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隨著云南云天化化工股份有限公司紅磷分公司節(jié)能降耗項(xiàng)目的投產(chǎn)及新蒸汽管網(wǎng)的投用，資源的綜合利用對準(zhǔn)確計(jì)量提出了新的要求。蒸汽是使用的載熱工質(zhì)，是重要的二次能源。因此，準(zhǔn)確的蒸汽計(jì)量對企業(yè)節(jié)能降耗、成本核算、優(yōu)化生產(chǎn)過程控制等具有十分重要的意義。
1蒸汽流量的特征
1．1蒸汽流量的特點(diǎn)
目前還不能直接測量蒸汽的質(zhì)量流量，工程上普遍使用推導(dǎo)蒸汽質(zhì)量流量測量系統(tǒng)，但在流量方程中質(zhì)量流量與蒸汽密度ρ直接相關(guān)，因此，要準(zhǔn)確測量質(zhì)量流量，關(guān)鍵是求取蒸汽密度。對于飽和蒸汽，蒸汽密度ρ只與壓力p有關(guān)，即ρ=ρ(p);而對于過熱蒸汽，蒸汽密度ρ與壓力P、溫度t有關(guān)，即ρ=ρ(p，t)，但不再遵循理想氣體狀態(tài)方程，并隨蒸汽工況參數(shù)的變化而變化，無法用一個通式表示即不能獲得統(tǒng)一的密度計(jì)算公式，只能根據(jù)具體情況個別推導(dǎo)求得溫度、壓力補(bǔ)償公式。采用節(jié)流裝置時，當(dāng)溫度、壓力、雷諾數(shù)變化較大時，還應(yīng)動態(tài)修正C、ε、d、β等參數(shù)，以提高測量的準(zhǔn)確度。否則，即使已實(shí)現(xiàn)了密度的*補(bǔ)償，這些余留參數(shù)變化累加后，引入的誤差仍然較大。
1．2蒸汽流量的計(jì)量儀表
用于測量蒸汽流量的儀表有:節(jié)流式差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)、阿紐巴流量計(jì)等。蒸汽流量信號進(jìn)入DCS系統(tǒng)，在DCS中實(shí)現(xiàn)蒸汽流量溫度、壓力公式補(bǔ)償。組態(tài)人員根據(jù)實(shí)際工況溫度、壓力的范圍，采用正確合適的溫度、壓力補(bǔ)償公式，并在DCS系統(tǒng)上進(jìn)行組態(tài)轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確補(bǔ)償。但在實(shí)際組態(tài)中，要動態(tài)修正C、ε、d、β等參數(shù)是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，組態(tài)的計(jì)算式中用一常數(shù)K代替流量方程中的諸項(xiàng)。對于蒸汽測量:渦街流量計(jì)耐高溫只能到200℃，對320℃以上的蒸汽系統(tǒng)缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，zui大的弱點(diǎn)是抗振性能差;阿紐巴流量計(jì)所產(chǎn)生的差壓信號值較低，應(yīng)用中波動大、流量小時偏差大;蒸汽在輸送過程中，存在壓力、溫度損失。因此，蒸汽計(jì)量數(shù)據(jù)偏差大，在成本核算時，不得不進(jìn)行平衡與分?jǐn)偂?BR>2標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、溫度補(bǔ)償元件、3095MV變送器組成的蒸汽流量計(jì)
2．1標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置
普遍使用的節(jié)流裝置—孔板和噴嘴已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，ISA1932噴嘴其幾何形狀在20世紀(jì)30年代就已開始標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置得到標(biāo)準(zhǔn)化組織和法制計(jì)量組織的認(rèn)可，對標(biāo)準(zhǔn)型測量元件進(jìn)行的試驗(yàn)研究是性的，按照標(biāo)準(zhǔn)文件ISO5167或GB2624設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置無須實(shí)流校準(zhǔn)，即可確定其流量值并估算其測量誤差。目前，在全部流量計(jì)中，它是*達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的。由標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、溫度補(bǔ)償元件及3095MV變送器組成的蒸汽流量計(jì)如圖1所示。
節(jié)流裝置的測量原理:當(dāng)流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件時，流束將在節(jié)流元件處形成局部收縮，流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了壓差ΔP;流量愈大，壓差愈大。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程、伯努力方程為基礎(chǔ)的，其流量公式為:
式中:qm為質(zhì)量流量，kg/s;C為流出系數(shù);d為節(jié)流元件的開孔直徑，m;ε為可膨脹性系數(shù);ρ為被測流體密度，kg/m3;Δp為差壓，Pa;β為節(jié)流元件孔徑與直管段內(nèi)徑之比，β=d/D。
2．2標(biāo)準(zhǔn)噴嘴
標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的結(jié)構(gòu)形式如圖1中所示。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的特點(diǎn):①具有光滑的收縮內(nèi)壁，當(dāng)流體流過時是逐漸收縮的，因此在同樣流量和相同β值時噴嘴的壓力損失只有孔板的30%。②由于入口是光滑的曲面，且結(jié)構(gòu)比孔板厚實(shí)，不易磨損，使用壽命長。③流出系數(shù)大并且穩(wěn)定。④噴嘴的測量范圍比孔板大。
⑤適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。
2．33095MV變送器
3095MV變送器是美國Rosemount公司為蒸汽、氣體提供的質(zhì)量流量變送器，其特點(diǎn):①體積小巧，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。②可靈活配套不同的一次測量元件如孔板、噴嘴、阿紐巴等，3095MV變送器的EA組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫中記錄了這些測量元件及過程流體數(shù)據(jù)。③多變量測量，精度高。可同時測量壓力、差壓、溫度、流量4個參數(shù)，差壓、壓力的測量精度為量程的0．075%，溫度的測量精度為0．56℃，重復(fù)性0．1%。④采用實(shí)時動態(tài)的*公式來計(jì)算所有參數(shù)，zui大限度地提高了測量的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的差壓流量是用一個簡化的質(zhì)量流量公式在DCS或流量儀中計(jì)算的即qm=KΔ槡p，公式中用一個常數(shù)K代表真實(shí)流量計(jì)算中的許多參數(shù)。
事實(shí)上，只有單位換算系數(shù)是常數(shù)，其它項(xiàng)都是過程變量的函數(shù)，簡化公式不能補(bǔ)償這些量的變化，故在計(jì)算的流量中產(chǎn)生不可預(yù)見的誤差。⑤二線制、直接輸出與量程相對應(yīng)的質(zhì)量流量信號。⑥3095MV變送器的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)意義上差壓流量計(jì)的缺點(diǎn)，如量程比從3∶1拓寬到10∶1。
2．4溫度補(bǔ)償元件
工況下的蒸汽溫度信號直接進(jìn)入3095MV變送器進(jìn)行補(bǔ)償，其安裝位置盡可能靠近節(jié)流裝置，但又要在節(jié)流裝置需要的直管段外，還要保證插入深度，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測量。
3蒸汽管網(wǎng)計(jì)量系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)及計(jì)量點(diǎn)如圖2所示。
圖2中各流量計(jì)的配置:FQ0103、FQ3702為孔板+差壓變送器，信號進(jìn)入DCS系統(tǒng)后作溫度壓力補(bǔ)償;FQ1002、FQ506001、FQ506002、FQ61307為標(biāo)準(zhǔn)噴嘴+補(bǔ)償熱電阻+3095MV變送器，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴均為同一廠家制造;FQ3707為渦街流量計(jì)。主要考查:FQ1002+FQ0103是否等于FQ506001+FQ61307+損失量;FQ506002+減溫水是否等于FQ3707+損失量，從而驗(yàn)證流量計(jì)是否滿足準(zhǔn)確計(jì)量要求。
3．1FQ1002+FQ0103與FQ506001+FQ61307+損失量
3．1．1流程及數(shù)據(jù)采集
三廢鍋、35t鍋爐的蒸汽經(jīng)FQ1002、FQ0103到1#分配缸，匯合后的蒸汽一路經(jīng)FQ506001計(jì)量并經(jīng)減壓減溫后進(jìn)入2#蒸汽分配缸，另一路經(jīng)過約1015m蒸汽管、若干彎頭、疏水閥后經(jīng)FQ61307計(jì)量后并入3#蒸汽分配缸，考查時段內(nèi)的數(shù)據(jù)見表1。
3．1．2FQ1002、FQ0103、FQ506001、FQ61307的狀況
FQ1002在考查時用給水流量作過對比，能滿足計(jì)量要求;經(jīng)過FQ0103的蒸汽壓力在3．2MPa、410℃以上時偏差小，在考查時段內(nèi)滿足這一條件;FQ506001在選型計(jì)算范圍內(nèi);到達(dá)FQ61307的蒸汽存在一定的損失量。
3．1．3數(shù)據(jù)分析
1)第1～5組數(shù)據(jù)
①三廢爐、35t/h鍋爐、合成氨系統(tǒng)(3機(jī))平穩(wěn)生產(chǎn);5#硫酸停車，6#硫酸、發(fā)電系統(tǒng)正常開車。
②數(shù)據(jù)滿足重復(fù)性、線性關(guān)系。③1#分配缸內(nèi)的蒸汽平均壓力、溫度為3．56MPa、423℃，經(jīng)FQ61307的蒸汽平均壓力、溫度為3．35MPa、415℃，平均流量損失=(FQ1002+FQ0103－FQ506001－FQ61307)/(FQ1002+FQ0103)×=2．2%。④經(jīng)過1015m的管線、幾十個的彎頭及疏水閥后，2．2%的蒸汽流量損失小于估算值，對于蒸汽測量來說這是一個理想的測量結(jié)果。
2)第6組數(shù)據(jù)5#硫酸剛開車，蒸汽富余;35t/h鍋爐停車，F(xiàn)Q0103為零;合成氨系統(tǒng)(3機(jī))平穩(wěn)生產(chǎn)。1#分配缸內(nèi)的蒸汽壓力、溫度分別為3．53MPa、420℃，經(jīng)FQ61307的蒸汽壓力、溫度分別為3．41MPa、403℃，流量只有前5組的70%，損失為3．1%。
3)第7～12組數(shù)據(jù)①5#硫酸已開車正常，合成氨系統(tǒng)(3機(jī))平穩(wěn)生產(chǎn)。1#分配缸內(nèi)的蒸汽平均壓力、溫度分別為3．54MPa、420℃，經(jīng)FQ61307的蒸汽平均壓力、溫度分別為3．48MPa、390℃，流量只有1～5組的47%，損失已達(dá)16．4%。②數(shù)據(jù)滿足重復(fù)性、線性關(guān)系。
4)第13組數(shù)據(jù)①由于公司開始檢修，數(shù)據(jù)時段的前8小時合成氨系統(tǒng)(3機(jī))平穩(wěn)生產(chǎn);后32小時合成氨系統(tǒng)停車、三廢爐降負(fù)荷生產(chǎn)，蒸汽主要經(jīng)FQ61307并入3#蒸汽分配缸。②在數(shù)采時段內(nèi)，經(jīng)FQ61307的蒸汽流量只有1～5組33%，損失達(dá)20．6%。
流量是一個推導(dǎo)量，由一些基本參數(shù)組成;同時它又是一個動態(tài)量，只有流體流動時才產(chǎn)生流量，因此它與流體物性、流動的特性密切相關(guān)。蒸汽的經(jīng)濟(jì)流速為20～30m/s，流速高于經(jīng)濟(jì)流速上限，則阻力損失會隨著流量的增加而急劇增加;流速低于經(jīng)濟(jì)流速下限，運(yùn)行熱損增大，流量損失隨之增大。取7～12組數(shù)據(jù)的平均值與第6組作對比，當(dāng)FQ1002、FQ506001的變化不大時，從FQ61307上取得的數(shù)據(jù)應(yīng)與第6組的數(shù)據(jù)差別不大，損失的差別也應(yīng)該不大，但實(shí)際上從FQ61307取得的每小時流量相對第6組數(shù)據(jù)只減小了32%，而流量損失卻是第6組數(shù)據(jù)的5．3倍。數(shù)采時段內(nèi)的主要區(qū)別是5#硫酸剛開車時及開車正常后并入3#蒸汽分配缸的蒸汽量大小不同。第6組數(shù)據(jù)處于5#硫酸剛開車時，并入3#蒸汽分配缸的蒸汽量小;而第7～12組數(shù)據(jù)，5#硫酸已正常并汽到3#分配缸且蒸汽量大、壓力高。5#硫酸的蒸汽并入3#蒸汽分配缸混和后的蒸汽壓力及蒸汽進(jìn)出3#分配缸的平衡關(guān)系影響了來自1#分配缸蒸汽的暢通流動即1、3#蒸汽分配缸間壓差減小，如表1中1、3#分配缸間壓差數(shù)據(jù)所示，這一情況使輸送的蒸汽流速下降，熱損增大，一定程度上影響了蒸汽的流態(tài)甚至出現(xiàn)汽、液兩相流，直接影響FQ61307的測量，這就是第7～12組數(shù)據(jù)與第6組數(shù)據(jù)差別大的根本原因，第13組數(shù)據(jù)進(jìn)一步對這種差別進(jìn)行了證明。
綜上所述，管網(wǎng)物料進(jìn)出平衡，流量計(jì)能滿足準(zhǔn)確計(jì)量要求;蒸汽通過管網(wǎng)、疏水后存在一定的流量損失;管網(wǎng)存在一個溫度、壓力、流量損失zui小的*操作、輸送范圍。
3．2FQ506002+減溫水與FQ3707+損失量
3．2．1流程及數(shù)據(jù)采集
2#分配缸出來的一路蒸汽經(jīng)FQ506002計(jì)量、PV－3710減壓、噴水減溫后再經(jīng)FQ3702、FV-3702流量調(diào)節(jié)進(jìn)入石墨換熱器，石墨換熱器出來的冷凝水經(jīng)冷凝液槽收集由FQ3707計(jì)量出裝置?？疾闀r段內(nèi)的數(shù)據(jù)見表2。
3．2．2FQ506002、FQ3702、FQ3707的狀況
FQ506002工作在設(shè)計(jì)選型計(jì)算的范圍內(nèi);冷凝液槽液位高度考查前后保持不變;從圖2可知，F(xiàn)Q3702與FQ3707的測量數(shù)據(jù)應(yīng)很接近，但在考查時段內(nèi)由于生產(chǎn)負(fù)荷低，采集到的蒸汽參數(shù)(0．05MPa、110℃左右)比設(shè)計(jì)值(0．12～0．14MPa、＜125℃)低很多，因此FQ3702經(jīng)過DCS系統(tǒng)補(bǔ)償后的流量偏差較大，從理論分析可知，當(dāng)P
實(shí)＜P設(shè)時將出現(xiàn)正偏差，偏差的大小取決于實(shí)際壓力與設(shè)計(jì)壓力的偏離程度，表2的數(shù)據(jù)充分表明了這一情況，因此FQ3702的數(shù)據(jù)僅作為一個參考;FQ3707在考查時已經(jīng)過校準(zhǔn)。
3．2．3減溫水用量
減溫水用量、相關(guān)參數(shù)及取值:
1)減壓、減溫前的蒸汽參數(shù)取FQ506002測量數(shù)據(jù):p=1．15MPa(表壓)，t=270℃，h1=2977．025kJ/kg，蒸汽總量Gv=2696t。
2)減壓減溫后的參數(shù):p=0．05MPa(表壓)，t=110℃，h=2693．35kJ/kg。
3)減溫水的參數(shù):p=3．5MPa(表壓)，t=100℃;hw=421．69kJ/kg。
4)不考慮中間損失。
減溫水用量:
3．2．4FQ506002+減溫水與FQ3707+損失量
在考查時段內(nèi)，F(xiàn)Q506002累積數(shù)為2696t、減溫水用量Gw為337t，F(xiàn)Q3707累積數(shù)為3025t，即:FQ506002累計(jì)量+減溫水用量Gw=2696+337=3033t與FQ3707的累計(jì)量3025t偏差很小，總損失量為8t，量損僅為0．26%，F(xiàn)Q506002滿足準(zhǔn)確計(jì)量要求。
綜上所述，由標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、溫度補(bǔ)償元件及3095MV變送器組成的蒸汽流量計(jì)在考查時段內(nèi)都表現(xiàn)出了良好的特性，即:①重復(fù)性。流量計(jì)對一個確定的流量能重復(fù)顯示，測量示值在允許的范圍內(nèi)。確定的流量在本系統(tǒng)內(nèi)是以相同時段、蒸汽壓力溫度的穩(wěn)定、生產(chǎn)條件的穩(wěn)定來界定的。好的重復(fù)性是確定各流量計(jì)間關(guān)系的重要依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)高度的基礎(chǔ)。②線性。在不同倍數(shù)的時段內(nèi)，各量值基本呈一種單值的倍數(shù)關(guān)系即線性關(guān)系，對于測量儀表，這是一個關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。③穩(wěn)定性、可靠性。流量是一個推導(dǎo)量，在考查的時段內(nèi)，對于可驗(yàn)證的溫度、壓力等基本參數(shù)均能穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確的測量。④準(zhǔn)確性。表1中的1～6組數(shù)據(jù)、表2中的數(shù)據(jù)充分表明了這一點(diǎn)。
由標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、溫度補(bǔ)償元件、3095MV變送器組成的蒸汽流量計(jì)，是經(jīng)典節(jié)流裝置與現(xiàn)代技術(shù)巧妙結(jié)合，其技術(shù)優(yōu)勢非常適合云天化紅磷分公司蒸汽管網(wǎng)的特點(diǎn)。此外，優(yōu)化的調(diào)度管理及測量技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)蒸汽的準(zhǔn)確計(jì)量，改變蒸汽結(jié)算分?jǐn)偟膶擂尉置妗Ｕ羝臏?zhǔn)確計(jì)量、監(jiān)測及合理的調(diào)度分配利用，可幫助企業(yè)節(jié)約5%～20%的能耗。
