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标准节流装置在蒸汽计量上的应用
发布时间:2019-06-10

摘要:由标准节流装置组成的差压式流量计在蒸汽计量上广泛使用,根据标准节流装置测量流体流量一般原理,分析了蒸汽密度对蒸汽计量的影响,比较了蒸汽密度求取的两种方法,提出了一种宽量程比蒸汽计量的方案,并阐述了喷嘴在蒸汽计量上的应用优势。
0前言
  蒸汽是工业生产中重要的工艺介质和二次能源,也是城镇市政供热中主要的供热介质。随着工业化和城镇化的飞速发展,蒸汽用量与日俱增,蒸汽消耗量成为生产运行经济考核的重要指标,蒸汽的准确计量尤为重要,在广泛使用的蒸汽计量器具中,由标准节流装置组成的差压流量计和涡街流量计是蒸汽计量器具的主流选择。
  节流装置具有结构简单、制造容易、维护方便、成本较低、可靠性高等优点,按照标准GB/T2624-2006设计、制造的标准节流装置,无需进行实流标定就能得到较高的测量精度,节流装置也存在测量范围小、压力损失大、检定周期短等不足。涡街流量计受工作原理、敏感元件和结构的局限,在被测流体在温度、压力高于一定数值时,管道或环境振动较大时,使用涡街流量计测量存在困难[1];涡街流量计的检定,要放在流量标准装置上进行,不仅拆装、搬运、送检费事,而且要将流量计停用较长时间,检定成本和时间成本较高;涡街流量计的成本,在仪表口径增大时上升明显,尤其是在流体温度较高(T>300℃)时,价格劣势尤为明显。
  因此涡街流量计在上世纪70年代投入工业应用至今,虽然占领了标准节流装置的部分市场,但在高温、高压流体,管径较大的测量对象和环境振动较大的场合,标准节流装置仍是不可替代的,尤其是热电等行业仍然普遍使用标准节流装置。
1蒸汽密度
1.1标准节流装置测量流体流量一般原理
标准节流装置测量流体流量一般原理表达式为[2]:

  式中:qm为质量流量,kg/s;C为流出系数;ε1为可膨胀系数;d为节流件的开孔直径;ΔP为差压;ρ1为被测流体密度;β为直径比,β=d/D,D为管道内径。
  在式(1)中,β和d为常数,C和ε1在一定的流量范围之内也可看作常数,因此式(2)可简化为:

  从式(2)可清楚看出,仪表示值同ρ1密切相关。而蒸汽工况(温度t,压力P)的变化,必然使ρ1产生相应的变化。因此,标准节流装置必须与用以求取蒸汽密度的工况测量仪表配合,并同计算部分一起组成蒸汽质量流量计,才能保证测量精确度。
1.2蒸汽密度求取方法
  水蒸汽的物理性质与理想气体大不相同,不能采用理想气体状态方程进行密度补偿,需先求取蒸汽密度再做密度补偿。蒸汽密度的求取方法归纳起来主要是采用数学模型法和计算机查表法两类[3]。
(1)数学模型法
①一次函数法。这种方法的显著特点是简单,适用饱和蒸汽,其表达式为:
ρ=AP+B(3)
  式中:ρ为蒸汽密度,kg/m3;P为蒸汽绝对压力,MPa;A、B为系数和常数。
  式(3)不足之处是仅在较小的压力范围内变化适用,压力变化范围较大时,由于误差太大,就不适用了。因为对于饱和蒸汽来说,ρ=f(P)是一条曲线,用一条直线拟合它,范围越大,当然误差越大。
  解决这个矛盾的方法是分段拟合,即在不同的压力段采用不同的系数和常数。表1所示为不同压力段对应的不同密度计算式[4]。

②用指数函数拟合密度曲线。使用较多的是:

  式(4)描述的是一条曲线,用它来拟合饱和蒸汽ρ=f(P)曲线能得到更高的精度,但是在压力变化范围较大的情况下,仍有千分之几的误差。
③状态方程法。状态方程法用于计算过热蒸汽密度,其中著名的有乌卡诺维奇状态方程和莫里尔状态方程,状态方程的计算公式较为复杂,在仪表常用数据手册及其他相关书籍资料中均有描述,这里不做赘述。
(2)计算机查表法现在国际上通用的蒸汽密度表是根据“工业用1697年IFC公式”计算出来的。根据现有的过热蒸汽密度表,查取与温度、压力相对应的过热蒸汽密度,对于蒸汽密度表中两点之间的数据,采用数学内插法处理确定。
表2的过热蒸汽密度表中,将压力以0.1MPa为间距划分5个区间,将温度以10℃为间距划分为7个区间,在压力、温度区间内可采用线性内插法计算求取蒸汽密度。例:过热蒸汽实测压力为2.82MPa,实测温度为282℃,求取过热蒸汽密度。


  通用流量演算器可将蒸汽密度表装入其内存中,在CPU的控制下,模拟人工查表的方法,采用计算机查表与线性内插相结合的技术,能得到人工查表相同的精确度。
2宽量程比计量方案
  蒸汽消耗受热负荷变化制约,流量变化范围广,有时甚至只有满量程的百分之几,如果要保证差压式流量计在蒸汽计量全量程范围内的测量精度,必须想办法扩大差压式流量计的量程比。
  标准节流装置测量范围不理想,这主要是由其测量原理决定的,由式(8)可知,对流量测量范围度影响最大的因素是差压测量不确定度,其表达式为
量测量不确定度的影响为1%。即为了获得±1%的流量测量精度,如果选用的是0.075精度等级的差压变送器,只有当差压大于3.75%,即流量小于19.36%FS时,才能保证精确度。
  差压变送器,其差压低端的示值误差无法进一步减小的原因是其精确度并非可以任意确定,而且受膜盒面积、环境温度以及长期漂移等因素制约,为了提高相对流量较小时的差压测量精度,另外增设一台低量程差压变送器是一个行之有效的方法。
例如,有一蒸汽流量测量对象,最大流量100t/h,最小流量3t/h,常用压力1.1MPa,常用温度250℃,公称通径DN500,高量程差压变送器测量范围:0~100kPa,低量程差压变送器测量范围:0~3.75kPa。两台0.075级精确度等级的差压变送器,在双量程流量演算器的配合下,选定合适的高低量程切换点,在流量量程3~100%范围内,qmqm为1.25%。
  上述宽量程比计量方案中,流量测量不确定度会受标准节流装置流出系数C非线性和可膨胀系数ε1偏离的制约[5],采用通用流量演算器实时计算流出系数C和可膨胀系数ε1,对其影响进行在线修正。
3喷嘴
  目前蒸汽计量应用中普遍使用的标准节流装置是标准孔板,标准孔板的入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化,国内有关部门曾对新装标准孔板进行跟踪校验,在标准孔板连续使用2-3个月时,钝化引起的流出系数偏度在1-3%,个别严重的在4%以上,测量误差明显增大。
  解决标准孔板钝化问题的最好方法是采用ISA1932喷嘴,如图1所示,ISA1932喷嘴的入口为光华曲面,不易磨损,流出系数非常稳定,JJG640-2016检定规程规定ISA1932喷嘴的检定周期为4年,而标准孔板检定周期为2年[6]。再者,喷嘴在相同流量和相同β值条件下,永久压力损失比孔板小得多,仅为孔板的50~60%,有利于减小能耗。长期运行情况表明,由于喷嘴在结构上的优势具有耐冲击抗变形的优点,适用于高温、高压、高流速的蒸汽介质。

4结语
  由标准节流装置组成的差压式流量计,在蒸汽计量应用中需将经典技术与现代技术相结合,合理地选用流量计算机和ISA1932喷嘴,实现蒸汽工况密度实时计算和在线补偿功能,克服传统节流装置量程比小、阻力损失大、容易变形、检定周期短等缺点,以满足蒸汽计量宽量程、高精度和低能耗的新要求。实践证明,上述计量器具配备方案在蒸汽计量应用中已日趋成熟,并在石化、化工、热电、冶金以及城市供热等行业中得到了广泛应用。

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