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| 针对蒸汽流量计量存在的问题进行分析 | |||
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由于蒸汽的特殊性，在计量方面存在诸多困难，长期以来一直是我公司计量工作中的老大难问题。目前，我公司蒸汽流量测量主要采用的还是标准节流装置(差压式流量计)这一传统的测量手段，常规差压式流量计在蒸汽测量方面还有很多不足，主要体现在测量范围小、压损大，现场安装、维护复杂、检定周期短等方面。尤其是测量范围小的缺点，在热负荷变化大的情况下将使计量误差大大增加。目前，通过现代技术手段，可以较好地解决这些问题。下面针对蒸汽流量计量存在的问题进行分析，并提出一套合理的蒸汽流量计量器具配备方案。
一、蒸汽流量计量面临的问题
1.宽量程问题
我们都知道，引起差压式流量计误差因素虽然很多，但诸如直管段条件、安装条件等都可通过设计与施工予以保证。但在蒸汽输送过程中，实际流量范围往往无法准确确定，在热负荷变化大的情况下，使流量计长时间工作在测量范围以外，这样就造成了很大的测量误差。因此，在设计差压式蒸汽流量计量系统时，应考虑使用具有宽量程补偿运算功能的计量系统，对节流件流出系数C、可膨胀性系数ε等中间参数的实时计算是解决宽量程的关键。
差压式流量计流量计算公式为
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为管道内径)；ρ1——被测流体密度，kg/m3；Δp——差压，Pa。
其中:按GB/T2624-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》孔板流出系数C的计算式为
式中:ReD——雷诺数。
流束可膨胀系数ε的计算式为
式中:k——等熵指数；p1、p2——节流件前后的压力，Pa。
传统的差压式流量计是将流出系数C和可膨胀性系数ε视为定值(C和ε由专门的节流装置设计计算软件计算得到)，置入现场的流量积算仪。图1是一台孔板流出系数曲线:
<CTSM>图1一台孔板流出系数曲线</CTSM>
图1曲线表明:当ReD=3×104，C=0.6101；ReD=1×104，C=0.6176；平均值
 ，即ReD在3×104～1×104范围内(3∶1)时，其不确定度为0.61%。
当ReD=5×104，C=0.6081；ReD=5×103，C=0.6264；平均值
 ，即ReD在5×104～5×103范围内(10∶1)时，其不确定度为1.5%，远不能满足用于贸易结算的一级表对不确定度的要求。同样，可膨胀性系数ε在超测量范围情况下，所引起的测量不确定度更不容忽视，例如，一台角接取压孔板流量计(D=100mm，β=0.5)测量过热蒸汽(压力=4MPa，温度=400℃)，ReD在2.8×105～28×105(介质流速:5.2m/s～52m/s)范围内，可膨胀系数ε的不确定度为3.0%。因此，要实现宽量程测量，就必须对流出系数C和可膨胀性系数ε进行实时计算。
由式(2)可以看出流出系数C的计算很复杂。相关标准给出了计算流出系数C的迭代方法，所以流量积算仪表必须具有高速、高精度的运算功能和比较大的存贮空间，以完成这些复杂的中间参数的补偿运算。
智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计算机的问世，使我们能拥有宽量程的智能化差压式流量计成为可能。归纳起来它应具备以下条件:1.智能化的宽量程差压变送器(差压范围为100∶1)；2.差压变送器与流量计算机之间数字通信(如Hart协议)除能满足全量程差压信号传递的准确性，而且能够自动迁移测量范围；3.流量计算机可根据温度、压力等工况参数实时计算流出系数C、可膨胀性系数ε等，从而实现对工况流量进行修正。符合上述条件的宽量程智能化差压式流量计，在满足准确度同时，流量测量范围可真正达到10∶1，必要时可采用具有自动切换功能的双差压变送器系统，以克服低差压信号所引起的误差，并进一步拓宽测量范围。差压式流量计的这一飞跃是多项技术进步的成果，它改变了人们对传统差压式流量计的认识。
2.蒸汽密度问题
对于蒸汽的流量测量，人们都知道要进行压力和温度补偿。但是由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够，在整套测量系统中，往往只重视差压、温度、压力信号的准确与否，并尽量使用高精度的变送器，而忽略了密度在测量中的重要地位，从式(1)中可以看出，密度与差压在测量中是处于同等地位的。和一般通用气体相比，在计算水蒸气流量时有3个难点:
(1)密度的确定。水蒸气的性质与理想气体大不相同，应视为实际气体。蒸汽的物理性质较理想气体要复杂得多，故不能用简单的数学式子加以描述，在以往的工程计算中，凡涉及蒸汽的状态参数数值，大都从蒸汽表中查出。把蒸汽参数表装入仪表中，数据量很大。
(2)蒸汽在应用过程中由于参数的变化，会发生状态变化。如过热蒸汽变为饱和蒸汽，饱和蒸汽变为过热蒸汽。所以必须先判别蒸汽的状态(是饱和蒸汽还是过热蒸汽)，再查不同的数表或用不同的公式计算。
(3)欠饱和蒸汽含有饱和水，是两相流。要准确测量蒸汽流量还必须知道干度。而干度测量难度很大，国外已有一些研究成果，但未见普遍推广应用，国内目前仍处于研究阶段。
通常有以下两种蒸汽密度的确定方法:
①查表法:把蒸汽密度表装入计算机中，根据工况的温度、压力，从表中查出相应的密度值。目前，流量类二次显示仪表(系统)中蒸汽流量密度的计算，有相当数量的仪表采用的是简单的数学表达式或单一对应查表法(只根据温度或压力，缺乏状态判断)，其准确度往往不能满足要求。
②计算法:
a.自己拟合公式(或者出版物给出的公式)。
b.乌卡诺维奇公式。
c.IFC1967公式。
目前，我公司蒸汽计量中密度的确定方法是上述两种情况并存:进出公司及二级单位的蒸汽计量大多采用专用二次表查表法，而二级单位内部蒸汽计量由于多数未使用专用二次表(大多在DCS上进行密度补充)，使用计算法较多，且采用的公式也未统一，计算出的密度的不确定度较大。
3.能量计量问题
我公司能源结构复杂，能源分布纵横交错。尤其是蒸汽，涉及多种能级，以往蒸汽流量测量采用间接式质量测量法(单位:t/h)。但是蒸汽在其生产和输送过程中，温度、压力状态的变化是难以避免的，加上季节、天气和用户负荷变化的影响，其品质即所含实际热焓因输送距离的长短而不同，这就使蒸汽计量容易失准，尤其是对蒸汽的末端用户影响较大。不同状态下等质量的蒸汽含有的热能相差很大。例如:在压力0.8MPa、温度200℃条件下的过热蒸汽，每公斤所含的热能为2838.6千焦；在压力0.8MPa、温度220℃条件下的过热蒸汽，每公斤所含的热能为2884.2kJ，二者相差1.6%。所以，以质量为蒸汽的结算单位不能真实反映蒸汽的价值。因此，以能量作为蒸汽的结算单位，也得到了广大蒸汽的生产和使用单位的响应，呼吁国家出台相关标准以进一步科学地规范蒸汽计量。然而，改动贸易计量单位是一个十分复杂的问题，非短时间内所能成就。但先在企业内部推行蒸汽的能量计量在技术层面上是可行的，在管理层面将是一项十分有益的实践。针对我公司蒸汽计量现状，通过完善蒸汽计量系统的温压补偿并更换计量系统(二次)累计单元，可实现蒸汽计量单位由质量向能量的转换，对我公司装置能耗的考核也将更为科学、合理。
4.非标准差压式流量计
为克服差压式流量计的自身弱点，仪表研制者进行了多种尝试，制造出了各种非标准差压式流量计，如阿牛巴、V锥、弯管流量计等，它们各具特点。但由于它们不能像标准节流件一样，有成熟且通行的行业标准支持，其流出系数、流束可膨胀性系数都必须通过实流标定获得(所谓实流标定一般是指在没有标准明确规定的情况下，被测介质和实验介质应为同一介质，即测量蒸汽的仪表应使用蒸汽进行标定)，否则，容易产生贸易计量纠纷。我公司芳烃厂前几年引进了一些阿牛巴流量计测量蒸汽，在解决低差压(小流量)输出指示的同时，却存在着在全量程测量方面还缺少足够的手段验证问题，没有从根本上解决计量纠纷。这也是非标准差压式流量计发展、应用过程中的一个缩影。
二、蒸汽流量计量仪表配备方案
1.一套合理、先进的蒸汽计量系统应该具有以下特征
(1)现场仪表符合准确度要求、免维护、故障率低、稳定性好、检定周期长。
(2)补偿功能完善且补偿的算法符合相关标准。
(3)具有较宽的测量范围。
(4)具有历史数据存储、事件报警等管理功能。
(5)便于实现网络化。
(6)具有能量计量的功能。
2.一次仪表配备方案
标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化，在孔板连续使用2～3个月时，钝化引起流出系数偏度在1%～3%，个别严重的在4%以上。目前，解决标准孔板钝化问题的最好方法是采用标准喷嘴，同样是按标准(ISO5167-2003E、GB/T2624-2006)设计、制造，无需实流标定，由于喷嘴的入口为光滑曲面，不易磨损(见图2)。它的流出系数非常稳定，检定周期长达4年(孔板检定周期是1年)。我公司蒸汽外管网流量计经过20多年的时间的长期运行，孔板老化磨损严重，影响了蒸汽计量数据的准确率，给公司蒸汽平衡带来很大困难。2010年利用公司全面停车大修契机，对电厂蒸汽流量计全面改造，外管网中压蒸汽2#、低压蒸汽4#、5#、6#、7#、8#、10#蒸汽流量计量一次仪表均由原来的孔板更换成了一体化喷嘴流量计，并配套温度、压力变送器进行温度、压力补偿，有效提高了计量系统的测量准确度。公司大修后电厂外供蒸汽管网4#、5#、6#、7#、8#(串联使用)计量数据由6月份的92751t上升至9月份的190953t，考虑季节因素引起的工艺生产用汽量变化，喷嘴在相同流量和相同β值条件下，阻力损失明显比孔板减小(仅为孔板的50%～60%)，减小能耗，避免了供汽损失。长期运行情况表明，由于喷嘴在结构上的优势具有耐冲击抗变形的优点，适应于高温、高压、高流速介质。
<CTSM>图2ISA1932喷嘴</CTSM>
差压式流量计的系统构成比较复杂，有较长的引压管，容易阻塞，冬季运行还需对引压管、冷凝系统进行保温、伴热，稍有不慎便造成故障，且仪表的维护工作量大，喷嘴流量计也不例外。一体化喷嘴很好地解决了上述问题，它将节流件和差压变送器做成一体，并装有防冻隔离器，不仅缩短了引压管线，还省去了冷凝和排污系统，使系统构成简单，无需保温供热，在减少维护量的同时，也节省了能源。
3.一体化喷嘴的特点
(1)采用标准节流件，测量准确度有依据。
(2)采用防冻隔离技术，冬季运行无须伴热，维护量少。
(3)喷嘴节流件阻力损失小(同样流量下为相同β值孔板的60%左右)。
(4)没有孔口钝化的问题，耐冲击不易变形，系数稳定，检定周期长(2年)。
(5)配置智能型差压变送器，流量测量范围度可达10∶1或更宽；虽然量程范围仍不及涡街流量计，但其抗振性和耐高温上限均优于涡街流量计。
(6)安装简便。
由于具有上述优势特点，一体化喷嘴流量计在蒸汽计量中占有越来越重要的地位。据统计，我公司蒸汽计量用表有80%以上的仍采用标准孔板节流装置，建议公司今后逐步将标准孔板更换成一体化喷嘴流量计。
4.二次仪表配备方案
如前文所述，由于蒸汽自身的特点和其测量过程的复杂性，蒸汽计量系统二次仪表配备应首推流量计算机式专用二次仪表。
流量计算机应具有以下功能:
(1)依据有关国际标准与建议、国家与行业标准，针对不同介质和流量计类型建立了多种数学模型和相应计算软件，可以计算蒸汽质量流量和能量流量。
(2)对节流式流量计的流出系数C、可膨胀性系数ε等参数作为动态量进行实时逐点运算以实现宽量程。
(3)具有历史数据存储、报警记录、仪表断电、修改参数设置等审计记录功能，即使网络系统发生故障，流量计量数据也会存储在其中不至于丢失。
(4)知名品牌的流量计算机所使用的流量计算软件已通过国家权威部门认证。
(5)流量计算机具有强大的通讯功能，对现场仪表除可适配(4～20)mA信号、脉冲信号外，还可以适配HART、Modbus等数字信号；对上位机可采用包括程控电话网、以太网等方式构成计算机网络应用系统，实现远程监督管理和建立集散式计量管理系统。
目前，我公司蒸汽流量计量尚有很多点位采用DCS公式计算或定点补偿，对照前文，缺点无需赘述；但在贸易交接的计量点上，已基本采用流量计算机进行补偿，优势也已体现。需要指出的是，公司内部部分B、C级计量点位采用的简配流量计算机不具备对流量计的流出系数C、流束可膨胀系数ε、压缩系数Z等参数进行实时逐点运算的能力，甚至部分流量计算机所使用的流量计算软件也没有通过国家权威部门认证，更不用说具备能量换算的功能。建议在公司进行蒸汽计量交接单位转换为能量的过程中一并予以解决。
四、结束语
用一体化喷嘴取代标准孔板流量计，二次仪表采用流量计算机补偿，可以克服传统孔板流量计计量系统量程小、阻力损失大、容易变形、检定周期短、系统安装及维护复杂等缺点；辅以完善温度、压力补偿的措施，还能实现蒸汽计量交接由质量向能量的转换，将使装置能耗考核更为科学合理。
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