测量蒸汽流量时温度压力补偿的探讨

2016-12-20刘立安张文兵

纯碱工业 2016年1期

关键词：温压变送器节流

刘立安，张文兵，刘佳

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

测量蒸汽流量时温度压力补偿的探讨

刘立安，张文兵，刘佳

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

阐述了差压式流量计测量蒸汽流量装置的构成、工作原理、特点以及温度压力补偿的实现。

蒸汽流量；差压式流量计；节流装置；温度补偿；压力补偿

我公司使用的蒸汽由热电公司供给，这就涉及到公司之间的贸易结算问题；公司内部成本核算也需要蒸汽计量，所以对蒸汽计量的准确度要求较高。由于蒸汽流量测量装置的设计温度、设计压力与实际运行工作温度、工作压力有一定差异，或者由于生产运行造成的工作温度、工作压力和设计温度、设计压力差别较大，产生测量误差，不能反映工作状态下真实测量数据，因此蒸汽流量的测量必须进行温度、压力补偿。2014年大修期间，对蒸汽流量测量进行技术改造，增加温压补偿。

1 差压式带温压补偿蒸汽流量测量装置的构成

差压式带温压补偿蒸汽流量测量装置是由节流装置(孔板、喷嘴等)、差压变送器、温压补偿装置组成，并连接记录、积算、调节仪表或计算机网络，构成流量的检测和调节系统。

图1 差压式带温压补偿蒸汽流量测量装置

测量蒸汽流量的方法很多，主要有节流装置的差压式流量计(比如孔板、喷嘴、均速管、弯管流量计等)，涡街流量计，旋翼式流量计，浮子式流量计等。目前采用最多的是标准节流装置(孔板、喷嘴)的差压式流量计，由于标准节流件使用历史悠久、应用技术成熟、原理简明、结构简单可靠、无可动部件、不怕振动、耐高温可适应其他恶劣环境，同时又具有一套完整的技术规范和标准，根据标准节流件的技术要求和实验数据就可进行节流装置的设计、加工和安装，不必进行实际标定，在蒸汽流量测量中占重要地位。这种测量系统除标准节流件和差压变送器外，还必须配压力温度传感器，对蒸汽流量进行温压补偿。

2 差压式带温压补偿蒸汽流量测量装置的工作原理

2.1 工作原理

在管道中流动的流体，具有动能和静能，并在一定条件下这两种形式的能量可以相互装换，但参加转换的能量总和是不变的。假设流体是在水平管道中沿轴线方向稳定流动，流体不对外做功，和外界也没有热量交换，流体本身也没有温度变化，根据这些条件，对于不可压缩性理想流体，如果流速为V,密度为ρ，静压为P，流体充满管道流动时，其能量方程为：

P/ρ+V2/2=常数

(1)

式中的每一项都代表单位质量流量的能量，第一项为静压能，第二项为动压能。

根据质量守恒、能量守恒及原理，假设节流件上游入口前的流速为V1、密度为ρ1、静压为P1，流经节流件时的流速、密度、和静压分别为V2、ρ2和P2，根据能量方程其能量关系为：

(2)

根据流体连续性方程：

AV1ρ1=aV2ρ2

(3)

式中:A=πD2/4 (D为管道的直径)a=πd2/4 (d为节流件的开孔直径)

因是不可压缩性流体，可认为节流件前后的密度是不变的，即ρ1=ρ2=ρ。

由式(2)、式(3)推导出流体的平均速度V2(令β=d/D)：

(4)

根据质量流量定义，M=aV2ρ写出质量流量与差压ΔP=P1-P2的关系式为：

(5)

式(5)为流量与差压间的理论公式，它是以理想流体在节流过程中不产生压力损失为前提推导的，实际流体由于具有粘性流经节流件时必然要产生压力损失，实际流量要比上式的计算小，因此要引入流出系数C进行修正。即

(6)

α=CE称为流量系数，它是由实验决定的。

对于可压缩流体，考虑到气体流经节流件时，由于时间很短，流体介质与外界来不及进行热交换，可认为其状态变化为等熵过程，这样，可压缩流体的流量公式与不可压缩流体的流量公式有所不同，但是，可以采用不可压缩流体的流量系数和公式形式，引入一个流体膨胀校正系数ε，于是可压缩流体的流量与差压的关系式为：

(7)

2.2 温压补偿原理

根据上述原理，如果节流装置制作好，节流件本身固有参数几乎不变，假如通过它能够测量某种气态介质流量，那么同一种介质在不同工况下，其流量就有如下关系：

(8)

M1设计工况质量流量，M2实际工况质量流量。

ρ1设计工况密度，ρ2实际工况密度。

ΔP1设计工况差压，ΔP2实际工况差压。

令ΔP1=ΔP2=ΔP，式(8)可简化为：

(9)

根据ρ1/ρ2=PV1TV2/PV2TV1

PV1为设计工况的绝对压力，PV2为实际工况的绝对压力。

TV1设计工况的K氏温度，TV2实际工况的K氏温度。

由式(9)可转化为：

(10)

……

显然由式(10)看出设计工况质量流量M1与实际工况质量流量M2间的补偿修正关系只与相应工作状态的温度压力有关系。

3 差压式蒸汽流量测量装置温压补偿的实现

在实际生产过程中，由于蒸汽的实际温度、压力波动而偏离设计值，势必造成实际累积蒸汽流量存在误差。为了消除该误差，在DCS中必需考虑对蒸汽流量测量进行温压补偿计算。在DCS系统中，做一个专用的温压补偿功能模块，工程技术人员完成相关参数的设置和回路连接即可实现。蒸汽流量温压补偿计算模块、功能模块，如图2、图3。

图2 蒸汽流量温压补偿计算模块

图3 温压补偿计算功能模块

图中PT工况代表连接现场压力采集信号通道，TE工况代表连接现场温度采集信号通道，FT补偿前代表连接现场工况流量采集信号通道，F补偿后是DCS 计算修正的流量数即温压补偿后的瞬时流量值，它可在DCS电脑屏幕上显示出该瞬时流量实际大小。

4 补偿时注意的问题

4.1 补偿后避免出现新的误差

采用温压补偿时都要用到压力变送器，这时应考虑:大气压及液柱静压力的影响，以免出现新的误差。

大气压力引起的误差，由于温压补偿的经验公式中，都包含有蒸汽绝对压力这一参数，而一般做法是用压力变送器，把检测出来的蒸汽表压力加上当地大气压来表示绝对压力，因此在建立数学模型时，应根据当地大气压来计算，不能不加区别的采用近似等于0.1 MPa来代替大气压，尤其是海拔较高的地区及所测蒸汽压力较低时，更应引起注意。如果选用绝对压力变送器则不会产生上述影响。

液柱静压力引起的误差，由于各种压力变送器的取压口与变送器本体大多不可能处于同一高度，因此冷凝水的静压力对变送器的输出会造成影响，而产生附加误差。取压口与变送器的垂直距离越大则影响越大，这一影响对普通压力变送器、绝对压力变送器都存在影响。这时可采取零点迁移的方法来调整压力变送器，以消除影响。

4.2 温压补偿有一定的条件

蒸汽流量测量温压补偿不是万能的，当被测蒸汽流量的实际参数(温度、压力)与设计的参数不一致时，其流量系数α、流束膨胀系数ε、孔径d等值都会改变。但当蒸汽的温度、压力波动不大，即工况参数偏离设计参数不太多，对测量影响较小时，采用温压补偿措施才能达到理想的测量精度。但当工况参数偏离设计值太多.或工况参数波动频繁且太大时，既使有了温压补偿措施，仍难达到测量精度要求，此时对于特定的孔板而言，只能重新计算差压与流量之间的关系。

4.3 饱和蒸汽的补偿不推荐使用温度补偿

饱和蒸汽采用温度补偿和压力补偿在本质上是一致的。其原因是饱和状态的蒸汽，其压力和温度之间呈单值函数关系，从蒸汽温度查出的密度同与此温度对应的压力查出的密度是一致的。因此，采用温度补偿和压力补偿在原理上都是可行的。但是测温误差对流量测量的结果影响比较大，细微的温度误差可能引起较大的测量误差值。例如压力为0.7 MPa时，如果测量温度误差-1 ℃，差压式蒸汽流量计误差为-1.14%；而使用压力补偿，同样的0.7 MPa压力，如果测量压力误差±2 kPa，差压式蒸汽流量计为±0.13%。显然，压力补偿得到的补偿精确度比温度补偿高。

对于饱和蒸汽，以较高的流速流过，由于压损引起的绝热膨胀往往使蒸汽进入过热状态，这时仍旧将它看成饱和蒸汽，并根据蒸汽温度去查饱和蒸汽密度表，得到的数值将会明显偏高。

由于以上的原因，在测量饱和蒸汽质量流量时，仅仅测量温度，并据此查密度表，进行质量流量计量将引起较大的误差。在蒸汽流量计中不推荐使用。