摘要:針對孔板流量計在蒸汽測量過程中，因蒸汽溫度和壓力的變化導(dǎo)致測量誤差大，通過對蒸汽溫度和壓力進(jìn)行補償修正，減少儀表測量誤差。介紹了孔板流量計測量的基本原理，對蒸汽進(jìn)行溫壓補償?shù)脑蛞约皽貕貉a償?shù)奶幚矸椒�、計算方式和注意事項，并在DCS程序中得到驗證。
孔板流量計是一種差壓式流量計，通過介質(zhì)流過標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的差壓來測量流量，常用于測量蒸汽、液體的流量，是應(yīng)用最廣泛的流量計之一�？装辶髁坑嬘蓸�(biāo)準(zhǔn)孔板、導(dǎo)壓管路和變送器三部分組成，在使用過程中介質(zhì)溫度、密度、安裝前后直管段長度和節(jié)流裝置精度都會影響孔板流量計的流量測量精度。本文通過在測量蒸汽流量過程，因?qū)嶋H工況與設(shè)計工況不一致，而導(dǎo)致蒸汽流量偏差過大對生產(chǎn)運行帶來的影響為例,介紹了孔板流量計的測量原理及溫差補償原因,并根據(jù)蒸汽的性質(zhì)選擇合適的溫壓補償函數(shù),并在DCS程序中驗證了溫壓補償函數(shù)的合理性，提高了蒸汽流量測量的精度。
1.孔板流量計測量原理
根據(jù)流體力學(xué)，單位重量理想流體機械能沿流線不變，勢能與動能之和守恒，不隨時間改變，。
理想流體的伯努利能量方程為:
位重量理想流體的動能;α為流量修正系數(shù)
位能與壓能的和為勢能，勢能與動能的和為機械能，假設(shè)蒸汽通過標(biāo)準(zhǔn)孔板前后機械能守恒。
根據(jù)斷面流量方程:
式中:Q為蒸汽流量，一般用質(zhì)量流量表示，kg/h;ʋ為蒸汽流速，m/s;A為斷面面積，m2。
當(dāng)蒸汽通過標(biāo)準(zhǔn)孔板后，因斷面面積縮小流速會增加，流速的增加又會導(dǎo)致斷面處壓力減少，就會在標(biāo)準(zhǔn)孔板前后產(chǎn)生一個差壓值。差壓值與流速成一定比例關(guān)系，流速與斷面面積成反比例關(guān)系。由式(1)、(2)可知，根據(jù)前后差壓值就可以計算出蒸汽流量。
可求出孔板流量計蒸汽流量公式為:
式中:CƐ為流出系數(shù)，與可膨脹系數(shù)、流量系數(shù)等參數(shù)有關(guān)，為一常數(shù),標(biāo)準(zhǔn)孔板計算說明書給出;d1為上游管道內(nèi)徑，d2為標(biāo)準(zhǔn)孔板開孔直徑,m;△p為差壓變送器顯示的差壓值，pa;ρ為蒸汽的密度，kg/m3.
2蒸汽溫壓補償?shù)脑?
2.1蒸汽的特性
蒸汽是一種氣體，分為飽和蒸汽和過熱蒸汽。有限密閉空間內(nèi)的液體在一定的壓力下加熱至沸騰，就會逐漸開始汽化變?yōu)檎羝�。�?dāng)單位時間內(nèi)進(jìn)人密閉空間的分子數(shù)與返回液體中的分子數(shù)相等時，密閉空間內(nèi)的蒸汽分子密度也不再發(fā)生變化，此時蒸發(fā)與凝結(jié)會處于一種動平衡狀態(tài)，稱為飽和狀態(tài)，產(chǎn)生的蒸汽就是飽和蒸汽。飽和蒸汽的溫度和壓力一一對應(yīng)，兩者之間存在一個變量關(guān)系。飽和蒸汽又分為干飽和蒸汽和濕飽和蒸汽，千飽和蒸汽不含水分，但實際運行中很難達(dá)到這種狀態(tài)。理想飽和蒸汽根據(jù)溫度和壓力值，就可以推導(dǎo)出蒸汽密度。對飽和蒸汽進(jìn)行溫壓補償，根據(jù)實際測得的溫度、壓力值，通過蒸汽密度表推導(dǎo)出合適的函數(shù)關(guān)系式即可。
繼續(xù)加熱飽和蒸汽，飽和蒸汽中的水分會逐漸減少直至完全蒸發(fā)，蒸汽溫度會繼續(xù)上升最終超過該壓力對應(yīng)的飽和溫度，成為過熱蒸汽。在工況波動范圍較大或管道保溫效果不好的情況下，過熱蒸汽也會變?yōu)轱柡驼羝纬蓺庖憾嗔鳌＿^熱蒸汽性質(zhì)比較復(fù)雜，溫度與壓力不再具有一-對應(yīng)關(guān)系，并不服從理想氣體公式，只能看作實際氣體。通常過熱蒸汽密度與溫度成反比,與壓力成正比，過熱蒸汽在不同溫度、壓力區(qū)間的函數(shù)關(guān)系也不同，很難用-一個統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系式表達(dá)出來
2.2蒸汽溫壓補償?shù)哪康?
在蒸汽測量中，設(shè)計工況與實際工況相對比往往存在偏差，孔板流量計的可膨脹系數(shù)、流量系數(shù)等參數(shù)都會改變，蒸汽密度更會產(chǎn)生較大變化。如果不對蒸汽進(jìn)行溫壓補償，測量顯示的流量值與實際值相比就會有誤差，影響儀表的正常使用，需要采用溫壓補償對流量測量結(jié)果予以修正。
對蒸汽進(jìn)行溫壓補償，就是根據(jù)蒸汽實際運行工況的溫度、壓力，通過相應(yīng)的溫壓補償公式轉(zhuǎn)換出蒸汽的實際密度，最后計算出蒸汽的實際流量。由式(3)可知，如果實際工況參數(shù)與設(shè)計工況參數(shù)偏差不大，流出系數(shù)CƐ�？梢阅J(rèn)不變。故蒸汽進(jìn)行溫壓補償?shù)暮诵模褪菍φ羝芏冗M(jìn).行補償。過熱蒸汽密度補償?shù)碾y點，就是需要通過蒸汽的溫度和壓力,推導(dǎo)出與蒸汽密度的關(guān)系，并能找到合理的函數(shù)公式表達(dá)出來。
在進(jìn)行溫壓補償之前，要盡量減少孔板流量計安裝等問題帶來的誤差。首先是孔板流量計的選型是否合理，量程應(yīng)該適宜;檢查標(biāo)準(zhǔn)孔板有無變形，安裝方向是否正確;孔板流量計前后直管段距離是否滿足計算說明書要求，需滿足前20倍管徑后10倍管徑距離;孔板流量計、導(dǎo)壓管安裝時，正負(fù)壓側(cè)冷凝水罐安裝高度應(yīng)一致,冷凝水罐溢流口位置應(yīng)高于取壓口，水平導(dǎo)壓管保持一定角度，避免高低壓側(cè)導(dǎo)壓管內(nèi)殘留冷凝水產(chǎn)生附加差壓;檢查孔板高低壓側(cè)導(dǎo)壓管和三閥組有無異物阻塞，不定時打開排污閥排污。檢查DCS程序回路，各類參數(shù)值設(shè)置是否與計算說明書--致，公式是否正確，最后用信號發(fā)生器模擬差壓信號，結(jié)合計算說明書在DCS程序中驗證流量是否正確。
2.3蒸汽溫壓補償?shù)姆绞?
以某工業(yè)造紙為例，由蒸汽流程圖可知,從電站來蒸汽由總管分為兩支管，高壓側(cè)蒸汽支管壓力、溫度不變，另一蒸汽支管經(jīng)減溫減壓裝置后，蒸汽的壓力和溫度均有所降低，兩蒸汽分支管均安裝有孔板流量計、溫度變送器和壓力變送器,并全部接人DCS中。蒸汽流程圖如圖1所示。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)孔板計算說明書，介質(zhì)為過熱蒸汽,兩臺孔板流量計設(shè)計工況壓力分別為0.85MPa和0.5MPa,工況溫度分別為200℃和172℃，流量分別為0~15Vh和0~50t/h,各類系數(shù)及蒸汽工況密度等參數(shù)均已在計算說明書中給出。
實際運行時，高壓側(cè)蒸汽管道壓力為0.65~0.7MPa,溫度為220℃左右。低壓側(cè)蒸汽管道壓力為0.45~0.5MPa,溫度為160℃左右。可知低壓側(cè)蒸汽管的實際工況與設(shè)計工況相比，壓力和溫度相對低，而高壓側(cè)蒸汽管的實際工況壓力比設(shè)計工況偏低，溫度偏高。按照孔板計算說明要求，在DCS程序中設(shè)置好流量計算公式，直接代人各項參數(shù)，通過差壓變送器顯示的差壓值計算出過熱蒸汽瞬時流量。按照過熱蒸汽性質(zhì)推.算，低壓側(cè)蒸汽實際流量應(yīng)該略高于孔板流量計測量流量，高壓側(cè)蒸汽實際流量應(yīng)該低于孔板流量計測量流量。
未進(jìn)行溫壓補償前，兩臺孔板流量計流量運行曲線圖如圖2所示，正常運行時高壓側(cè)蒸汽流量為10t/h左右，低壓側(cè)蒸汽流量為32tV/h左右。
計算過熱蒸汽密度一般采用工業(yè)用公式。在IFC-1967公式的基礎(chǔ)上，制定并通過了全新的水和水蒸汽計算公式，目前公式是最全面、準(zhǔn)確計算水蒸汽熱力性質(zhì)公式。但上述兩套公式有大量的條件要求，不同區(qū)間有不同的密度公式，計算也十分復(fù)雜。根據(jù)公式編制了標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽密度表，該蒸汽密度表數(shù)據(jù)齊全適用性廣，簡單易查，而且在化工生產(chǎn)中常用的蒸汽溫度為0~600℃，壓力為0.1~5.0MPa,公式均能滿足使用要求，是目前獲取蒸汽密度最廣泛的方法之一。
根據(jù)孔板流量計運行的溫度、壓力區(qū)間，查詢過熱蒸汽密度表如表1所示。
因為工況原因?qū)嶋H上蒸汽密度是在一直變化中，所以常用的查表法并不適用于DCS程序中因此需要采用相對簡單的密度補償公式，在一定范圍內(nèi)滿足蒸汽密度表的要求，就可以快速實現(xiàn)密度補償提高測量精度。實現(xiàn)密度補償?shù)姆椒ㄓ泻芏�，采用密度擬合法對過熱蒸汽進(jìn)行溫壓補償，相對比較容易輸人DCS程序中，在要求的蒸汽溫壓區(qū)間內(nèi)也比較符合公式要求，計算精度也較高。
擬合公式為:
式中:ρ為補償后的蒸汽密度，kg/m3;T為過熱蒸汽溫度,℃;p為過熱蒸汽壓力，MPa。
根據(jù)擬合公式，參考孔板流量計實際運行的溫度、壓力區(qū)間，計算出過熱蒸汽密度如表2所示。
根據(jù)蒸汽流程圖1所示，將變送器所測過熱蒸汽溫度和壓力數(shù)值，代人式(4)中，分別計算出補償后的兩分支管過熱蒸汽密度，最后代人標(biāo)準(zhǔn)孔板計算說明書中的流量公式，求出補償后的蒸汽流量，最終實現(xiàn)了對蒸汽的溫壓補償。
2.4蒸汽溫壓補償?shù)慕Y(jié)果
以采取溫壓補償措施前后七天，電站總管累計蒸汽流量與進(jìn)車間兩分支管累計蒸汽流量之和數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。期間孔板流量計正常運行流量連續(xù)無大波動，無停機、檢修等事故。高壓側(cè)蒸汽管道壓力為0.65~0.7MPa,溫度為220℃左右。低壓側(cè)蒸汽管道壓力為0.45~0.5MPa,溫度為160℃左右。記錄數(shù)據(jù)如表3所示。
蒸汽溫壓補償前流量的誤差率為:(7548.72-6614.28)/6614.28≈14.13%
蒸汽溫壓補償后流量的誤差率為:(6873.41-6542.56)/6542.56≈5.06%
通過對前后流量誤差率對比可得知，對蒸汽采用合理的溫壓補償方式后，流量測量相對誤差比補償前大大減少，證明對蒸汽進(jìn)行溫壓補償是有效的，提高了孔板流量計測量的正確性。
2.5蒸汽溫壓補償需注意的問題
(1)對蒸汽進(jìn)行溫壓補償過程中，一般的溫壓補償方式比較簡單，可能存在較大的誤差。特別是不符合理想氣體狀態(tài)的過熱蒸汽，或是高溫高壓狀態(tài)和對蒸汽流量測量準(zhǔn)確性要求比較高的場合，必須要有正確的算法才能保證數(shù)據(jù)的正確性。
(2)選擇合適的溫壓補償算法很重要，需要滿足蒸汽的運行區(qū)間，注意補償算法相應(yīng)的限制條件，溫度、壓力等單位的正確選擇與使用,補償結(jié)果要符合蒸汽密度表要求。
(3)溫壓補償要從實際出發(fā),孔板流量計的選型、安裝位置要合理，運行前要進(jìn)行流量校正。溫度、壓力變送器測量值要準(zhǔn)確，這是溫壓補償?shù)那疤�，不然對溫壓補償?shù)慕Y(jié)果都會造成較大影響。
(4)僅針對差壓式蒸汽流量測量的溫壓補償方式提出探討，對于其他類型儀表的溫壓補償方式，還需結(jié)合儀表檢測原理，具體問題具體分析。
3結(jié)束語
通過對蒸汽進(jìn)行溫壓補償，選擇合適的補償方法能減少工況等原因帶來的誤差。但也要看到一般的蒸汽溫壓補償方法適用于工況較穩(wěn)定的情況，如果各項參數(shù)波動較大還是難以保證數(shù)據(jù)的正確性，既要保證蒸汽測量的連續(xù)性和穩(wěn)定性,也要根據(jù)實際情況選擇合理的溫壓補償方法。通過介紹孔板流量計溫壓補償?shù)脑蚝头椒�，并舉例說明采用溫壓補償?shù)挠行�，證明選擇合理的溫壓補償方法能提高蒸汽測量的準(zhǔn)確性。此外蒸汽傳輸過程中蒸汽濕度、氣液二相流、壓縮系數(shù)等影響流量正確的問題，都值得探索的。
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