摘要:由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成的差壓式流量計在蒸汽計量上廣泛使用,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測量流體流量一般原理,分析了蒸汽密度對蒸汽計量的影響,比較了蒸汽密度求取的兩種方法,提出了一種寬量程比蒸汽計量的方案,并闡述了噴嘴在蒸汽計量上的應(yīng)用優(yōu)勢。
0前言
蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)中重要的工藝介質(zhì)和二次能源,也是城鎮(zhèn)市政供熱中主要的供熱介質(zhì)。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展,蒸汽用量與日俱增,蒸汽消耗量成為生產(chǎn)運行經(jīng)濟(jì)考核的重要指標(biāo),蒸汽的準(zhǔn)確計量尤為重要,在廣泛使用的蒸汽計量器具中,由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成的差壓流量計和渦街流量計是蒸汽計量器具的主流選擇。
節(jié)流裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便、成本較低、可靠性高等優(yōu)點,按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624－2006設(shè)計、制造的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,無需進(jìn)行實流標(biāo)定就能得到較高的測量精度,節(jié)流裝置也存在測量范圍小、壓力損失大、檢定周期短等不足。渦街流量計受工作原理、敏感元件和結(jié)構(gòu)的局限,在被測流體在溫度、壓力高于一定數(shù)值時,管道或環(huán)境振動較大時,使用渦街流量計測量存在困難［1］;渦街流量計的檢定,要放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行,不僅拆裝、搬運、送檢費事,而且要將流量計停用較長時間,檢定成本和時間成本較高;渦街流量計的成本,在儀表口徑增大時上升明顯,尤其是在流體溫度較高(T＞300℃)時,價格劣勢尤為明顯。
因此渦街流量計在上世紀(jì)70年代投入工業(yè)應(yīng)用至今,雖然占領(lǐng)了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的部分市場,但在高溫、高壓流體,管徑較大的測量對象和環(huán)境振動較大的場合,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置仍是不可替代的,尤其是熱電等行業(yè)仍然普遍使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。
1蒸汽密度
1.1標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測量流體流量一般原理
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測量流體流量一般原理表達(dá)式為［2］:
式中:qm為質(zhì)量流量,kg/s;C為流出系數(shù);ε1為可膨脹系數(shù);d為節(jié)流件的開孔直徑;ΔP為差壓;ρ1為被測流體密度;β為直徑比,β=d/D,D為管道內(nèi)徑。
在式(1)中,β和d為常數(shù),C和ε1在一定的流量范圍之內(nèi)也可看作常數(shù),因此式(2)可簡化為:
從式(2)可清楚看出,儀表示值同ρ1密切相關(guān)。而蒸汽工況(溫度t,壓力P)的變化,必然使ρ1產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置必須與用以求取蒸汽密度的工況測量儀表配合,并同計算部分一起組成蒸汽質(zhì)量流量計,才能保證測量精度。
1.2蒸汽密度求取方法
水蒸汽的物理性質(zhì)與理想氣體大不相同,不能采用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行密度補(bǔ)償,需先求取蒸汽密度再做密度補(bǔ)償。蒸汽密度的求取方法歸納起來主要是采用數(shù)學(xué)模型法和計算機(jī)查表法兩類［3］。
(1)數(shù)學(xué)模型法
①一次函數(shù)法。這種方法的顯著特點是簡單,適用飽和蒸汽,其表達(dá)式為:
ρ=AP+B(3)
式中:ρ為蒸汽密度,kg/m3;P為蒸汽絕對壓力,MPa;A、B為系數(shù)和常數(shù)。
式(3)不足之處是僅在較小的壓力范圍內(nèi)變化適用,壓力變化范圍較大時,由于誤差太大,就不適用了。因為對于飽和蒸汽來說,ρ=f(P)是一條曲線,用一條直線擬合它,范圍越大,當(dāng)然誤差越大。
解決這個矛盾的方法是分段擬合,即在不同的壓力段采用不同的系數(shù)和常數(shù)。表1所示為不同壓力段對應(yīng)的不同密度計算式［4］。
②用指數(shù)函數(shù)擬合密度曲線。使用較多的是:
式(4)描述的是一條曲線,用它來擬合飽和蒸汽ρ=f(P)曲線能得到更高的精度,但是在壓力變化范圍較大的情況下,仍有千分之幾的誤差。
③狀態(tài)方程法。狀態(tài)方程法用于計算過熱蒸汽密度,其中著名的有烏卡諾維奇狀態(tài)方程和莫里爾狀態(tài)方程,狀態(tài)方程的計算公式較為復(fù)雜,在儀表常用數(shù)據(jù)手冊及其他相關(guān)書籍資料中均有描述,這里不做贅述。
(2)計算機(jī)查表法現(xiàn)在國際上通用的蒸汽密度表是根據(jù)“工業(yè)用1697年IFC公式”計算出來的。根據(jù)現(xiàn)有的過熱蒸汽密度表,查取與溫度、壓力相對應(yīng)的過熱蒸汽密度,對于蒸汽密度表中兩點之間的數(shù)據(jù),采用數(shù)學(xué)內(nèi)插法處理確定。
表2的過熱蒸汽密度表中,將壓力以0.1MPa為間距劃分5個區(qū)間,將溫度以10℃為間距劃分為7個區(qū)間,在壓力、溫度區(qū)間內(nèi)可采用線性內(nèi)插法計算求取蒸汽密度。例:過熱蒸汽實測壓力為2.82MPa,實測溫度為282℃,求取過熱蒸汽密度。
通用流量演算器可將蒸汽密度表裝入其內(nèi)存中,在CPU的控制下,模擬人工查表的方法,采用計算機(jī)查表與線性內(nèi)插相結(jié)合的技術(shù),能得到人工查表相同的精度。
2寬量程比計量方案
蒸汽消耗受熱負(fù)荷變化制約,流量變化范圍廣,有時甚至只有滿量程的百分之幾,如果要保證差壓式流量計在蒸汽計量全量程范圍內(nèi)的測量精度,必須想辦法擴(kuò)大差壓式流量計的量程比。
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測量范圍不理想,這主要是由其測量原理決定的,由式(8)可知,對流量測量范圍度影響最大的因素是差壓測量不確定度,其表達(dá)式為
量測量不確定度的影響為1%。即為了獲得±1%的流量測量精度,如果選用的是0.075精度等級的差壓變送器,只有當(dāng)差壓大于3.75%,即流量小于19.36%FS時,才能保證精度。
差壓變送器,其差壓低端的示值誤差無法進(jìn)一步減小的原因是其精度并非可以任意確定,而且受膜盒面積、環(huán)境溫度以及長期漂移等因素制約,為了提高相對流量較小時的差壓測量精度,另外增設(shè)一臺低量程差壓變送器是一個行之有效的方法。
例如,有一蒸汽流量測量對象,最大流量100t/h,最小流量3t/h,常用壓力1.1MPa,常用溫度250℃,公稱通徑DN500,高量程差壓變送器測量范圍:0～100kPa,低量程差壓變送器測量范圍:0～3.75kPa。兩臺0.075級精度等級的差壓變送器,在雙量程流量演算器的配合下,選定合適的高低量程切換點,在流量量程3～100%范圍內(nèi),qmqm為1.25%。
上述寬量程比計量方案中,流量測量不確定度會受標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流出系數(shù)C非線性和可膨脹系數(shù)ε1偏離的制約［5］,采用通用流量演算器實時計算流出系數(shù)C和可膨脹系數(shù)ε1,對其影響進(jìn)行在線修正。
3噴嘴
目前蒸汽計量應(yīng)用中普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是標(biāo)準(zhǔn)孔板,標(biāo)準(zhǔn)孔板的入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化,國內(nèi)有關(guān)部門曾對新裝標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行跟蹤校驗,在標(biāo)準(zhǔn)孔板連續(xù)使用2－3個月時,鈍化引起的流出系數(shù)偏度在1－3%,個別嚴(yán)重的在4%以上,測量誤差明顯增大。
解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問題的最好方法是采用ISA1932噴嘴,如圖1所示,ISA1932噴嘴的入口為光華曲面,不易磨損,流出系數(shù)非常穩(wěn)定,JJG640－2016檢定規(guī)程規(guī)定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年,而標(biāo)準(zhǔn)孔板檢定周期為2年［6］。再者,噴嘴在相同流量和相同β值條件下,永久壓力損失比孔板小得多,僅為孔板的50～60%,有利于減小能耗。長期運行情況表明,由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點,適用于高溫、高壓、高流速的蒸汽介質(zhì)。
4結(jié)語
由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成的差壓式流量計,在蒸汽計量應(yīng)用中需將經(jīng)典技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合,合理地選用流量計算機(jī)和ISA1932噴嘴,實現(xiàn)蒸汽工況密度實時計算和在線補(bǔ)償功能,克服傳統(tǒng)節(jié)流裝置量程比小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短等缺點,以滿足蒸汽計量寬量程、精度和低能耗的新要求。上述計量器具配備方案在蒸汽計量應(yīng)用中已日趨成熟,并在石化、化工、熱電、冶金以及城市供熱等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。
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