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| 針對蒸汽流量計量存在的問題進行分析 | |||
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由于蒸汽的特殊性，在計量方面存在諸多困難，長期以來一直是我公司計量工作中的老大難問題。目前，我公司蒸汽流量測量主要采用的還是標準節流裝置(差壓式流量計)這一傳統的測量手段，常規差壓式流量計在蒸汽測量方面還有很多不足，主要體現在測量范圍小、壓損大，現場安裝、維護復雜、檢定周期短等方面。尤其是測量范圍小的缺點，在熱負荷變化大的情況下將使計量誤差大大增加。目前，通過現代技術手段，可以較好地解決這些問題。下面針對蒸汽流量計量存在的問題進行分析，并提出一套合理的蒸汽流量計量器具配備方案。
一、蒸汽流量計量面臨的問題
1.寬量程問題
我們都知道，引起差壓式流量計誤差因素雖然很多，但諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設計與施工予以保證。但在蒸汽輸送過程中，實際流量范圍往往無法準確確定，在熱負荷變化大的情況下，使流量計長時間工作在測量范圍以外，這樣就造成了很大的測量誤差。因此，在設計差壓式蒸汽流量計量系統時，應考慮使用具有寬量程補償運算功能的計量系統，對節流件流出系數C、可膨脹性系數ε等中間參數的實時計算是解決寬量程的關鍵。
差壓式流量計流量計算公式為
式中:qv——體積流量，m3/s；C——流出系數；ε——可膨脹性系數；d——節流件開孔直徑，m；；β——直徑比(β=d/D，D為管道內徑)；ρ1——被測流體密度，kg/m3；Δp——差壓，Pa。
其中:按GB/T2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》孔板流出系數C的計算式為
式中:ReD——雷諾數。
流束可膨脹系數ε的計算式為
式中:k——等熵指數；p1、p2——節流件前后的壓力，Pa。
傳統的差壓式流量計是將流出系數C和可膨脹性系數ε視為定值(C和ε由專門的節流裝置設計計算軟件計算得到)，置入現場的流量積算儀。圖1是一臺孔板流出系數曲線:
<CTSM>圖1一臺孔板流出系數曲線</CTSM>
圖1曲線表明:當ReD=3×104，C=0.6101；ReD=1×104，C=0.6176；平均值
 ，即ReD在3×104～1×104范圍內(3∶1)時，其不確定度為0.61%。
當ReD=5×104，C=0.6081；ReD=5×103，C=0.6264；平均值
 ，即ReD在5×104～5×103范圍內(10∶1)時，其不確定度為1.5%，遠不能滿足用于貿易結算的一級表對不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數ε在超測量范圍情況下，所引起的測量不確定度更不容忽視，例如，一臺角接取壓孔板流量計(D=100mm，β=0.5)測量過熱蒸汽(壓力=4MPa，溫度=400℃)，ReD在2.8×105～28×105(介質流速:5.2m/s～52m/s)范圍內，可膨脹系數ε的不確定度為3.0%。因此，要實現寬量程測量，就必須對流出系數C和可膨脹性系數ε進行實時計算。
由式(2)可以看出流出系數C的計算很復雜。相關標準給出了計算流出系數C的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復雜的中間參數的補償運算。
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差壓式流量計成為可能。歸納起來它應具備以下條件: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字通信(如Hart協議)除能滿足全量程差壓信號傳遞的準確性，而且能夠自動遷移測量范圍；3.流量計算機可根據溫度、壓力等工況參數實時計算流出系數C、可膨脹性系數ε等，從而實現對工況流量進行修正。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準確度同時，流量測量范圍可真正達到10∶1，必要時可采用具有自動切換功能的雙差壓變送器系統，以克服低差壓信號所引起的誤差，并進一步拓寬測量范圍。差壓式流量計的這一飛躍是多項技術進步的成果，它改變了人們對傳統差壓式流量計的認識。
2.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的復雜程度了解不夠，在整套測量系統中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準確與否，并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，從式(1)中可以看出，密度與差壓在測量中是處于同等地位的。和一般通用氣體相比，在計算水蒸氣流量時有3個難點:
(1)密度的確定。水蒸氣的性質與理想氣體大不相同，應視為實際氣體。蒸汽的物理性質較理想氣體要復雜得多，故不能用簡單的數學式子加以描述，在以往的工程計算中，凡涉及蒸汽的狀態參數數值，大都從蒸汽表中查出。把蒸汽參數表裝入儀表中，數據量很大。
(2)蒸汽在應用過程中由于參數的變化，會發生狀態變化。如過熱蒸汽變為飽和蒸汽，飽和蒸汽變為過熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態(是飽和蒸汽還是過熱蒸汽)，再查不同的數表或用不同的公式計算。
(3)欠飽和蒸汽含有飽和水，是兩相流。要準確測量蒸汽流量還必須知道干度。而干度測量難度很大，國外已有一些研究成果，但未見普遍推廣應用，國內目前仍處于研究階段。
通常有以下兩種蒸汽密度的確定方法:
①查表法:把蒸汽密度表裝入計算機中，根據工況的溫度、壓力，從表中查出相應的密度值。目前，流量類二次顯示儀表(系統)中蒸汽流量密度的計算，有相當數量的儀表采用的是簡單的數學表達式或單一對應查表法(只根據溫度或壓力，缺乏狀態判斷)，其準確度往往不能滿足要求。
②計算法:
a.自己擬合公式(或者出版物給出的公式)。
b.烏卡諾維奇公式。
c.IFC1967公式。
目前，我公司蒸汽計量中密度的確定方法是上述兩種情況并存:進出公司及二級單位的蒸汽計量大多采用專用二次表查表法，而二級單位內部蒸汽計量由于多數未使用專用二次表(大多在DCS上進行密度補充)，使用計算法較多，且采用的公式也未統一，計算出的密度的不確定度較大。
3.能量計量問題
我公司能源結構復雜，能源分布縱橫交錯。尤其是蒸汽，涉及多種能級，以往蒸汽流量測量采用間接式質量測量法(單位:t/h)。但是蒸汽在其生產和輸送過程中，溫度、壓力狀態的變化是難以避免的，加上季節、天氣和用戶負荷變化的影響，其品質即所含實際熱焓因輸送距離的長短而不同，這就使蒸汽計量容易失準，尤其是對蒸汽的末端用戶影響較大。不同狀態下等質量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如:在壓力0.8MPa、溫度200℃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220℃條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2kJ，二者相差1.6%。所以，以質量為蒸汽的結算單位不能真實反映蒸汽的價值。因此，以能量作為蒸汽的結算單位，也得到了廣大蒸汽的生產和使用單位的響應，呼吁國家出臺相關標準以進一步科學地規范蒸汽計量。然而，改動貿易計量單位是一個十分復雜的問題，非短時間內所能成就。但先在企業內部推行蒸汽的能量計量在技術層面上是可行的，在管理層面將是一項十分有益的實踐。針對我公司蒸汽計量現狀，通過完善蒸汽計量系統的溫壓補償并更換計量系統(二次)累計單元，可實現蒸汽計量單位由質量向能量的轉換，對我公司裝置能耗的考核也將更為科學、合理。
4.非標準差壓式流量計
為克服差壓式流量計的自身弱點，儀表研制者進行了多種嘗試，制造出了各種非標準差壓式流量計，如阿牛巴、V錐、彎管流量計等，它們各具特點。但由于它們不能像標準節流件一樣，有成熟且通行的行業標準支持，其流出系數、流束可膨脹性系數都必須通過實流標定獲得(所謂實流標定一般是指在沒有標準明確規定的情況下，被測介質和實驗介質應為同一介質，即測量蒸汽的儀表應使用蒸汽進行標定)，否則，容易產生貿易計量糾紛。我公司芳烴廠前幾年引進了一些阿牛巴流量計測量蒸汽，在解決低差壓(小流量)輸出指示的同時，卻存在著在全量程測量方面還缺少足夠的手段驗證問題，沒有從根本上解決計量糾紛。這也是非標準差壓式流量計發展、應用過程中的一個縮影。
二、蒸汽流量計量儀表配備方案
1.一套合理、先進的蒸汽計量系統應該具有以下特征
(1)現場儀表符合準確度要求、免維護、故障率低、穩定性好、檢定周期長。
(2)補償功能完善且補償的算法符合相關標準。
(3)具有較寬的測量范圍。
(4)具有歷史數據存儲、事件報警等管理功能。
(5)便于實現網絡化。
(6)具有能量計量的功能。
2.一次儀表配備方案
標準孔板的一個缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發生鈍化，在孔板連續使用2～3個月時，鈍化引起流出系數偏度在1%～3%，個別嚴重的在4%以上。目前，解決標準孔板鈍化問題的最好方法是采用標準噴嘴，同樣是按標準(ISO5167-2003E、GB/T2624-2006)設計、制造，無需實流標定，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損(見圖2)。它的流出系數非常穩定，檢定周期長達4年(孔板檢定周期是1年)。我公司蒸汽外管網流量計經過20多年的時間的長期運行，孔板老化磨損嚴重，影響了蒸汽計量數據的準確率，給公司蒸汽平衡帶來很大困難。2010年利用公司全面停車大修契機，對電廠蒸汽流量計全面改造，外管網中壓蒸汽2#、低壓蒸汽4#、5#、6#、7#、8#、10#蒸汽流量計量一次儀表均由原來的孔板更換成了一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進行溫度、壓力補償，有效提高了計量系統的測量準確度。公司大修后電廠外供蒸汽管網4#、5#、6#、7#、8#(串聯使用)計量數據由6月份的92751t上升至9月份的190953t，考慮季節因素引起的工藝生產用汽量變化，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失明顯比孔板減小(僅為孔板的50%～60%)，減小能耗，避免了供汽損失。長期運行情況表明，由于噴嘴在結構上的優勢具有耐沖擊抗變形的優點，適應于高溫、高壓、高流速介質。
<CTSM>圖2ISA1932噴嘴</CTSM>
差壓式流量計的系統構成比較復雜，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，噴嘴流量計也不例外。一體化噴嘴很好地解決了上述問題，它將節流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器，不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統，使系統構成簡單，無需保溫供熱，在減少維護量的同時，也節省了能源。
3.一體化噴嘴的特點
(1)采用標準節流件，測量準確度有依據。
(2)采用防凍隔離技術，冬季運行無須伴熱，維護量少。
(3)噴嘴節流件阻力損失小(同樣流量下為相同β值孔板的60%左右)。
(4)沒有孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數穩定，檢定周期長(2年)。
(5)配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達10∶1或更寬；雖然量程范圍仍不及渦街流量計，但其抗振性和耐高溫上限均優于渦街流量計。
(6)安裝簡便。
由于具有上述優勢特點，一體化噴嘴流量計在蒸汽計量中占有越來越重要的地位。據統計，我公司蒸汽計量用表有80%以上的仍采用標準孔板節流裝置，建議公司今后逐步將標準孔板更換成一體化噴嘴流量計。
4.二次儀表配備方案
如前文所述，由于蒸汽自身的特點和其測量過程的復雜性，蒸汽計量系統二次儀表配備應首推流量計算機式專用二次儀表。
流量計算機應具有以下功能:
(1)依據有關國際標準與建議、國家與行業標準，針對不同介質和流量計類型建立了多種數學模型和相應計算軟件，可以計算蒸汽質量流量和能量流量。
(2)對節流式流量計的流出系數C、可膨脹性系數ε等參數作為動態量進行實時逐點運算以實現寬量程。
(3)具有歷史數據存儲、報警記錄、儀表斷電、修改參數設置等審計記錄功能，即使網絡系統發生故障，流量計量數據也會存儲在其中不至于丟失。
(4)知名品牌的流量計算機所使用的流量計算軟件已通過國家權威部門認證。
(5)流量計算機具有強大的通訊功能，對現場儀表除可適配(4～20)mA信號、脈沖信號外，還可以適配HART、Modbus等數字信號；對上位機可采用包括程控電話網、以太網等方式構成計算機網絡應用系統，實現遠程監督管理和建立集散式計量管理系統。
目前，我公司蒸汽流量計量尚有很多點位采用DCS公式計算或定點補償，對照前文，缺點無需贅述；但在貿易交接的計量點上，已基本采用流量計算機進行補償，優勢也已體現。需要指出的是，公司內部部分B、C級計量點位采用的簡配流量計算機不具備對流量計的流出系數C、流束可膨脹系數ε、壓縮系數Z等參數進行實時逐點運算的能力，甚至部分流量計算機所使用的流量計算軟件也沒有通過國家權威部門認證，更不用說具備能量換算的功能。建議在公司進行蒸汽計量交接單位轉換為能量的過程中一并予以解決。
四、結束語
用一體化噴嘴取代標準孔板流量計，二次儀表采用流量計算機補償，可以克服傳統孔板流量計計量系統量程小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短、系統安裝及維護復雜等缺點；輔以完善溫度、壓力補償的措施，還能實現蒸汽計量交接由質量向能量的轉換，將使裝置能耗考核更為科學合理。
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