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蒸汽流量計(jì)量方法及其器具配備方案的研究
[摘 要] 蒸汽流量計(jì)量一直是流量測(cè)量中的難點(diǎn)問題,為更好地貫徹執(zhí)行新發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17167-2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》,本文從分析蒸汽流量計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀入手,結(jié)合目前企業(yè)計(jì)量管理需求特點(diǎn),提出了一套已經(jīng)獲得成功應(yīng)用的蒸汽流量計(jì)量器具配備方案。
[關(guān)鍵詞] 蒸汽計(jì)量 節(jié)流裝置 密度 一體化噴嘴 流量計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
1、前言
蒸汽作為重要的二次能源,廣泛用于采暖、制冷、生產(chǎn)工藝用熱中作載熱工質(zhì),所以提高蒸汽的生產(chǎn)、輸送及使用效率可以節(jié)約大量的能源。準(zhǔn)確的計(jì)量是提高能源管理水平的關(guān)鍵。由于蒸汽的特殊性,在計(jì)量方面存在諸多困難,長(zhǎng)期以來一直是流量測(cè)量中的老大難問題。
2、蒸汽流量計(jì)量面臨的問題
為便于討論,我們先列出以下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量方程:
式(1)
式中:
C—流出系數(shù);
d—工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔或喉部直徑,單位
2.1關(guān)于蒸汽密度問題
對(duì)于蒸汽的流量測(cè)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,在整個(gè)一套測(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,并肯花大力氣盡量使用高精度的變送器,而忽略了密度在測(cè)量中的重要地位。其實(shí)這個(gè)問題只要看一看節(jié)流裝置流量方程就非常清楚。
從式(1)中可以看出差壓與密度在測(cè)量中是處于同等地位的,然而在實(shí)際使用中由于忽視了密度對(duì)流量測(cè)量的影響,因此往往不重視對(duì)密度的認(rèn)真研究和分析。目前流量類二次顯示儀表(系統(tǒng))中,蒸汽流量密度的計(jì)算,大多數(shù)采用的是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式或查表法,它們的計(jì)算精度是值得懷疑的。
工程上應(yīng)用的水蒸汽大多處于剛剛脫離液態(tài)或離液態(tài)較近,它的性質(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)雜的多,故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式子加以描述。我國(guó)沒有制定“水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),而是采用國(guó)外出版物的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表。第六屆國(guó)際水蒸汽性質(zhì)會(huì)議成立的國(guó)際公式化委員會(huì)IFC(International Formulation Committee)制定了用于計(jì)算水和水蒸汽熱力性質(zhì)的IFC公式,并在此基礎(chǔ)上不斷制定新的計(jì)算公式,為大家所熟悉的就是“工業(yè)用1967年IFC公式”(簡(jiǎn)稱IFC-67公式)。我國(guó)曾翻譯過美國(guó)的、前蘇聯(lián)的、西德的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表,不管是哪個(gè)國(guó)家的水蒸汽性質(zhì)表,凡符合IFC1967公式的數(shù)表,都是正確的。目前我國(guó)有關(guān)的規(guī)程已引用了該公式。
隨著工程技術(shù)以及科學(xué)研究水平的不斷提高,對(duì)水和水蒸汽熱力性質(zhì)計(jì)算精度和速度要求不斷提高,IFC-67公式存在的諸如計(jì)算精度低、計(jì)算迭代時(shí)間長(zhǎng)、適用范圍窄的缺陷也就越來越明顯起來。因此,在1997年德國(guó)Erlangen召開的水和水蒸汽性質(zhì)國(guó)際聯(lián)合會(huì)(IAPWS)通過并發(fā)表了由德、俄、英、加等7國(guó)12位科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出的一個(gè)全新的水和水蒸汽計(jì)算模型,即IAPWS-IF97公式。這兩公式在使用范圍、區(qū)域劃分、計(jì)算精度上也有一定區(qū)別,但在工業(yè)蒸汽流量測(cè)量常用范圍內(nèi)(溫度
2.2關(guān)于寬量程的問題
我們都知道,一般儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)都是用引用誤差表示的,而引用誤差是一種簡(jiǎn)化的和實(shí)用方便的相對(duì)誤差,是儀表在量程處的相對(duì)誤差。因此當(dāng)測(cè)量值越接近滿度值,其精確度才越高。但在蒸汽流量計(jì)量中,尤其是蒸汽輸送場(chǎng)合,實(shí)際的流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定,實(shí)際上流量計(jì)往往工作在量程的下限,甚至超出量程下限,這樣就造成了相對(duì)誤差變大的后果。因此在設(shè)計(jì)蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)時(shí),應(yīng)考慮使用寬量程的流量計(jì)或具有寬量程補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)。
智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計(jì)算機(jī)的問世,使我們能擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計(jì)成為可能。歸納起來它應(yīng)具備三個(gè)條件:1.智能化的寬量程差壓變送器(差壓范圍為100:1)。2.差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間數(shù)字通訊(Hart協(xié)議)除能滿足全量程差壓信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性,而且能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍。3.流量計(jì)算機(jī)不僅可根據(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、流速可膨脹性系數(shù)ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計(jì),在滿足準(zhǔn)確度同時(shí),流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到10:1(或更寬),節(jié)流式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果,它改變著人們對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。
2.3關(guān)于能量計(jì)量問題
熱能是一個(gè)狀態(tài)參數(shù),不同狀態(tài)、等質(zhì)量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如:在壓力為0.8Mpa、溫度為
2.4關(guān)于現(xiàn)有系統(tǒng)改造的問題
目前企業(yè)的生產(chǎn)裝置自動(dòng)化水平越來越高,多數(shù)采用DCS或PLC系統(tǒng)作為監(jiān)視和控制系統(tǒng),企業(yè)的計(jì)量點(diǎn)也多融入到整個(gè)系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中,對(duì)于蒸汽流量的補(bǔ)償計(jì)算模型在軟件程序上是存在不足的,如果修改這些系統(tǒng)的程序存在著技術(shù)力量限制和影響整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、整體性、安全性的危險(xiǎn),大多數(shù)企業(yè)是不愿意動(dòng)DCS的程序的。因此,在計(jì)量改造中,我們需要找到一種既能滿足計(jì)量準(zhǔn)確的要求,又不破壞整個(gè)儀表控制系統(tǒng)框架,與DCS或PLC有很好融合性,適合于數(shù)據(jù)上網(wǎng)的方案。
3、蒸汽流量計(jì)量?jī)x表配備方案
3.1我們應(yīng)該有一個(gè)什么樣的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)?
要做好蒸汽計(jì)量,我們首先應(yīng)該回答“我們應(yīng)該有一個(gè)什么樣的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)?”這樣一個(gè)問題。我們認(rèn)為,一個(gè)合理、先進(jìn)的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征:
(1)現(xiàn)場(chǎng)儀表符合準(zhǔn)確度要求、免維護(hù)、故障率低,穩(wěn)定性好(檢定周期可以較長(zhǎng))。
(2)補(bǔ)償完善且補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
(3)具有能量計(jì)量的功能。
(4)具有較寬的量程。
(5)具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能。
(6)便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。
3.2一次儀表配備方案
我們推薦的蒸汽流量計(jì)量一次儀表是YJLB一體化噴嘴流量計(jì),并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。
節(jié)流式流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中占有重要的地位。節(jié)流式流量計(jì)技術(shù)成熟,特別是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn)(ISO5167-2003E、GB/T2624-1993)設(shè)計(jì)、制造就無須實(shí)流標(biāo)定,是其它流量計(jì)無法比擬的。在蒸汽測(cè)量研究上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行了大量的試驗(yàn),給出了修正的數(shù)學(xué)模型,所以采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量蒸汽有明顯的優(yōu)越性。實(shí)際上,目前我國(guó)占蒸汽用表90%以上的仍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置。因此我們采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。之所以選則噴嘴而不是孔板,原因如下:
標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個(gè)缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化,據(jù)悉國(guó)內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn),在孔板連續(xù)使用2—3個(gè)月時(shí),鈍化引起流出系數(shù)偏度在1—3%,各別嚴(yán)重的在4%以上,這已引起了人們的高度重視。目前,解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問題的最好方法是采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴,由于噴嘴的入口為光滑曲面,不易磨損(見圖1)。它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定,所以JJG640-94規(guī)程規(guī)定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年。再者,噴嘴在相同流量和相同β值條件下,阻力損失比孔板小得多(僅為孔板的50-60%),長(zhǎng)期運(yùn)行情況表明,由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn),適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。
LYLB一體化噴嘴的特點(diǎn):
◆ 采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件,測(cè)量準(zhǔn)確度有依據(jù);
◆ 專利防凍隔離技術(shù),冬季運(yùn)行無須伴熱,維護(hù)量少;
◆ 噴嘴節(jié)流件阻力損失小(同樣流量下為相同β值孔板的60%左右);
◆ 沒有孔口鈍化的問題,耐沖擊不易變形,系數(shù)穩(wěn)定,檢定周期長(zhǎng)(4年);
◆ 配置智能型差壓變送器,流量測(cè)量范圍度可達(dá)10:1或更寬;
◆ 安裝簡(jiǎn)便。
3.3二次儀表及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)配備方案
我們推薦的蒸汽流量計(jì)量二次儀表是LY-XMJA流量轉(zhuǎn)換單元(智能流量積算儀)(見圖2)。
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