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    對使用孔板流量計進行蒸汽流量測量的準確度問題解析

    發表時間:2017-05-25   點擊次數:1055 技術支持:1560-1403-222
       在我廠熱力管網中,蒸汽流量測量不準確是經常出現的問題,而蒸汽流量的準確計量,多年來一直是儀表人所追求的目標,但是由于蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽,其性質的復雜性,目前人們還沒能建立一個純理論的狀態方程來準確計量蒸汽。由于蒸汽高溫高壓的特殊性質,因此能用于流量測量的儀表目前只能限制在少數種類的流量儀表上,主要有:標準節流式差壓流量計(孔板流量計);非標準節流式差壓流量計;渦街流量計;旋翼式流量計;金屬浮子流量計等。其中渦街、浮子、旋翼流量計因為受到溫度、口徑、精度等限制,所以主流儀表還屬于標準和非標準節流式差壓流量計,通過對我廠已有測量手段和計算方法進行分析,結合全廠計量儀表完善項目”的蒸汽測量儀表的具體情況,針對標準節流式差壓流量計在蒸汽流量測量中準確度問題進行討論。。
    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磨損、積污,節流件前后直管段內結垢、粗糙水平改變等。
    1.2 測量管
    對測量管沒有按規定要求做,安裝測量元件時直管不符合要求、內徑D數值不準確等。
    1.3 密度
    對密度的計算不準確,我廠大部分蒸汽儀表測量是用DCS里的氣體補償方式、或用智能流量二次儀表的氣態方程來計算蒸汽的密度,尚有就是根據工藝車間供给的數據直接做為蒸汽密度的參考值,雖然測量系統或多變量變送器有壓力溫度補償,但因為計算公式或組態軟件使用不正確,使補償失準。
    1.4 相關系數
    有的實際工作流量不在鸿沟雷諾數范圍內,使得流出系數C不再是一個恒定的常數,而DCS或智能一次表中無修正功能,只能按常數計算,從而帶來測量誤差。
    1.5 量程
    有的儀表量程選用不合理,工作區在滿量程的50%20%以下,從而使誤差變大。
    2 原因分析
    2.1 節流元件磨損、臟污、變形
    由于我廠的節流裝置大部分采用孔板流量計作為一次測量元件,因此孔板的好壞就成了影響計量準確度重要因素之一。在實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,由于節流裝置的計算數據是在規定的標準條件下得到的,如果裝置中節流元件的實際條件達不到標準條件或偏離規定,必然會帶測量結果的誤差。
    2.2 測量管
    測量管是節流裝置的重要組成部门,其結構尺寸對流體流動狀態有重要的影響,流體流經諸如彎頭、閥門、縮徑管、擴徑管等阻流件后,會產生速率畸變、旋轉流及非定常流,因为標準節流裝置的各項參數是在充分發展管流、無旋轉流以及定常流的參考工作條件下實驗得出的,倘若不滿足規定的條件,會造成流出系數偏離正常值,影響測量準確度。要在現場裝置使用中具体達到標準試驗的條件,也是不現實的,但我們應在安裝過程中,大化的向標準條件靠攏,力图測量誤差小。
    在我廠許多裝置中我發現,有的節流件上下游直管段不滿足要求,不管節流裝置的具體情況,比喻彎頭,三通的數量及漫衍情況,直管段上縮、擴管的情況,以及閥門的開度等情況,大部分采用前10D后5D的安裝,小于前10D后5D的安裝。關于直管段內徑D的數據,按規定應該选取實測值,而實際情況是都沒有實測量D值,有的选拔工藝供给的數據,有的是查过去資料,有的用公稱代替D值作為設計計算的依據,從而使一開始計算書有誤差。
    關于測量管內表面粗糙度對測量的影響是為復雜的,也易被,是投用時間長的情況下,管內的結垢,磨蝕等都會使粗糙度遠差于新投用時的情況。即使是新安裝的管道,若是粗糙度達不到要求,應該進行加工以達到規定的要求。即使是管流達到充分發展管流時,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
    從圖一中可以看出:粗糙管的流速分布與滑腻管是有區別的,于是流出系數也不會。我廠大部分的蒸汽測量管是直接用工藝管道,沒有在定貨時與節流裝置整體加工,投用時粗糙度是否合乎要求無從明白,況且經過多年的運行沒有進行過檢查和清算,粗糙度對測量準確度的影響必然是存在的。
    2.3 密度計算
    對于蒸汽的流量測量,人們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,在實際工作中常常存在极少不正的做法。
    蒸汽是特别的介質,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。此中絕不含液滴或液霧,屬于實際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數是兩個獨立參數,其密度應由這兩個參數決定。
    過熱蒸汽在經過長距離輸送后,隨著溫度、壓力的變化,特別是在過熱度不高的情況下,會因為熱量損失溫度降低而使其從過熱狀態進入飽和狀態或過飽和狀態。轉變成飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽便利凝結,在傳輸過程中如有熱量損失,蒸汽中便有液滴或液霧造成,俗稱溫蒸汽。這時它已不屬于嚴格意義上的氣體,其密度發生了很大變化。因此,差异狀態下不能用同一氣體狀態方程來描摹。
    在的流量測量中,大家时时只重視差壓信號的準確與否,并使用高精度的差壓變送器,而疏忽了密度在測量中的重要地位。其實這個問題只要看一看節流裝置流量方程格外显着了,流量方程為:
    qm=k(2△p·p)1/2
    式中
    qm-質量流量,kg/s
    C-流出系數;
    ε-可膨脹性系數;
    β-直徑比,d/D;
    d-工作條件下節流件的孔徑,m;
    D-工作條件下上游管道內徑,m;
    △P-差壓,Pa;
    P-流體密度,kg/m3。
    從上式中我們不妨看出差壓與密度在測量中是處于划一地位的。然而在實際使用中由于忽視了密度對流量測量的影響,所以时常不重視對密度的認真考究和剖析。
    我們明白:對氣體流量的測量,倘使沒有溫壓補償,測量結果是不準確的。是以無論是昔日的電III型儀表,還是近些年廣泛利用的智能儀表、DCS,以致到去年我廠新安裝的多變量儀表,有分别的補償方式。為求得準確的氣體狀態方程,經多年勤奋,沒有一個統一的氣體狀態方程,只有眾多的實際氣體狀態方程。而本文所討論的蒸汽有專用的方程,主要是因為蒸汽在工作過程中有物質狀態的變化,與梦想的氣體的性質有很大的差別,它的物體參數比志向氣體要復雜,不能用簡單的數學方程式表達出來。而實際生產中,蒸汽流量密度的計算,大多數采用的正好是簡單的數學表達式。但由于运用測量的儀表不統一,僅智能流量二次表有分歧的型號,對密度的計算各不相同,加上DCS,多變量等儀表的計算方式不盡,变成密度計算的不準確,以是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 相關系數的影響
    流出系數C的定義是:通過節流裝置的實際流量與理論流量之比,這個比值應用到理論方程中,以獲得實際的流量。在的安裝條件下給定的節流裝置,C值僅與雷諾數有關。
    在節流裝置計算書中,根據供应的工藝條件計算出的C值是一個固定值,在DCS或智能二次表中流出系數C作為固定值參與流量計算,而實際上流出系數C只有雷諾數在規定的范圍內可視為常數,實際使用時當雷諾數不在這個范圍時,流出系數C不能視為常數。是當小流量時,隨著雷諾數變小,流出系數C將較大的變化,流出系數C與雷諾數Re的變化關系如下圖2:

    雷諾數Re
    圖2流出系數C與雷諾數Re的變化關系圖
    從圖二中能够看出:只有雷諾數Re≥104時,流出系數C不妨為是一個常數。據有關資料介紹,當Re=103時,附加誤差可達-19%,而當Re=250時附加誤差增加到-26%。在實際測量中,因为流量變化而使雷諾數小于范围值的情況時有發生。我廠熱電車間某蒸汽流量,小可達1t/h,而可達28T/h,實際量程比達到了28:1。在低限流量時流出系數將變化很大,倘若不進行校正,按計算書的C值來計算流量,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C的修正功能,由此可見流出系數對測量系統的影響是普遍存在的。
    實際上,孔板從安裝使用*先天開始,嚴格上講,它的入口開始經歷由尖銳到平鈍的一個變化過程,只不過這種變化緩慢人們不易察覺,或者說對儀表準確度的影響是一個從小到大的緩慢過程,不會被人注意。倘使被測介質是高流速的流體,影響能够會顯著。根據某**雜志報道,在流體高速臟污的場合,流出系數C變化百分之十幾不够為奇,而我廠运用的孔板長達上10年,短的也用了3、4年時間,以是流出系數C問題帶來的測量誤差是不言而喻的。
    2.5 儀表量程設置
    在全廠計量儀表完善項目施工中,我逐漸發現,有部门車間的選用的儀表量程過大,使儀表經常工作在量程的50%20%以下,這樣就变成了誤差變大后果。我們都懂得,一般儀表的準確度等級用引用誤差表示的,其實引用誤差是一種簡化的誤差。若儀表的準確度等級為0.2、0.5或1.0級,所標明的是儀表的引用誤差不能超過的范围,便是說合格儀表大引用誤差不會超過0.2%、0.5%、1.0%,而不能認為它的各刻度點上的示值具有0.2%、0.5%、1.0%,的準確度。
    設一臺儀表的準度為S%,量程為0~Xn,測量點為X,誤差應按下式求得:
    相對誤差≤Xn/X×S%。
    要是這臺儀表的量程是0~150,準確度是0.5,用上式計算測量點75、50、30、15的誤差分為:1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可見,當測量值越挨近滿度值,其度越高。這就是我們在選用儀表量程時,盡不妨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 節流元件改用標準噴嘴
    對于大多數節流件孔板入口磨損及臟污等問題,我們應該選用標準噴嘴。因为噴嘴入口是一個滑润的曲面,它的抗磨損、抗積污、抗變形水平于孔板,流出系數穩定性也比孔板好,在流量和无别β值條件下,阻力損失比孔板小的多,而且它的檢定周期為4年,大大減少了維護費用。
    3.2 節流裝置整套加工
    對于測量管的影響問題,應該选择指定**廠家,統一加工節流件,統一加工法蘭、直管段,統一開壓力溫度取樣點,統一加工冷凝罐,統一整體組裝。這次全廠計量儀表美满項目中,有許多節流裝置选取了這種辦法進行定貨,雖然形成了費用高了一些,但是因为測量準確度的提高,所產生的經濟效益遠遠多花的費用的。
    3.3 采用正確公式計算密度
    關于密度的計算,針對計算公式不統一的問題,我們這次全廠計量儀表完善項目中,統一选取了美國HoneyWell公司的SMV3000系列多變量儀表,并且蒸汽的測量信號入SMV3000儀表進行運算,計算后的流量信號再根據须要送至DCS或全廠計量儀表系統進行顯示,累積。
    3.4 量程選用盡量合理
    關于量程選用的問題,根據生產的實際情況,在滿足工藝要求的条件條件下,盡量使儀表工作在滿量程的2/3以上。但因有些生產工藝的特殊性,在低流量下運行的情況還是存在的。
    4 效果評價
    全廠蒸汽流量儀表在改造从前,熱電車間與工藝車間的蒸汽計量誤差在10%~20%之間,改造后,經過儀表**技術人員的勤勉,蒸汽計量誤差小于6%,成就還是愿望的。
    因为目前使用流量儀表測量蒸汽流量,由于被測介質的特殊性,對于相流變化的蒸汽,必定會存在測量不準確的情況,而解決這一問題的根本辦法是開發一種可測兩相流動介質的流量儀表。我信任,隨著科學技術的不斷,提高測量水平的呼聲高,以是針對生產實際情況,做少许細致的技術工作,會探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。

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