); 具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能，以及網(wǎng)絡(luò)通信和能量計(jì)量的功能。
一體化噴嘴流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)的方案，將經(jīng)典傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，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)安裝維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。該方案目前已經(jīng)在國內(nèi)諸多煉油化工裝置上有了成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，表明其在蒸汽流量計(jì)量上是可行的，值得向仍然采用傳統(tǒng)方法計(jì)量蒸汽的設(shè)計(jì)單位及煉廠用戶推廣。
會(huì)員_a.png)