蒸汽流量計量方法及其器具配備方案的研究

作者：金湖聯(lián)儀自控設(shè)備有限公司

[摘要] 蒸汽流量計量一直是流量測量中的難點問題，為更好地貫徹執(zhí)行新發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》，本文從分析蒸汽流量計量技術(shù)現(xiàn)狀入手，結(jié)合目前企業(yè)計量管理需求特點，提出了一套已經(jīng)獲得成功應(yīng)用的蒸汽流量計量器具配備方案。

[關(guān)鍵詞] 蒸汽計量節(jié)流裝置密度一體化噴嘴流量計算機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

1、前言

蒸汽作為重要的二次能源，廣泛用于采暖、制冷、生產(chǎn)工藝用熱中作載熱工質(zhì)，所以提高蒸汽的生產(chǎn)、輸送及使用效率可以節(jié)約大量的能源。準(zhǔn)確的計量是提高能源管理水平的關(guān)鍵。由于蒸汽的特殊性，在計量方面存在諸多困難，長期以來一直是流量測量中的老大難問題。2007年1月1日國家標(biāo)準(zhǔn)GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》已經(jīng)正式實施，在通則的指導(dǎo)之下，逐步建立一套適合我國生產(chǎn)企業(yè)特點，具有科學(xué)性，經(jīng)濟性，實用性的蒸汽計量儀表的配備方案，是當(dāng)前能源計量管理的緊迫課題。

2、蒸汽流量計量面臨的問題

為便于討論，我們先列出以下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量方程：

式（1）

式中： Qm——蒸汽質(zhì)量流量，單位；

C—流出系數(shù)；

d—工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔或喉部直徑，單位；

2.1關(guān)于蒸汽密度問題

對于蒸汽的流量測量，人們都知道要進行壓力和溫度補償，但是由于對蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在整個一套測量系統(tǒng)中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準(zhǔn)確與否，并肯花大力氣盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位。其實這個問題只要看一看節(jié)流裝置流量方程就非常清楚。

從式（1）中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。目前流量類二次顯示儀表（系統(tǒng)）中，蒸汽流量密度的計算，大多數(shù)采用的是簡單的數(shù)學(xué)表達式或查表法，它們的計算精度是值得懷疑的。

工程上應(yīng)用的水蒸汽大多處于剛剛脫離液態(tài)或離液態(tài)較近，它的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應(yīng)視為實際氣體。水蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜的多，故不能用簡單的數(shù)學(xué)式子加以描述。我國沒有制定“水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表”的國家標(biāo)準(zhǔn)，而是采用國外出版物的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表。第六屆國際水蒸汽性質(zhì)會議成立的國際公式化委員會IFC(International Formulation Committee)制定了用于計算水和水蒸汽熱力性質(zhì)的IFC公式，并在此基礎(chǔ)上不斷制定新的計算公式，為大家所熟悉的就是“工業(yè)用1967年IFC公式”（簡稱IFC-67公式）。我國曾翻譯過美國的、前蘇聯(lián)的、西德的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表，不管是哪個國家的水蒸汽性質(zhì)表，凡符合IFC1967公式的數(shù)表，都是正確的。目前我國有關(guān)的規(guī)程已引用了該公式。

隨著工程技術(shù)以及科學(xué)研究水平的不斷提高，對水和水蒸汽熱力性質(zhì)計算精度和速度要求不斷提高，IFC-67公式存在的諸如計算精度低、計算迭代時間長、適用范圍窄的缺陷也就越來越明顯起來。因此，在1997年德國Erlangen召開的水和水蒸汽性質(zhì)國際聯(lián)合會（IAPWS）通過并發(fā)表了由德、俄、英、加等7國12位科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出的一個全新的水和水蒸汽計算模型，即IAPWS-IF97公式。這兩公式在使用范圍、區(qū)域劃分、計算精度上也有一定區(qū)別，但在工業(yè)蒸汽流量測量常用范圍內(nèi)（溫度0℃--600℃，壓力0.1MPa—5MPa）,兩公式計算結(jié)果偏差極小。

2.2關(guān)于寬量程的問題

我們都知道，一般儀表的準(zhǔn)確度等級都是用引用誤差表示的，而引用誤差是一種簡化的和實用方便的相對誤差，是儀表在量程處的相對誤差。因此當(dāng)測量值越接近滿度值，其精確度才越高。但在蒸汽流量計量中，尤其是蒸汽輸送場合，實際的流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定，實際上流量計往往工作在量程的下限，甚至超出量程下限，這樣就造成了相對誤差變大的后果。因此在設(shè)計蒸汽流量計量系統(tǒng)時，應(yīng)考慮使用寬量程的流量計或具有寬量程補償?shù)南到y(tǒng)。

智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計成為可能。歸納起來它應(yīng)具備三個條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2.差壓變送器與流量計算機之間數(shù)字通訊（Hart協(xié)議）除能滿足全量程差壓信號傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動遷移測量范圍。3.流量計算機不僅可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)對工況流量進行修正，還可以實時計算流出系數(shù)C、流速可膨脹性系數(shù)ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準(zhǔn)確度同時，流量測量范圍可真正達到10：1(或更寬)，節(jié)流式流量計的這一飛躍是多項技術(shù)進步的成果，它改變著人們對節(jié)流式流量計的傳統(tǒng)認(rèn)識。

2.3關(guān)于能量計量問題

熱能是一個狀態(tài)參數(shù)，不同狀態(tài)、等質(zhì)量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如：在壓力為0.8Mpa、溫度為200℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2838.6千焦；在壓力0.8Mpa溫度為220℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2千焦，二者相差1.6%。所以，以質(zhì)量為蒸汽的結(jié)算單位不能真實反映蒸汽的價值。針對上述情況，以能量作為蒸汽的結(jié)算單位，已不僅是學(xué)術(shù)界的共識，而且也得到了廣大蒸汽的生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)，呼吁國家出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以進一步科學(xué)的規(guī)范蒸汽計量，并考慮到人們多年使用蒸汽質(zhì)量為交結(jié)單位的習(xí)慣，作為一種過渡，仍應(yīng)保留以質(zhì)量為蒸汽結(jié)算單位。改動貿(mào)易計量單位是一個較復(fù)雜的問題，但先在企業(yè)內(nèi)部推行蒸汽的能量計量在技術(shù)層面上是可行的，在管理層面將是一項十分有益的實踐。

2.4關(guān)于現(xiàn)有系統(tǒng)改造的問題

目前企業(yè)的生產(chǎn)裝置自動化水平越來越高，多數(shù)采用DCS或PLC系統(tǒng)作為監(jiān)視和控制系統(tǒng)，企業(yè)的計量點也多融入到整個系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中，對于蒸汽流量的補償計算模型在軟件程序上是存在不足的，如果修改這些系統(tǒng)的程序存在著技術(shù)力量限制和影響整個系統(tǒng)實時性、整體性、安全性的危險，大多數(shù)企業(yè)是不愿意動DCS的程序的。因此，在計量改造中，我們需要找到一種既能滿足計量準(zhǔn)確的要求，又不破壞整個儀表控制系統(tǒng)框架，與DCS或PLC有很好融合性，適合于數(shù)據(jù)上網(wǎng)的方案。

3、蒸汽流量計量儀表配備方案

3.1我們應(yīng)該有一個什么樣的蒸汽計量系統(tǒng)？

要做好蒸汽計量，我們首先應(yīng)該回答“我們應(yīng)該有一個什么樣的蒸汽計量系統(tǒng)？”這樣一個問題。我們認(rèn)為，一個合理、先進的蒸汽計量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征：

（1）現(xiàn)場儀表符合準(zhǔn)確度要求、免維護、故障率低，穩(wěn)定性好（檢定周期可以較長）。

（2）補償完善且補償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）具有能量計量的功能。

（4）具有較寬的量程。

（5）具有歷史數(shù)據(jù)存儲、事件報警等管理功能。

（6）便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

3.2一次儀表配備方案

我們推薦的蒸汽流量計量一次儀表是YJLB一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進行溫度、壓力補償。

節(jié)流式流量計在蒸汽計量中占有重要的地位。節(jié)流式流量計技術(shù)成熟，特別是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn)（ISO5167-2003E、GB/T2624-1993）設(shè)計、制造就無須實流標(biāo)定，是其它流量計無法比擬的。在蒸汽測量研究上，國內(nèi)外學(xué)者用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進行了大量的試驗，給出了修正的數(shù)學(xué)模型，所以采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測量蒸汽有明顯的優(yōu)越性。實際上，目前我國占蒸汽用表90%以上的仍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置。因此我們采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。之所以選則噴嘴而不是孔板，原因如下：

標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，據(jù)悉國內(nèi)有關(guān)部門曾對新裝孔板進行跟蹤校驗，在孔板連續(xù)使用2—3個月時，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1—3%，各別嚴(yán)重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問題的最好方法是采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損（見圖1）。它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，所以JJG640-94規(guī)程規(guī)定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多(僅為孔板的50-60%)，長期運行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點，適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。

節(jié)流式流量計的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，有較長的引壓管，容易阻塞，冬季運行還需對引壓管、冷凝系統(tǒng)進行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護工作量大。YJLB一體化噴嘴（見圖2）很好的解決了上述問題，一體化噴嘴是將節(jié)流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器（專利號：ZL200520127402.4），不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統(tǒng)，使系統(tǒng)構(gòu)成簡單，無需保溫供熱，在減少維護量的同時，也節(jié)省了能