冶金企业蒸汽计量问题的探讨及改进

2021-10-09姬文红

河南冶金 2021年3期

姬文红

（安阳钢铁股份有限公司）

0 引言

随着余热余能等回收利用节能技术的广泛应用，冶金企业逐步实现了由能源消耗大户向自给自足型能源制造大户的华丽转身。蒸汽作为其主要的能源之一，生产、输送及使用效率直接关系到企业的资源利用和经济效益。只有准确的计量数据才能够有效衡量和指导能源系统的资源平衡，提升能源资源的运行能力，为深化节能降耗等生产经营管理提供科学的依据。但蒸汽的特殊性和影响蒸汽流量计量准确性的相关因素，给企业的计量工作带来极大困扰，逐步建立、实施能够切合冶金企业实际、科学可行的蒸汽计量方案，是近年来冶金企业计量工作的重点课题。

目前，蒸汽流量测量普遍采用的是标准孔板节流装置，由于传统的孔板流量计存在测量范围小、压损大，现场检修维护、更新困难等诸多方面的不足，尤其是测量范围小的缺点，在热负荷变化大的情况下计量误差大大增加，数据失真造成蒸汽产供和耗用之间的不平衡，给系统平衡、效能评价带来了极大困扰。随着近年来各种新型检测技术的研发应用，以及计量数据运算模型的完善改进，很好地解决了这些问题。笔者针对蒸汽计量现状进行了简要分析，并结合对行业应用的调研和应用研究，提出了较为合理的计量装置配备方案。

2 蒸汽计量现状及其改进分析

2.1 计量仪表在偏离设计工况下运行

我们在选择计量仪表时，首先要确定准确度等级和量程比这两个技术参数。企业计量专业人员根据生产工艺对蒸汽运行控制的工况条件和现场环境，遵照GB17167—2006《用能单位能源计量器具配备与管理通则》的相关规定，导出计量要求，从而确定仪表的准确度等级、测量范围以及选型。仪表的准确度等级是以相对误差的方式表示的，运行在设计选定的量程段内，测量值越接近满度值，则测量准确度越高，数据越接近真实值。但实际上蒸汽在输送过程中会产生状态的较大变化，实际的流量范围往往无法准确确定，因此导致流量计经常运行在设计的量程范围以外，这样就造成了很大的测量误差。

以标准节流装置的流量计算公式为例进行分析：

式中：qv——体积流量，m3/s；C——流出系数；ε——可膨胀性系数；d——节流件开孔直径，m；β——直径比，（β=d/D）；D——管道内径，m——被测流体密度，kg/m3；Δp——差压，Pa。

式（1）中的流出系数C 和可膨胀性系数ε，是在设计的一定流量范围条件下，由专门的节流装置设计计算软件计算得到的。因此，在设计蒸汽流量计量方案时，一定要考虑实际工况条件的流量变化，对流出系数C 和可膨胀性系数ε 等中间参数进行实时计算，进行实际测量条件下的流量补偿运算，才能解决计量数据的偏差问题。

在实际应用中，采用智能化宽量程的差压变送器、兼备高速运算和补偿功能的流量计算机，来完成这些复杂的中间参数的补偿运算，实现了节流式流量计的宽量程和智能化。智能化的宽量程差压变送器与流量计算机之间通过数字通讯除了能准确传递全量程差压信号之外，还能够自动迁移测量范围。

流量计算机不仅可以根据温度、压力等工况参数对工况流量进行修正，还可以实时计算流出系数C、可膨胀性系数ε 等。在满足准确度的同时，量程比可真正达到10：1(或更宽)，这一新技术成果的逐步拓展应用，正在改变着人们对节流式流量计的传统认识。

2.2 蒸汽热力状态参数的变化影响

在工业蒸汽的产-供-用环节，由于生产工艺调节、输运速度、管网保温、气温变化等因素导致蒸汽流量、温度和压力的波动，使蒸汽流量计偏离设计的运行条件。人们都知道要对特定状态下的流量进行计量，针对温度和压力的变化，采用对设定的补偿系数进行计算，并尽量选用高精度的变送器以减少系统误差。而往往因为对蒸汽性质的复杂性掌握不够，而忽视了密度的重要影响。温度和压力的变化直接导致蒸汽状态，也即密度的变化，测出的流量不再是真实状态下的实际流量，因此对测量的准确度影响较大。从式（1）可以看出，差压与密度对测量结果的影响是同等重要的。

参照有关流体力学文献的相关描述，首先要判断水蒸气的状态，是属于饱和蒸汽还是过热蒸汽，然后采用查表法或者计算法来确定密度值。（1）查表法：根据蒸气的状态和工况温度、压力，从水蒸气热力性质表中查出对应的密度值。（2）计算法：以蒸汽密度表为基础建模，把密度与压力、温度之间的函数关系，拟合成计算公式，满足现场流量测量的需要。饱和蒸汽密度是温度或压力的一元函数，根据仪表量程和精度的需要，借助饱和蒸汽密度表进行函数拟合，就可以得到符合计量要求的解析式。而过热蒸汽情况比较复杂，其密度为温度、压力的二元函数，可以采用现有的研究成果，乌卡诺维奇公式或者IAPWS-IF97 公式。

我国没有制定“水蒸气热力学性质表”的国家标准，而是采用国外出版物的水蒸气热力学性质表。国内专业人士曾翻译过美国的、前苏联的、西德的水蒸气热力学性质表，近年来逐步进行了统一，使用IAPWS-IF97 公式的数表。因此，在流量测量中使用的仪表应该按照IAPWS-IF97 公式进行实时的密度计算，这才是最理想和准确的方法。

目前，国家JJG 1003—2005《流量积算仪》检定规程已引用了该公式。其最重要的一个特点是把流量积算仪表与流量变送器、被测流体紧密结合在一起，检定的理论值完全是按有关国家标准给出的数学模型计算得到的。

2.3 非标准节流件的可信度

近年来，众多品牌和种类的非标准节流件呈现市场，尤其在方便安装和易于维护方面，较传统节流件有很多优势，往往更容易被用户接受。但是良莠不齐的产品质量令人担忧，可信度较低。因为它们不像标准节流件一样，有成熟且通行的国际、国家标准支持，在生产制造过程中采用几何尺寸法保证计量精度，而其仪表系数只能通过实流标定获得，且实验测试介质应与被测介质相同。比如测量蒸汽的仪表必须使用蒸汽进行标定，才能够完全满足精确计量的要求，而实际上因其成本太高，国内只有极少生产厂家能够做到。

在计量装置设计选型时，一定要结合流体特性和计量数据的应用精度需要，按照经济合理的原则，选用满足计量要求的产品。

2.4 流量计量数据的应用

企业内部蒸汽计量的主要问题反映在用能单位的工序能耗指标“偏高”，这主要源于对蒸汽特殊性质的不了解，在认识上混淆了流量值与热值的概念。计量数据是流量值，而实际上蒸汽作为载能工质，用户使用的是水蒸气所携带的热能，而不同的温度、压力状态，能量差距很大。参照有关文献中的经验数据，在压力为0.8 MPa、温度为200 ℃条件下的过热蒸汽，每公斤所含的热能为2 838.6 kJ；在压力0.8 MPa、温度为220 ℃的条件下的过热蒸汽，每公斤所含的热能为2 884.2 kJ，二者相差1.6%。因此，用蒸汽流量来评估生产能力或消耗指标显然不尽合理。

以热能作为蒸汽的核算单位，采用能量计量的定量评估方式，已成为学术界和广大蒸汽的生产企业和用户的共识。目前计量行业正在研讨出台相关标准以进一步科学规范蒸汽计量，成熟后将率先在企业内部推行，以验证蒸汽的能量计量在技术层面上是可行的，为推动蒸汽以能量计量为贸易计量单位的转变奠定基础。

3 蒸汽计量方案设计经验

3.1 选型设计原则

（1）准确识别生产工艺过程的测控要求，转化为测量过程的计量要求。包括测量范围、准确度等级等等。

（2）现场仪表要符合计量要求，充分考虑现场环境的影响，尽量选择易于维护、性能指标好、制造品质性价比高的可靠产品。

（3）补偿功能完备且补偿的算法符合相关标准。

（4）具有较宽的测量范围，能够最大可能的优于或接近于生产工况变化区间。

（5）具有历史数据存储、事件报警等管理功能。

（6）具有多种网络接口，能提供使用多种通讯协议的软件。

3.2 节流装置的选择

目前，标准孔板作为传统节流件的流量测量装置，在冶金企业蒸汽计量应用中的占比很大，主要是因为节流式流量计技术较为成熟，是按照标准（ISO 5167—2003E、GB/T 2624—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》）设计、制造的，无须实流标定，且具有结构简单、耐高温、使用寿命长、稳定可靠等优点，至今没有任何一种流量计可与之相比拟。如果具备安装条件，或在后期维护不受现场条件辖制的情况下，应为首选。但其不足之处是流量测量范围小，压损大，测量精度普遍偏低，安装复杂以及容易堵、漏、冻等问题，不能够满足高精度测量应用需求，且维护成本较高。

随着计量检测技术的快速发展，兼有传统节流件的优点又能克服其缺点的一体化标准喷嘴应运而生，其独有的检测元件结构和流体测控原理成为一种稳定、可靠、免维护并有标准依据的流量测量方法，在目前工业蒸汽生产和贸易结算中应用最为广泛。

一体化标准喷嘴的结构较孔板更适用于蒸汽计量，其喷嘴的入口为光滑曲面，压损小，流出系数稳定，JJG640-94《差压式流量计检定规程》规定其检定周期为4 年，是标准孔板周期时长的4 倍。尤其是节流装置和差压变送器采用一体化制作，并采用了防冻隔离技术，因此可能的泄漏点少、维护量很小。选用配置智能型差压变送器，流量测量范围度可达10：1，能够完全满足冶金企业蒸汽介质高温高压、状态变化的实际工况条件。

3.3 二次仪表的配备

蒸汽流量计量二次仪表大多采用流量计算机类产品。流量计算机具有补偿运算、数据显示存储以及网络通讯的功能，对节流式流量计的流出系数C、流束可膨胀系数ε、压缩系数Z 等参数作为动态量进行实时逐点运算。国内外知名品牌的流量计算机，技术和功能性更强一些，针对蒸汽介质的实际工况和不同的节流装置类型，建立有多种数学模型和相应的计算软件，且都是依据有关国际标准与建议、国家标准或行业标准，在实际工作中可以选配实现温度、压力、湿度、密度等的高精度补偿运算。

为了保证测量的准确度，选用的流量计算机软件必须通过国家权威部门的认证。