蒸汽流量測量不準因素以及如何解決

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

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摘要：針對影響蒸汽流量正確測量的各種常見因素進行分析,闡述了蒸汽流量計應具備的主要性能,介紹了彈簧負載變截面式流量計的原理和特點及蒸汽流量計系統安裝的注意要點。

1前言

自工業革命以來,蒸汽由于具有容易產生、輸送、控制、熱容量高以及無毒、無味等特點,常作為工作流體或載熱介質被廣泛應用。

蒸汽流量的計量一直是蒸汽應用的重要內容之一。使用蒸汽流量計的主要目的包括:改進工廠的效率,確定用汽高峰時間和設備,合理使用蒸汽的制造方法,避免鍋爐的超負荷運行;監視能源的使用效率;改進工藝制程的控制;計量蒸汽用量,進行內部或外部的計費。

但由于蒸汽的計量不同于其它流體如水、空氣等介質,在實際測量中影響其精確測量的因素較多,同時在國內關于蒸汽測量方面也存在不少誤區。針對影響蒸汽流量正確測量的一些因素提出了解決方法,闡述了流量計應具備的主要性能以及在實際的安裝使用中需要注意的事項。

2影響正確測量蒸汽流量的因素

能否正確測量蒸汽的流量除了流量計本身的計量性能以外,還受到很多因素的影響,下面將討論其中幾個:

2.1蒸汽流量的變化

為了確保得到的流量信息能夠正確表示在整個制程工況或需求范圍內的蒸汽流量,流量計必須能夠測量從極端的低負荷至zui大負荷的整個范圍。而實際的蒸汽負荷可能無法知道或變化很大,因此流量計在可能的流動工況下具有盡可能大的量程比。但涉及量程比時我們必須小心,因為量程比是居于現實的流動速度上,例如對于蒸汽系統一般的zui大允許速度為35m/s,更高的流動速度會引起系統的沖蝕和噪音。而不同的流量計允許的zui低流速是不同的,例如一般渦尖流量計所能測量的zui低蒸汽流速為2.8m/s,而GilfloILVA流量計的zui低允許流速為0.6m/s。因此對于流量變化比較大的系統,很容易造成在低流量（低流速）時有些流量計無法正確計量或不能計量的事實。

2.2蒸汽壓力和溫度變化所引的密度變化

在理想情況下,蒸汽的壓力能保持絕對的恒定。然而,在現實世界中,蒸汽系統負荷的變化、系統的壓力降和制程參數的變化都會引起壓力的變化,有時這種變化是很大的。在過熱蒸汽系統中,即使在壓力不變時過熱度的變化也會引起蒸汽密度的變化。

為了正確計量蒸汽的質量流量,必須考慮蒸汽壓力和溫度的變化。對于蒸汽流量計必須具有內置的管線壓力和溫度補償功能,即蒸汽密度補償。

然而目前用來測量蒸汽質量流量的大多數流量計系統沒有自動的壓力和溫度補償,指定操作在某一壓力下。如果管道壓力（對過熱蒸汽包括溫度）能真正固定,則很好,但是,即使是相對很小的壓力變化也會影響測量精度。不同類型的流量計影響的方式不同:

a.速度式流量計

例如渦尖流量計:渦尖流量計的信號輸出只和流速有關,而和介質的密度、壓力、溫度無關。即對于給定的流動速度3barg和17barg的蒸汽,對同一個渦尖流量計其輸出信號是相同的。因此,對于一個渦尖蒸汽流量計指定在某壓力下工作,而實際運行于不同的壓力,則誤差可用以下方法簡單計算:

b.差壓式流量計

如孔板流量計:孔板和差壓變送器輸出的是差壓信號。其質量流量與流量計的幾何外型、差壓平方根和密度平方根有關。因此,對于一個給定的流量計,在一定的差壓下,壓力變化引起的誤差如下:

2.3蒸汽干度對于飽和蒸汽的影響

目前,用于測量蒸汽流量的流量計大部分為體積流量計,首先測得體積流量,然后通過蒸汽的密度（固定密度或根據溫度、壓力補償）計算質量流量,也就是假定蒸汽為完全干燥。但是,蒸汽并非完全干燥,這幾乎適用于所有的情況,特別是目前國內產生的蒸汽品質普遍較差,蒸汽輸送管道沒有有效的凝結水排放。因此通過以上方法測得的蒸汽質量不盡正確。如果不考慮蒸汽干度的影響,得出的數據會低于實際的流量。

實際的蒸汽流量和假定干蒸汽（蒸汽干度=1）所測得的流量可以用以下公式近似表達:

因此流量計的積算儀應該包括能設置飽和蒸汽干度的功能。但在實際工況確定蒸汽的干度也很困難。如果能夠改進蒸汽流量計入口處的蒸汽品質,則能改進蒸汽流量計的測量精度。例如根據圖4,如果蒸汽的干度為0.95,而測量時認為100%的干蒸汽,則誤差為2.6%。

因此,建議在流量計的上游安裝汽水分離裝置,以提高測量正確性。

以上我們討論了3個比較重要但容易被忽略的影響蒸汽測量蒸汽流量的因素,當然影響測量正確程度的因素還包括正確的安裝、流量計的選型等。

3蒸汽流量計應具有的性能

“沒有計量,就沒有管理”,為了正確測量蒸汽的流量,一個蒸汽流量計必須具備以下性能:

3.1良好的再現性

再現性是描述流量計能多次顯示一個確定的流量值的能力。再現性不應該和測量精度混淆。一個流量計對一個確定的流量能多次顯示良好的同一性,但其值有可能是錯誤的或者是不正確的。流量計的再現性有助于改進工廠的效率、改進工藝過程的控制。

3.2高的測量精度

測量精度是衡量蒸汽流量計的顯示值和“真實”值的吻合程度。精度有兩種差別很大的方法表示:

3.2.1測量值誤差或實際示值誤差

如果流量計系統的實際示值誤差為±3%,并且指示流量為1000kg/h,其“不確定值”在1030kg/h和970kg/h之間。當流量為500kg/h時,其誤差仍然為±3%,“不確定值”在515kg/h和485kg/h之間。

3.2.2F.S.D或者全量程誤差

在本表示方法中,誤差以流量計的zui大測量值的百分比表示。假定一個流量計其zui大測量值為1000kg/h,其精度為全量程的±3%,則當流量為500kg/h時,其“不確定值“在530和470之間。可以看出,此時對于“實際測量值”其不確定性為±6%。并且當流量減少時,其不確定性增大,也即誤差增大。

所以在考察一個流量計的精度時,一定要注意是示值誤差還是全量程誤差。

3.3量程比

一個流量計精度很重要,但口徑選擇正確和使流量計盡可能接近用戶的實際需要也很關鍵。量程比是指一個流量計能確保給定的精度和再現性的范圍內,所能測量的zui大流量和zui小流量之比。表1為一些常用的蒸汽流量計典型的量程比。

3.4蒸汽密度的自動補償功

在前面關于影響蒸汽流量正確測量中討論到,在現實世界中,完全恒定的蒸汽壓力是不存在的。圖3表示一個典型的飽和蒸汽應用的變化周期。在起機階段,系統壓力逐漸升高至正常的5barg,然而由于工藝過程負載等各種因素的變化,系統的壓力總是在波動。對于一個簡單的、沒有密度自動補償的流量計,在一天中的累計誤差是很明顯的。因此,對應用于蒸汽系統的流量計必須具有自動密度補償功能。

4GilfloILVA流量計的工作原理和主要特點

針對目前蒸汽流量計量中普遍存在的問題,作為蒸汽控制工程的專家,斯派莎克專門設計一種彈簧負載變截面蒸汽流量計。

4.1工作原理

與其它常見的差壓流量計,如孔板流量計和文丘利式流量計一樣,GilfloILVA流量計的一次元件應用管道內能量守恒定律。如圖4所示:隨著流量的變化,圓錐移動,流體通過的圓環面積連續變化,中心定位的圓錐隨壓縮彈簧的阻力變化沿軸向自由移動,產生不同的差壓,推導出瞬時流量。

GilfloILVA的獨特設計極大地擴大了流量差壓測量的能力,關鍵之處則在于圓孔和圓錐的設計減少了上游速度截面的影響,并同時在差壓和流量線形的基礎上,獲得了極高的量程比。

4.2主要特點

a.適用于大多數工業流體,特別是蒸汽系統。

b.量程比可達100:1,滿足不同負載變化的要求。

c.精度高。經過蒸汽實測,在5~100%的范圍內示值誤差優于±2%;在1~5%的范圍內為±0.1%的全量程。

d.流量再現性優于±0.5%。

e.非常緊湊的對夾式安裝,上下游分別只需6D和3D的直管道。

f.自動密度補償功能。