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  時(shí)間:2023-12-14 08:47:45

孔板流量計蒸汽測量溫壓補償

摘要:針對孔板流量計在蒸汽測量過(guò)程中,因蒸汽溫度和壓力的變化導致測量誤差大,通過(guò)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)行溫壓補償的原因以及溫壓補償的處理方法、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(guò)介質(zhì)流過(guò)標準孔板前后的差壓來(lái)測量流量,常用于測量蒸汽、液體的流量,是應用最廣泛的流量計之一?装辶髁坑嬘蓸藴士装、導壓管路和變送器三部分組成,在使用過(guò)程中介質(zhì)溫度、密度、安裝前后直管段長(cháng)度和節流裝置精度都會(huì )影響孔板流量計的流量測量精度。本文通過(guò)在測量蒸汽流量過(guò)程,因實(shí)際工況與設計工況不一致,而導致蒸汽流量偏差過(guò)大對生產(chǎn)運行帶來(lái)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,并根據蒸汽的性質(zhì)選擇合適的溫壓補償函數,并在DCS程序中驗證了溫壓補償函數的合理性,提高了蒸汽流量測量的精度。
1.孔板流量計測量原理
  根據流體力學(xué),單位重量理想流體機械能沿流線(xiàn)不變,勢能與動(dòng)能之和守恒,不隨時(shí)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(dòng)能;α為流量修正系數
  位能與壓能的和為勢能,勢能與動(dòng)能的和為機械能,假設蒸汽通過(guò)標準孔板前后機械能守恒。
根據斷面流量方程:
 
  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。
  當蒸汽通過(guò)標準孔板后,因斷面面積縮小流速會(huì )增加,流速的增加又會(huì )導致斷面處壓力減少,就會(huì )在標準孔板前后產(chǎn)生一個(gè)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,與可膨脹系數、流量系數等參數有關(guān),為一常數,標準孔板計算說(shuō)明書(shū)給出;d1為上游管道內徑,d2為標準孔板開(kāi)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蒸汽溫壓補償的原理
2.1蒸汽的特性
  蒸汽是一種氣體,分為飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽。有限密閉空間內的液體在一定的壓力下加熱至沸騰,就會(huì )逐漸開(kāi)始汽化變?yōu)檎羝。當單位時(shí)間內進(jìn)人密閉空間的分子數與返回液體中的分子數相等時(shí),密閉空間內的蒸汽分子密度也不再發(fā)生變化,此時(shí)蒸發(fā)與凝結會(huì )處于一種動(dòng)平衡狀態(tài),稱(chēng)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,兩者之間存在一個(gè)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(shí)際運行中很難達到這種狀態(tài)。理想飽和蒸汽根據溫度和壓力值,就可以推導出蒸汽密度。對飽和蒸汽進(jìn)行溫壓補償,根據實(shí)際測得的溫度、壓力值,通過(guò)蒸汽密度表推導出合適的函數關(guān)系式即可。
  繼續加熱飽和蒸汽,飽和蒸汽中的水分會(huì )逐漸減少直至完全蒸發(fā),蒸汽溫度會(huì )繼續上升最終超過(guò)該壓力對應的飽和溫度,成為過(guò)熱蒸汽。在工況波動(dòng)范圍較大或管道保溫效果不好的情況下,過(guò)熱蒸汽也會(huì )變?yōu)轱柡驼羝纬蓺庖憾嗔。過(guò)熱蒸汽性質(zhì)比較復雜,溫度與壓力不再具有一-對應關(guān)系,并不服從理想氣體公式,只能看作實(shí)際氣體。通常過(guò)熱蒸汽密度與溫度成反比,與壓力成正比,過(guò)熱蒸汽在不同溫度、壓力區間的函數關(guān)系也不同,很難用-一個(gè)統一的函數關(guān)系式表達出來(lái)
2.2蒸汽溫壓補償的目的
  在蒸汽測量中,設計工況與實(shí)際工況相對比往往存在偏差,孔板流量計的可膨脹系數、流量系數等參數都會(huì )改變,蒸汽密度更會(huì )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(shí)際值相比就會(huì )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果予以修正。
  對蒸汽進(jìn)行溫壓補償,就是根據蒸汽實(shí)際運行工況的溫度、壓力,通過(guò)相應的溫壓補償公式轉換出蒸汽的實(shí)際密度,最后計算出蒸汽的實(shí)際流量。由式(3)可知,如果實(shí)際工況參數與設計工況參數偏差不大,流出系數CƐ?梢阅J不變。故蒸汽進(jìn)行溫壓補償的核心,就是對蒸汽密度進(jìn).行補償。過(guò)熱蒸汽密度補償的難點(diǎn),就是需要通過(guò)蒸汽的溫度和壓力,推導出與蒸汽密度的關(guān)系,并能找到合理的函數公式表達出來(lái)。
  在進(jìn)行溫壓補償之前,要盡量減少孔板流量計安裝等問(wèn)題帶來(lái)的誤差。首先是孔板流量計的選型是否合理,量程應該適宜;檢查標準孔板有無(wú)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(mǎn)足計算說(shuō)明書(shū)要求,需滿(mǎn)足前20倍管徑后10倍管徑距離;孔板流量計、導壓管安裝時(shí),正負壓側冷凝水罐安裝高度應一致,冷凝水罐溢流口位置應高于取壓口,水平導壓管保持一定角度,避免高低壓側導壓管內殘留冷凝水產(chǎn)生附加差壓;檢查孔板高低壓側導壓管和三閥組有無(wú)異物阻塞,不定時(shí)打開(kāi)排污閥排污。檢查DCS程序回路,各類(lèi)參數值設置是否與計算說(shuō)明書(shū)--致,公式是否正確,最后用信號發(fā)生器模擬差壓信號,結合計算說(shuō)明書(shū)在DCS程序中驗證流量是否正確。
2.3蒸汽溫壓補償的方式
  以某工業(yè)造紙為例,由蒸汽流程圖可知,從電站來(lái)蒸汽由總管分為兩支管,高壓側蒸汽支管壓力、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、溫度變送器壓力變送器,并全部接人DCS中。蒸汽流程圖如圖1所示。
 
  根據標準孔板計算說(shuō)明書(shū),介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽,兩臺孔板流量計設計工況壓力分別為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(lèi)系數及蒸汽工況密度等參數均已在計算說(shuō)明書(shū)中給出。
  實(shí)際運行時(shí),高壓側蒸汽管道壓力為0.65~0.7MPa,溫度為220℃左右。低壓側蒸汽管道壓力為0.45~0.5MPa,溫度為160℃左右?芍蛪簜日羝艿膶(shí)際工況與設計工況相比,壓力和溫度相對低,而高壓側蒸汽管的實(shí)際工況壓力比設計工況偏低,溫度偏高。按照孔板計算說(shuō)明要求,在DCS程序中設置好流量計算公式,直接代人各項參數,通過(guò)差壓變送器顯示的差壓值計算出過(guò)熱蒸汽瞬時(shí)流量。按照過(guò)熱蒸汽性質(zhì)推.算,低壓側蒸汽實(shí)際流量應該略高于孔板流量計測量流量,高壓側蒸汽實(shí)際流量應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(xiàn)圖如圖2所示,正常運行時(shí)高壓側蒸汽流量為10t/h左右,低壓側蒸汽流量為32tV/h左右。
 
  計算過(guò)熱蒸汽密度一般采用工業(yè)用公式。在IFC-1967公式的基礎上,制定并通過(guò)了全新的水和水蒸汽計算公式,目前公式是最全面、準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,不同區間有不同的密度公式,計算也十分復雜。根據公式編制了標準的蒸汽密度表,該蒸汽密度表數據齊全適用性廣,簡(jiǎn)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(mǎn)足使用要求,是目前獲取蒸汽密度最廣泛的方法之一。
  根據孔板流量計運行的溫度、壓力區間,查詢(xún)過(guò)熱蒸汽密度表如表1所示。
 
  因為工況原因實(shí)際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(jiǎn)單的密度補償公式,在一定范圍內滿(mǎn)足蒸汽密度表的要求,就可以快速實(shí)現密度補償提高測量精度。實(shí)現密度補償的方法有很多,采用密度擬合法對過(guò)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間內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(guò)熱蒸汽溫度,℃;p為過(guò)熱蒸汽壓力,MPa。
  根據擬合公式,參考孔板流量計實(shí)際運行的溫度、壓力區間,計算出過(guò)熱蒸汽密度如表2所示。
 
  根據蒸汽流程圖1所示,將變送器所測過(guò)熱蒸汽溫度和壓力數值,代人式(4)中,分別計算出補償后的兩分支管過(guò)熱蒸汽密度,最后代人標準孔板計算說(shuō)明書(shū)中的流量公式,求出補償后的蒸汽流量,最終實(shí)現了對蒸汽的溫壓補償。
2.4蒸汽溫壓補償的結果
  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(chē)間兩分支管累計蒸汽流量之和數據進(jìn)行對比。期間孔板流量計正常運行流量連續無(wú)大波動(dòng),無(wú)停機、檢修等事故。高壓側蒸汽管道壓力為0.65~0.7MPa,溫度為220℃左右。低壓側蒸汽管道壓力為0.45~0.5MPa,溫度為160℃左右。記錄數據如表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(guò)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(wèn)題
(1)對蒸汽進(jìn)行溫壓補償過(guò)程中,一般的溫壓補償方式比較簡(jiǎn)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(guò)熱蒸汽,或是高溫高壓狀態(tài)和對蒸汽流量測量準確性要求比較高的場(chǎng)合,必須要有正確的算法才能保證數據的正確性。
(2)選擇合適的溫壓補償算法很重要,需要滿(mǎn)足蒸汽的運行區間,注意補償算法相應的限制條件,溫度、壓力等單位的正確選擇與使用,補償結果要符合蒸汽密度表要求。
(3)溫壓補償要從實(shí)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確,這是溫壓補償的前提,不然對溫壓補償的結果都會(huì )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(lèi)型儀表的溫壓補償方式,還需結合儀表檢測原理,具體問(wèn)題具體分析。
3結束語(yǔ)
  通過(guò)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(lái)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定的情況,如果各項參數波動(dòng)較大還是難以保證數據的正確性,既要保證蒸汽測量的連續性和穩定性,也要根據實(shí)際情況選擇合理的溫壓補償方法。通過(guò)介紹孔板流量計溫壓補償的原因和方法,并舉例說(shuō)明采用溫壓補償的有效性,證明選擇合理的溫壓補償方法能提高蒸汽測量的準確性。此外蒸汽傳輸過(guò)程中蒸汽濕度、氣液二相流、壓縮系數等影響流量正確的問(wèn)題,都值得探索的。

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