蒸汽流量计量存在的问题及解决方法

2013-12-06赵晓岚

冶金动力 2013年2期

关键词：雷诺数孔板节流

赵晓岚

（马鞍山钢铁公司计量处,安徽马鞍山 243000）

1 引言

在钢铁的生产过程中产生大量的蒸汽，广泛用于动力、制冷、生产线等用热场合。因此对能源计量工作的要求较高，蒸汽的仪表配置及运行率达99%。但是在能源供用方面却存在很大的不平衡。

2 存在的原因

2.1 一次部件的选用

马钢的蒸汽测量中，一次部件有约90%采用的是标准孔板（ISO5167—2003E、GB/T2624—2006）。

标准孔板结构简单，牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉，无需实流校准，即可投用，在流量计中是惟一的。虽然标准孔板有这样的优点，但差压法流量测量中不可避免地存在着以下问题：

（1）压损大

根据GB2624—93中标准节流装置的设计原理可知管道流经节流装置的压力损失为:

式中：β—节流件内径与管道内径之比d/D；

ΔP—流量差压

从上式中不难看出，在一定的流体情况下，差压ΔP越大，压损越大；β值越小，压损越大。这样给蒸汽测量带来了不可避免的误差。

（2）入口直角锐利度在流体刷下易发生钝化

据国内有关部门的经验数据表明，在孔板连续使用2～3个月时，钝化引起流出系数偏差在1%～3%，个别严重的在4%以上，这就给蒸汽测量带来了测量误差。

2.2 蒸汽的相变问题

变相问题主要是过热蒸汽变饱和汽。例如热电厂供汽管道，在其出口处供出的是过热蒸汽，但经管道长距离的输送或保温不利造成输送过程中部分蒸汽程度不等地产生冷凝水而成为湿饱和汽。造成供方出口计量值与用户进口计量值不一致的误差。

2.3 蒸汽本身的介质问题

外供蒸汽大都为湿饱和汽，即汽液两相共存的汽，它是蒸汽和水的混合物，称为湿饱汽。而世界上尚还未有一份完整的湿饱和蒸汽密度数据。目前我们蒸汽测量计量中使用的是干饱和蒸汽（临界饱和蒸汽）密度表（以压力和温度为自变量），这样就给我们的蒸汽计量带来了误差。举个例子：在饱和蒸汽工作绝压为0.48 MP，湿度为5%的情况下，查干、湿两个密度表造成的密度误差为5%。可见这样的误差导致了蒸汽供用双方计量的不平衡。

2.4 宽量程的问题

由于使用过程中总是存在季节性的差别、全状态下及事故状态下的差别等，造成使用范围忽大忽小，使流量计工作在测试范围以外，造成了很大的误差。

3 解决方法

3.1 对于标准孔板压损大的问题的解决

自2010年以来，马钢的大、中修以及新上项目中的蒸汽计量全部都采用了喷嘴。喷嘴和孔板都属于标准节流装置，且喷嘴的入口为光滑曲面，不易磨损，它的流出系数非常稳定，检定周期长（4年）（ISA1932喷嘴依照规程JJG640-94）。另外喷嘴的阻力损失比孔板小得多,在相同流量和相同β值条件下，阻力损失仅为孔板的50%～60%。

3.2 对于蒸汽相变以及介质变化的问题的解决

实际上，无论是蒸汽的相变问题还是介质的变化问题归根到底就是密度的确定问题。

钢铁企业中的水蒸汽的性质与理想气体大不相同，应视为实际气体。水蒸汽的物理性质较理想气体要复杂的多，故不能用简单的数学模型加以描述；所以，在以往的工程计算中，凡涉及水蒸汽的状态参数数值，大都从水蒸汽表中查出。

水蒸汽在运行过程中由于工况参数的变化，会发生状态变化；如过热蒸汽变为饱和蒸汽，饱和蒸汽变为过热蒸汽。所以必须先判别蒸汽的状态（饱和或是过热），再查不同的数表或用不同的公式计算

湿饱和蒸汽含有饱和水，是两相流。要准确测量蒸汽流量还必须知道干度。而在线干度测量难度很大，国外虽有一些研究成果，但未见普遍推广应用，国内目前仍处于研究阶段。

目前，在马钢内部确定密度的方法是：

把水蒸汽密度表装入计算机中，根据工况的温度、压力，从表中查出相应的密度值，再用以下公式进行计算:

在用以上公式计算时，需对气体介质进行补偿，在低压范围内，可以利用理想气体状态方程来进行温度、压力补偿.但在高压时，则必须考虑气体压缩系数的影响.对于过热蒸气，必须作实际气体处理。对于大部分气体，在低压区(如小于1 MPa)的压缩系数都接近于l。在该区域内，只要温度不是太低，即使不对压缩系数进行修正，也不会引起明显的误差，完全可以满足工程上的要求。但在高压区，则必须考虑压缩系数的影响，否则将会造成明显的误差。像常规方法那样将K看成常数，将会造成不可忽视的测量误差。而目前马钢采用的K值基本上是一常数。

分析计算表明，当温度和压力在设计值T0和P0的基础上变化20%，雷诺数ReD变化60%时，如果我们只补偿密度变化的影响，那么，即使密度变化可能引入的误差为零，即认为已实现了对密度的完全补偿，其它各余留参数变化累加后的最大误差仍可达6%左右。其中，ε引入的误差最为明显。目前我们的测量并没有对这些余留误差做到补偿。

现在马钢内部的蒸汽计量采用的全部都是温度、压力双补正的模式，今后我们的方向是蒸汽计量中采用节流元件作为传感元件时用计算法进行补偿，其流量采用IFC1967公式：

式中：qm-质量流量，kg/s；

c-流出系数；

d-节流件开孔直径，m；

ε-可膨胀性系数；

ρ-被测流体密度，kg/m3；

β-节流件孔径与直管段内径之比，β＝d/D；

ΔP-差压，Pa；

采用“IFC1967公式”虽然公式繁杂一些，但在压力为0～16.65MPa范围内，计算的过热蒸汽及饱和蒸汽密度值完全符合国际标准。应用公式只需安装有温度、压力变送器不需要判断是饱和状态或过热状态就可以准确测量。对于确定是饱和蒸汽的场合，只需要将公式稍做变动，只用测温或测压，也可准确计算饱和蒸汽密度。

4 宽量程测量的问题

虽然引起孔板流量计误差因素很多，诸如直管段条件、安装条件等都可通过设计与施工予以保证，但超范围是引起误差的主要原因，特别是用在流量变化范围大的情况下，使仪表在相当长时间内工作在测量范围以外，所以解决扩展测量范围问题是解决问题的关键所在。

目前国内有些厂家已生产出一些智能化的宽量程差压变送器，它们根据节流式流量计用于蒸汽计算的实用公式：

对以上公式来说，当雷诺数ReD≥2×105时，孔板的流出系数C进入线性区，流出系数C方可以认为是一个常数；当雷诺数ReD≥4×105时，喷嘴的流出系数C进入线性区，流出系数C方可以认为是一个常数。在实际测量中，由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情况时有发生，如果不进行修正，仍按计算书的C值来计算流量，会带来较大的误差。

流量计算机可自动实时计算流出系数C和流速可膨胀系数ε，这是实现节流式流量计宽量程自动补偿的关键所在。

其中：流出系数的计算式为（以角接取压为例）：

式中：β——直径比(d/D,d、D值的单位为毫米)

ReD——管径雷诺数

流出系数是指通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比，将它应用到理论流量方程中以获得实际的流量。在一定条件下，对于给定的节流装置，该值仅与雷诺数有关，对于不同的节流装置，只要这些装置是几何相似，并且在相同的雷诺数条件下，则C值是相同的，流出系数C的计算式是以大量实验所确定的数。当雷诺数ReD≥2×105时，孔板的流出系数C进入线性区，流出系数C方可以认为是一个常数；当雷诺数ReD≥4×105时，喷嘴的流出系数C进入线性区，流出系数C方可以认为是一个常数。在实际测量中，由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情况时有发生，如果不进行修正，仍按计算书的C值来计算流量，会带来较大的误差。

所以如何自动实时计算流出系数C和流速可膨胀系数ε，这是实现节流式流量计宽量程自动补偿的关键所在，也是未来蒸汽测量的方向。智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计算机的问世，使我们实现宽量程的智能化流量测量有了可能。但我们今后在蒸汽测量中还应具有前瞻性，现在我们的蒸汽是以质量为单位进行计量。作为一种能源将来必然要采用能量计量，所以今后在仪表选型上，应选用同时具有质量计量和能量计量功能的仪表，这样在将来需要用能量计量时，不用再大规模地更换了。