標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在蒸汽計(jì)量上的應(yīng)用分析

 

前言

        蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)中重要的工藝介質(zhì)和二次能源，也是城鎮(zhèn)市政供熱中主要的供熱介質(zhì)。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，蒸汽用量與日俱增，蒸汽消耗量成為生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)考核的重要指標(biāo)，蒸汽的準(zhǔn)確計(jì)量尤為重要，在廣泛使用的蒸汽計(jì)量器具中，由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成的差壓流量計(jì)和渦街流量計(jì)是蒸汽計(jì)量器具的主流選擇。

 

        節(jié)流裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、成本較低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，按照標(biāo)準(zhǔn) GB /T 2624－2006設(shè)計(jì)、制造的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，wuxu進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定就能得到較高的測(cè)量精度，節(jié)流裝置也存在測(cè)量范圍小、壓力損失大、檢定周期短等不足。渦街流量計(jì)受工作原理、敏感元件和結(jié)構(gòu)的局限，在被測(cè)流體在溫度、壓力高于一定數(shù)值時(shí)，管道或環(huán)境振動(dòng)較大時(shí)，使用渦街流量計(jì)測(cè)量存在困難［1］; 渦街流量計(jì)的檢定，要放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，不僅拆裝、搬運(yùn)、送檢費(fèi)事，而且要將流量計(jì)停用較長(zhǎng)時(shí)間，檢定成本和時(shí)間成本較高; 渦街流量計(jì)的成本，在儀表口徑增大時(shí)上升明顯，尤其是在流體溫度較高( T＞300 ℃ ) 時(shí)，價(jià)格劣勢(shì)尤為明顯。因此渦街流量計(jì)在上世紀(jì) 70 年代投入工業(yè)應(yīng)用。

 

至今，雖然占領(lǐng)了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的部分市場(chǎng)，但在高溫、高壓流體，管徑較大的測(cè)量對(duì)象和環(huán)境振動(dòng)較大的場(chǎng)合，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置仍是不可替代的，尤其是熱電等行業(yè)仍然普遍使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。

 

1 蒸汽密度

1. 1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量流體流量一般原理

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量流體流量一般原理表達(dá)式為［2］:

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式中: qm 為質(zhì)量流量，kg /s; C 為流出系數(shù); ε1 為可膨脹系數(shù); d 為節(jié)流件的開(kāi)孔直徑; ΔP 為差壓; ρ1為被測(cè)流體密度; β 為直徑比，β = d /D，D 為管道內(nèi)徑。在式( 1) 中，β 和 d 為常數(shù)，C 和 ε1 在一定的流量范圍之內(nèi)也可看作常數(shù)，因此式( 2) 可簡(jiǎn)化為:

@@@@@@@@@@@@@@@@@@

從式( 2) 可清楚看出，儀表示值同 ρ1 密切相關(guān)。而蒸汽工況( 溫度 t，壓力 P) 的變化，必然使 ρ1 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置必須與用以求取蒸汽密度的工況測(cè)量?jī)x表配合，并同計(jì)算部分一起組成蒸汽質(zhì)量流量計(jì)，才能保證測(cè)量精que度。

 

1. 2 蒸汽密度求取方法

水蒸汽的物理性質(zhì)與理想氣體大不相同，不能采用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行密度補(bǔ)償，需先求取蒸汽密度再做密度補(bǔ)償。蒸汽密度的求取方法歸納起來(lái)主要是采用數(shù)學(xué)模型法和計(jì)算機(jī)查表法兩類［3］。

( 1) 數(shù)學(xué)模型法

1、 一次函數(shù)法。這種方法的顯著特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，適用飽和蒸汽，其表達(dá)式為:

ρ = AP+B ( 3)

式中: ρ 為蒸汽密度，kg /m3; P 為蒸汽覺(jué)對(duì)壓力，MPa; A、B 為系數(shù)和常數(shù)。

式( 3) 不足之處是僅在較小的壓力范圍內(nèi)變化適用，壓力變化范圍較大時(shí)，由于誤差太大，就不適用了。因?yàn)閷?duì)于飽和蒸汽來(lái)說(shuō)，ρ = f( P) 是一條曲線，用一條直線擬合它，范圍越大，當(dāng)然誤差越大。解決這個(gè)矛盾的方法是分段擬合，即在不同的壓力段采用不同的系數(shù)和常數(shù)。表 1 所示為不同壓力段對(duì)應(yīng)的不同密度計(jì)算式［4］。

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②用指數(shù)函數(shù)擬合密度曲線。使用較多的是式( 4) 描述的是一條曲線，用它來(lái)擬合飽和蒸汽ρ = f( P) 曲線能得到更高的精度，但是在壓力變化范圍較大的情況下，仍有千分之幾的誤差。

 

③狀態(tài)方程法。狀態(tài)方程法用于計(jì)算過(guò)熱蒸汽密度，其中著名的有烏卡諾維奇狀態(tài)方程和莫里爾狀態(tài)方程，狀態(tài)方程的計(jì)算公式較為復(fù)雜，在儀表常用數(shù)據(jù)手冊(cè)及其他相關(guān)書籍資料中均有描述，這里不做贅述。

 

( 2) 計(jì)算機(jī)查表法

        現(xiàn)在國(guó)際上通用的蒸汽密度表是根據(jù)“工業(yè)用1697 年 IFC 公式”計(jì)算出來(lái)的。根據(jù)現(xiàn)有的過(guò)熱蒸汽密度表，查取與溫度、壓力相對(duì)應(yīng)的過(guò)熱蒸汽密度，對(duì)于蒸汽密度表中兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)內(nèi)插法處理確定。

 

        表 2 的過(guò)熱蒸汽密度表中，將壓力以 0. 1 MPa 為間距劃分 5 個(gè)區(qū)間，將溫度以 10℃為間距劃分為 7 個(gè)區(qū)間，在壓力、溫度區(qū)間內(nèi)可采用線性內(nèi)插法計(jì)算求取蒸汽密度。例: 過(guò)熱蒸汽實(shí)測(cè)壓力為 2. 82 MPa，實(shí)測(cè)溫度為 282 ℃，求取過(guò)熱蒸汽密度。

 

寬量程比計(jì)量方案

        蒸汽消耗受熱負(fù)荷變化制約，流量變化范圍廣，有時(shí)甚至只有滿量程的百分之幾，如果要保證差壓式流量計(jì)在蒸汽計(jì)量全量程范圍內(nèi)的測(cè)量精度，必須想辦法擴(kuò)大差壓式流量計(jì)的量程比。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量范圍不理想，這主要是由其測(cè)量原理決定的，即為了獲得±1% 的流量測(cè)量精度，如果選用的是 0. 075 精度等級(jí)的差壓變 送 器，只有當(dāng)差壓大于 3. 75% ，即 流 量 小 于19. 36% FS 時(shí)，才能保證精que度。

 

        差壓變送器，其差壓低端的示值誤差無(wú)法進(jìn)一步減小的原因是其精que度并非可以任意確定，而且受膜盒面積、環(huán)境溫度以及長(zhǎng)期漂移等因素制約，為了提高相對(duì)流量較小時(shí)的差壓測(cè)量精度，另外增設(shè)一臺(tái)低量程差壓變送器是一個(gè)行之有效的方法。

 

        例如，有一蒸汽流量測(cè)量對(duì)象，#大流量 100t /h，#小流量 3t /h，常用壓力 1. 1MPa，常用溫度 250℃，公稱通徑 DN500，高量程差壓變送器測(cè)量范圍: 0 ～100kPa，低量程差壓變送器測(cè)量范圍: 0 ～ 3. 75kPa。兩臺(tái) 0. 075 級(jí)精que度等級(jí)的差壓變送器，在雙量程流量演算器的配合下，選定合適的高低量程切換點(diǎn)，在流量量程 3 ～ 100% 范圍內(nèi)。

 

噴嘴

        目前蒸汽計(jì)量應(yīng)用中普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是標(biāo)準(zhǔn)孔板，標(biāo)準(zhǔn)孔板的入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，國(guó)內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)孔板連續(xù)使用 2－3 個(gè)月時(shí)，鈍化引起的流出系數(shù)偏度在 1－3% ，個(gè)別嚴(yán)重的在 4% 以上，測(cè)量誤差明顯增大。

 

        解決 標(biāo) 準(zhǔn) 孔 板 鈍 化 問(wèn) 題 的 # 好方法是采用ISA1932 噴嘴，如圖 1 所示，ISA1932 噴嘴的入口為光華曲面，不易磨損，流出系數(shù)非常穩(wěn)定，JJG640 －2016檢定規(guī)程規(guī)定 ISA1932 噴嘴的檢定周期為 4 年，而標(biāo)準(zhǔn)孔板檢定周期為 2 年［6］。再者，噴嘴在相同流量和相同 β 值條件下，永久壓力損失比孔板小得多，僅為孔板的 50 ～ 60% ，有利于減小能耗。長(zhǎng)期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、高壓、高流速的蒸汽介質(zhì)。

 

結(jié)語(yǔ)

        由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成的差壓式流量計(jì)，在蒸汽計(jì)量應(yīng)用中需將經(jīng)典技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，合理地選用流量計(jì)算機(jī)和 ISA1932 噴嘴，實(shí)現(xiàn)蒸汽工況密度實(shí)時(shí)計(jì)算和在線補(bǔ)償功能，克服傳統(tǒng)節(jié)流裝置量程比小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短等缺點(diǎn)，以滿

足蒸汽計(jì)量寬量程、高精度和低能耗的新要求。實(shí)踐證明，上述計(jì)量器具配備方案在蒸汽計(jì)量應(yīng)用中已日趨成熟，并在石化、化工、熱電、冶金以及城市供熱等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。