在我廠熱力管網(wǎng)中，蒸汽流量測量不準(zhǔn)確是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，而蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量，多年來一直是儀表人所追求的目標(biāo)，但是由于蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽，其性質(zhì)的復(fù)雜性，目前人們還沒能建立一個純理論的狀態(tài)方程來準(zhǔn)確計(jì)量蒸汽。由于蒸汽高溫高壓的特殊性質(zhì)，因此能用于流量測量的儀表目前只能限制在少數(shù)種類的流量儀表上，主要有：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)(高溫高壓蒸汽流量計(jì))；非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)；渦街流量計(jì)；旋翼式流量計(jì)；金屬浮子流量計(jì)等。其中渦街、浮子、旋翼流量計(jì)因?yàn)槭艿綔囟?、口徑、精度等限制，所以主流儀表還屬于標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)，通過對我廠已有測量手段和計(jì)算方法進(jìn)行分析，結(jié)合全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目”的蒸汽測量儀表的具體情況，針對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)在蒸汽流量測量中準(zhǔn)確度問題進(jìn)行討論。。
1、影響蒸汽流量測量的主要因素
1.1 測量元件
一次測量元件孔板的入口銳邊磨損、積污，節(jié)流件前后直管段內(nèi)結(jié)垢、粗糙程度改變等。
1.2 測量管
對測量管沒有按規(guī)定要求去做，安裝測量元件時(shí)直管不符合要求、內(nèi)徑D數(shù)值不準(zhǔn)確等。
1.3 密度
對密度的計(jì)算不準(zhǔn)確，我廠大部分蒸汽儀表測量是用DCS里的氣體補(bǔ)償方式、或用智能流量二次儀表的氣態(tài)方程來計(jì)算蒸汽的密度，再有就是根據(jù)工藝車間提供的數(shù)據(jù)直接做為蒸汽密度的參考值，雖然測量系統(tǒng)或多變量變送器（Honeywell SMV3000系列）有壓力溫度補(bǔ)償，但因?yàn)橛?jì)算公式或組態(tài)軟件使用不正確，使補(bǔ)償失準(zhǔn)。
1.4 相關(guān)系數(shù)
有的實(shí)際工作流量不在界限雷諾數(shù)范圍內(nèi)，使得流出系數(shù)C（或流量系數(shù)a）不再是一個恒定的常數(shù)，而DCS或智能一次表中又無修正功能，只能按常數(shù)計(jì)算，從而帶來測量誤差。
1.5 量程
有的儀表量程選用不合理，工作區(qū)經(jīng)常在滿量程的50%甚至20%以下，從而使相對誤差變大。
2、原因分析
2.1 節(jié)流元件磨損、臟污、變形
由于我廠的節(jié)流裝置大部分采用高溫高壓蒸汽流量計(jì)作為一次測量元件，因此孔板的好壞就成了影響計(jì)量準(zhǔn)確度重要因素之一。在實(shí)際使用中孔板入口邊緣的易磨損、氣蝕、前端面積污等，都是不易克服的缺點(diǎn)，由于節(jié)流裝置的計(jì)算數(shù)據(jù)是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下得到的，如果裝置中節(jié)流元件的實(shí)際條件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)條件或偏離規(guī)定，必然會帶測量結(jié)果的誤差。
2.2 測量管
測量管是節(jié)流裝置的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)尺寸對流體流動狀態(tài)有重要的影響，流體流經(jīng)諸如彎頭、閥門、縮徑管、擴(kuò)徑管等阻流件后，會產(chǎn)生速度畸變、旋轉(zhuǎn)流及非定常流，由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的各項(xiàng)參數(shù)是在充分發(fā)展管流、無旋轉(zhuǎn)流以及定常流的參考工作條件下實(shí)驗(yàn)得出的，如果不滿足規(guī)定的條件，就會造成流出系數(shù)偏離正常值，影響測量準(zhǔn)確度。當(dāng)然要在現(xiàn)場裝置使用中完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的條件，也是不現(xiàn)實(shí)的，但我們應(yīng)盡量在安裝過程中，*大化的向標(biāo)準(zhǔn)條件靠攏，力求測量誤差*小。
在我廠許多裝置中我發(fā)現(xiàn)，有的節(jié)流件上下游直管段不滿足要求，不管節(jié)流裝置的具體情況，例如彎頭，三通的數(shù)量及分布情況，直管段上縮、擴(kuò)管的情況，以及閥門的開度等情況，大部分采取前10D后5D的安裝，甚至小于前10D后5D的安裝。關(guān)于直管段內(nèi)徑D的數(shù)據(jù)，按規(guī)定應(yīng)該采取實(shí)測值，而實(shí)際情況是都沒有實(shí)測量D值，有的采用工藝提供的數(shù)據(jù)，有的是查以前資料，甚至有的用公稱通經(jīng)代替D值作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，從而使一開始計(jì)算書就有誤差。
關(guān)于測量管內(nèi)表面粗糙度對測量的影響是*為復(fù)雜的，也*易被忽略，特別是投用時(shí)間比較長的情況下，管內(nèi)的結(jié)垢，磨蝕等都會使粗糙度遠(yuǎn)差于新投用時(shí)的情況。即使是新安裝的管道，如果粗糙度達(dá)不到要求，都應(yīng)該進(jìn)行加工以達(dá)到規(guī)定的要求。即使是管流已達(dá)到充分發(fā)展管流時(shí)，粗糙度對流體仍是有影響的，見圖1。
圖1光滑管與粗糙管的流速分布
從圖1中可以看出：粗糙管的流速分布與光滑管是有區(qū)別的，因此流出系數(shù)也不會相同。我廠大部分的蒸汽測量管都是直接用工藝管道，沒有在定貨時(shí)與節(jié)流裝置整體加工，投用時(shí)粗糙度是否合乎要求也無從知道，況且經(jīng)過多年的運(yùn)行也沒有進(jìn)行過檢查和清理，粗糙度對測量準(zhǔn)確度的影響肯定是存在的。
2.3 密度計(jì)算
對于蒸汽的流量測量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，但是由于對蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在實(shí)際工作中往往存在一些不正確的做法。
蒸汽是比較特殊的介質(zhì)，一般情況下所說的蒸汽是指過熱蒸汽。而過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。其中絕不含液滴或液霧，屬于實(shí)際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數(shù)是兩個獨(dú)立參數(shù)，其密度應(yīng)由這兩個參數(shù)決定。
過熱蒸汽在經(jīng)過長距離輸送后，隨著溫度、壓力的變化，特別是在過熱度不高的情況下，會因?yàn)闊崃繐p失溫度降低而使其從過熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)。轉(zhuǎn)變成飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽容易凝結(jié)，在傳輸過程中如有熱量損失，蒸汽中便有液滴或液霧形成，俗稱溫蒸汽（其質(zhì)量一般用干度這一參數(shù)來表示，干度是指單位體積飽和蒸汽中干蒸汽所占的百分?jǐn)?shù)）。這時(shí)它已不屬于嚴(yán)格意義上的氣體，其密度也發(fā)生了很大變化。所以，不同狀態(tài)下不能用同一氣體狀態(tài)方程來描述。
在日常的流量測量中，大家往往只重視差壓信號的準(zhǔn)確與否，并常常使用高精度的差壓變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位。其實(shí)這個問題只要看一看節(jié)流裝置流量方程就非常清楚了，流量方程為：
qm=k(2△p·p)1/2
式中
qm-質(zhì)量流量，kg/s
C-流出系數(shù)；
ε-可膨脹性系數(shù)；
β-直徑比，d/D；
d-工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D-工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
△P-差壓，Pa；
P-流體密度，kg/m3。
從上式中我們可以看出差壓與密度在測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流量測量的影響，因此往往不重視對密度的認(rèn)真研究和分析。
我們知道：對氣體流量的測量，如果沒有溫壓補(bǔ)償，測量結(jié)果是不準(zhǔn)確的。因此無論是以前的電III型儀表，還是近些年廣泛使用的智能儀表、DCS，乃至到去年我廠新安裝的多變量儀表（HoneyWellSMV3000），都有不同的補(bǔ)償方式。為求得準(zhǔn)確的氣體狀態(tài)方程，經(jīng)多年努力，仍沒有一個統(tǒng)一的氣體狀態(tài)方程，只有眾多的實(shí)際氣體狀態(tài)方程。而本文所討論的蒸汽就有專用的方程，主要是因?yàn)檎羝诠ぷ鬟^程中有物質(zhì)狀態(tài)的變化，與理想的氣體的性質(zhì)有很大的差別，它的物體參數(shù)比理想氣體要復(fù)雜，不能用簡單的數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出來。而實(shí)際生產(chǎn)中，蒸汽流量密度的計(jì)算，大多數(shù)采用的恰恰是簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式。但由于使用測量的儀表不統(tǒng)一，僅智能流量二次表就有不同的型號，對密度的計(jì)算也各不相同，加上DCS，多變量等儀表的計(jì)算方式也不盡相同，造成密度計(jì)算的不準(zhǔn)確，因此對蒸汽流量測量的影響不亞于用一臺精度差的差壓變送器帶來的誤差。
2.4 相關(guān)系數(shù)的影響
流出系數(shù)C的定義是：通過節(jié)流裝置的實(shí)際流量與理論流量之比，將這個比值應(yīng)用到理論方程中，以獲得實(shí)際的流量。在一定的安裝條件下給定的節(jié)流裝置，C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)。
在節(jié)流裝置計(jì)算書中，根據(jù)提供的工藝條件計(jì)算出的C值是一個固定值，在DCS或智能二次表中都將流出系數(shù)C作為固定值參與流量計(jì)算，而實(shí)際上流出系數(shù)C只有雷諾數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)才可視為常數(shù)，實(shí)際使用時(shí)當(dāng)雷諾數(shù)不在這個范圍時(shí)，流出系數(shù)C就不能視為常數(shù)。特別是當(dāng)小流量時(shí)，隨著雷諾數(shù)變小，流出系數(shù)C將較大的變化，流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系如下圖2：
雷諾數(shù)Re
圖2流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系圖
從圖2中可以看出：只有雷諾數(shù)Re≥104時(shí)，流出系數(shù)C才可以為是一個常數(shù)。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)Re=103時(shí)（β=0.6），附加誤差可達(dá)-19%，而當(dāng)Re=250時(shí)附加誤差增加到-26%。在實(shí)際測量中，由于流量變化而使雷諾數(shù)小于界限值的情況時(shí)有發(fā)生。我廠熱電車間某蒸汽流量，*小可達(dá)1t/h，而*大時(shí)可達(dá)28T/h，實(shí)際量程比達(dá)到了28:1。在低限流量時(shí)流出系數(shù)將變化很大，如果不進(jìn)行修正，仍按計(jì)算書的C值來計(jì)算流量，會帶來較大的誤差。在我廠大部分DCS和二次儀表中，都沒有對流出系數(shù)C的修正功能，由此可見流出系數(shù)對測量系統(tǒng)的影響是普遍存在的。
實(shí)際上，孔板從安裝使用*一天開始，嚴(yán)格上講，它的入口銳邊就開始經(jīng)歷由尖銳到平鈍的一個變化過程，只不過這種變化極為緩慢人們不易察覺，或者說對儀表準(zhǔn)確度的影響是一個從小到大的緩慢過程，常常不會被人注意。如果被測介質(zhì)是高流速的流體，影響可能會更為顯著。根據(jù)某專業(yè)雜志報(bào)道，在流體高速臟污的場合，流出系數(shù)C變化百分之十幾也不足為奇，而我廠使用的孔板*長達(dá)上10年，短的也用了3、4年時(shí)間，因此流出系數(shù)C問題帶來的測量誤差是可想而知的。
2.5 儀表量程設(shè)置
在全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目施工中，我逐漸發(fā)現(xiàn)，有部分車間的選用的儀表量程過大，使儀表經(jīng)常工作在量程的50%甚至20%以下，這樣就造成了相對誤差變大后果。我們都知道，一般儀表的準(zhǔn)確度等級都用引用誤差表示的，其實(shí)引用誤差是一種簡化的相對誤差。若儀表的準(zhǔn)確度等級為0.2、0.5或1.0級，所標(biāo)明的是儀表的引用誤差不能超過的界限，也就是說合格儀表*大引用誤差不會超過0.2%、0.5%、1.0%，而不能認(rèn)為它的各刻度點(diǎn)上的示值都具有0.2%、0.5%、1.0%，的準(zhǔn)確度。
設(shè)一臺儀表的準(zhǔn)確度為S%，量程為0～Xn，測量點(diǎn)為X，相對誤差應(yīng)按下式求得：
相對誤差≤Xn/X×S%。
如果這臺儀表的量程是0～150，準(zhǔn)確度是0.5，用上式計(jì)算測量點(diǎn)75、50、30、15的相對誤差分別為：1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可見，當(dāng)測量值越接近滿度值，其準(zhǔn)確度越高。這就是我們在選用儀表量程時(shí)，盡可能在儀表的上限值處鄰近或2/3量程以上的原因。
3 、解決的方法
3.1 節(jié)流元件改用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴
對于大多數(shù)節(jié)流件孔板入口磨損及臟污等問題，我們應(yīng)該選用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。由于噴嘴入口是一個光滑的曲面，它的抗磨損、抗積污、抗變形程度遠(yuǎn)好于孔板，流出系數(shù)穩(wěn)定性也比孔板好，在相同流量和相同β值條件下，阻力損失也比孔板小的多（只有孔板的30%～50%），而且它的檢定周期為4年，大大減少了維護(hù)費(fèi)用。
3.2 節(jié)流裝置整套加工
對于測量管的影響問題，應(yīng)該采取指定專業(yè)生產(chǎn)廠家，統(tǒng)一加工節(jié)流件，統(tǒng)一加工法蘭、直管段，統(tǒng)一開壓力溫度取樣點(diǎn)，統(tǒng)一加工冷凝罐，統(tǒng)一整體組裝。這次全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目中，有許多節(jié)流裝置就采用了這種辦法進(jìn)行定貨，雖然造成了費(fèi)用高了一些，但是由于測量準(zhǔn)確度的提高，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多花的費(fèi)用的。
3.3 采用正確公式計(jì)算密度
關(guān)于密度的計(jì)算，針對計(jì)算公式不統(tǒng)一的問題，我們這次全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目中，統(tǒng)一采用了美國HoneyWell公司的SMV3000系列多變量儀表，而且蒸汽的測量信號（差壓、壓力、溫度）先進(jìn)入SMV3000儀表進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算后的流量信號再根據(jù)需要送至DCS或全廠計(jì)量儀表系統(tǒng)進(jìn)行顯示，累積。
3.4 量程選用盡量合理
關(guān)于量程選用的問題，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，在滿足工藝要求的前提條件下，盡量使儀表工作在滿量程的2/3以上。但因有些生產(chǎn)工藝的特殊性，在低流量下運(yùn)行的情況還是存在的。
4 、效果評價(jià)
全廠蒸汽流量儀表在改造以前，熱電車間與工藝車間的蒸汽計(jì)量誤差在10%～20%之間，改造后，經(jīng)過儀表專業(yè)技術(shù)人員的努力，蒸汽計(jì)量誤差已經(jīng)小于6%，效果還是比較理想的。
由于目前使用流量儀表測量蒸汽流量，由于被測介質(zhì)的特殊性，對于相流經(jīng)常變化的蒸汽，肯定會存在測量不準(zhǔn)確的情況，而解決這一問題的根本辦法是開發(fā)一種可測兩相流動介質(zhì)的流量儀表。我相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，提高測量水平的呼聲越來越高，因此針對生產(chǎn)實(shí)際情況，做一些細(xì)致的技術(shù)工作，一定會探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。

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