您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
渦街流量計等儀表在測量蒸汽時產(chǎn)生誤差的解決
蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)中重要的能量傳導物，有時也作為重要的中間介質(zhì),，對于蒸汽流量計的測量的流量計的種類有很多種,，常見的有孔板流量計、渦街流量計,，這兩種流量計在蒸汽流量測量中都有著非常廣泛的應用,，由于蒸汽分為飽和蒸汽和過熱蒸汽，并且蒸汽的傳輸過程中存在氣液兩相性的特點,，蒸汽的性質(zhì)跟溫度與壓力密切相關,，導致對于蒸汽的測量成為并不簡單的事情。本文就是針對于蒸汽流量測量中容易發(fā)生的蒸汽相變,、密度不準確,、信號傳遞失真引起的測量誤差，具體分析了產(chǎn)生的來源,。并根據(jù)不同的信號制式,，提出了相應的補償運算公式和方法。對解決貿(mào)易計量糾紛,、提高蒸汽流量測量準確度,，提出了切實可行的探討方案。
1 蒸汽流量測量誤差的來源
在渦街流量計流量測量中,，蒸汽流量是容易產(chǎn)生問題的一個流體,，特別是在供熱結算計量方面，常常發(fā)生供收雙方總量不能相符的矛盾而難以解決,。雖然可測蒸汽流量的儀表有很多,，但本文這里不談各類流量儀表在測量蒸汽流量時的優(yōu)缺點，而是想就蒸汽流量測量發(fā)生誤差的其它來源及解決方法,，談一點本人的粗淺看法與大家探討,。
1）蒸汽相變對測量的影響。
2）飽和蒸汽密度失準的問題,。
3）測量信號傳遞失真問題,。
1.1 蒸汽相變對測量的影響
蒸汽相變問題在實際使用中時有發(fā)生，所謂蒸汽相變就是：在輸送過程中原本飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽了,，或是過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?。蒸汽產(chǎn)生相變主要發(fā)生在管道輸送過程中或使用場合,，飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽，一般發(fā)生在濕飽和蒸汽被較大幅度快速減壓,，溫度隨之也降低,，如果相變前的濕飽和蒸汽含水滴較少，則溫度降低后會仍然高于新的壓力對應的飽和溫度,，則蒸汽由原來的飽和狀態(tài)變?yōu)檫^熱狀態(tài),。而過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝话闶怯捎陂L距離輸送的熱損使溫度降低,，當溫度低于或等于該壓力對應的飽和溫度時便進入飽和狀態(tài),。蒸汽發(fā)生相變對流量測量的影響可分為幾種情況.
a）飽和蒸汽發(fā)生變化后，仍然未脫離飽和狀態(tài),，只是與變化前的壓力、溫度不同而處于一種新的飽和狀態(tài),。這種情況只要系統(tǒng)有補償儀表,，且飽和蒸汽的干度較高，對測量無影響,。
b）飽和蒸汽相變后成為過熱蒸汽,。如果設計時就考慮到有可能會產(chǎn)生相變，測量系統(tǒng)采用的是壓力和溫度雙補償,，而且蒸汽密度是采用IFC1967 公式動態(tài)計算的,，則這個相變對測量無影響。如果蒸汽密度采用查表法,，這就要求運算儀表內(nèi)除了裝有《飽和蒸汽密度表》外,，還應裝有《過熱蒸汽密度表》及相應的判斷程序。采用查表法需要的兩個數(shù)表和判斷程序,，缺少任何一個都會對流量測量帶來誤差,。
c）飽和蒸汽測量系統(tǒng)采用的是單壓力或單溫度補償，相變后對測量就會帶來誤差,，現(xiàn)舉例說明,。一飽和蒸汽測量系統(tǒng)，采用單參數(shù)補償,，現(xiàn)場實際表壓為0.5MPa,，實際溫度170℃。從上述壓力和溫度看,，目前該蒸汽已經(jīng)變?yōu)?ldquo;過熱”狀態(tài),，其密度為3.0706kg/m3。
如果采用單壓力補償,，依據(jù)0.5MPa 查飽和蒸汽表得到密度為3.1698 kg/m3,，給測量帶來的誤差為：
對脈沖,、線性電流信號的儀表 (（3.1698 -3.0706）/3.0706)*100%=3.23%
對方根電流信號的儀表(（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*100%=1.62%
如果采用單溫度補償，依據(jù)170℃查飽和蒸汽表得到密度為4.1229kg/m3,，給測量帶來的誤差為：
對脈沖,、線性電流信號(（4.1229- 3.0706）/3.0706)*100%=34.27%
對方根電流信號 (（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*100%=17.14%
從上述可以看出，對于飽和蒸汽采用單參數(shù)補償查表法求取密度,，當蒸汽發(fā)生相變時會給測量帶來誤差,，但是采用單壓力補償?shù)恼`差要小于單溫度補償。
d）過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?。由于大多?shù)的過熱蒸汽測量系統(tǒng)基本都采用壓力和溫度雙補償,，所以如果積算儀表的蒸汽密度是采用IFC1967 公式動態(tài)計算的，則這個相變對測量無影響,。如果采用查表法取得蒸氣密度,，當過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝罂赡懿椴坏綄拿芏取Ｒ驗樵谶\算儀表內(nèi)的《過熱蒸氣密度表》,，通常只列出過熱蒸汽范圍的壓力,、溫度數(shù)據(jù)，處于飽和狀態(tài)下的數(shù)據(jù)一般不提供,。例如現(xiàn)場實際表壓0.8MPa,、溫度170℃。該表壓0.8MPa 對應的飽和溫度為 =175 s t .36℃,，而實際溫度170℃＜ s t 明顯已經(jīng)處于飽和狀態(tài),，因該壓力下數(shù)表提供的可查溫度范圍t＞175℃，所以無對應的溫度可查,。即使儀表內(nèi)裝有《飽和蒸汽密度表》,，但是如果沒有蒸汽狀態(tài)判斷程序，儀表是不能自動轉(zhuǎn)查《飽和蒸汽密度表》的,，由此測量誤差便會產(chǎn)生,。
1.2 飽和蒸汽密度失準問題
1.2.1 失準原因分析這里所說的飽和蒸汽密度不準確，是指脫離了臨界飽和狀態(tài)的蒸汽,，也就是常說的濕飽和蒸汽,。濕飽和蒸汽是汽液兩相共存的狀態(tài)，它是蒸汽和水的混合物,，屬于復雜的單工質(zhì)氣液兩相流體,。由于目前的流量儀表的技術性能都是在單相流狀態(tài)下定義的，對于渦街流量計測量氣液兩相流的儀表,，多年來盡管人們不斷地進行了研究和探討,，也提出了一些運算數(shù)學模型，但是適用范圍和測量準確度都不夠理想,，所以準確測量氣液兩相流的儀表仍是今后需要努力的方向,。鑒于介質(zhì)兩相流型的復雜多變,，本文這里討論的濕飽和蒸汽密度的計算，其濕度也只能界定在某一范圍內(nèi),，并認為氣液是均相流動的狀態(tài)為前提,。濕飽和蒸汽的形成是在實際使用中的產(chǎn)生的，例如熱電廠送出的飽和蒸汽經(jīng)過管道較長距離的輸送,，就會有部分蒸汽程度不等的變成冷凝水而成為濕飽和蒸汽,。濕飽和蒸汽的密度與臨界飽和蒸汽（以下稱為干飽和蒸汽）的密度是不同的。而目前使用的兩個飽和蒸汽密度表（以壓力和溫度為自變量）中提供的蒸汽密度,，均為干飽和蒸汽的密度值,，數(shù)表中之所以不列入濕飽和蒸汽密度的數(shù)據(jù)，是因該數(shù)據(jù)還不能準確得到,。因為要想準確得到濕飽和蒸汽的密度,，就必須知道飽和蒸汽的干度指標x或者濕度指標y，但是由于技術上的原因,，目前還不能在線準確獲得,，這就是本文所指出的，當飽和蒸汽脫離臨界飽和狀態(tài)變?yōu)闈耧柡驼羝?，其密度不準確的原因。例如已知飽和蒸氣工作絕壓為0.48 MPa,，若已知濕度y為5%（x =0.95）,，看一下密度的差別。
查表得到飽和蒸氣密度g r =2.5683 kg/m3,，濕飽和蒸汽實際密度為H r =2.7034 kg/m3,。
查表得到的干飽和蒸汽的密度與實際濕飽和蒸汽的密度誤差為：
((2.5683- 2.7034)/ 2.7034) *100%» 100 5.0%
如果蒸汽的濕度y不同，即使仍然處于工作絕壓為0.48 MPa 狀態(tài)下,，將會得到不同的密值,，可自行驗算這里不再舉例了。
1.2.2 失準帶來的影響
飽和蒸汽含水所產(chǎn)生的渦街流量計流量測量誤差,，引起大的糾紛就是在貿(mào)易結算計量上,。供方和收方在一根管道上裝有同樣的流量計，在供方由于距離熱源較近,，飽和蒸汽中的的水滴含量可能很少,，對測量影響較小。而在收方由于長距離輸送會導致部分蒸汽冷凝的水滴含量增大,，對測量的影響必然較大,。盡管供、收雙方的流量儀表都是正常的,，但是供大于收的計量誤差是常常發(fā)生的,。例如在供收雙方流量儀表都用渦街流量計,，在雙方儀表都正常的情況下，供方瞬時流量顯示5.2t/h時,，在收方可能只有4.9t/h顯示值,，誤差為－5.77%甚至示值不穩(wěn)定，這就是接收方的蒸汽中含水原因所造成的,。如果收方將管道的積水及時放掉,，能使渦街流量計示值恢復穩(wěn)定，但上述差量可能會仍然存在,。因為在供方測量的幾乎是“蒸汽的總的質(zhì)量流量”,，而在收方“有一部分汽體冷凝成液體了”，這些液體不會被檢測到或是被排放掉,，從而導致質(zhì)量流量減少,，誤差也就產(chǎn)生了，（當然不排除水滴使少量脈沖漏計造成的部分誤差）,，這個誤差*不是雙方儀表有問題造成的,，而是濕蒸汽密度不能準確得到造成的。由此常常導致供收雙方多次拆下流量儀表外送校驗,，造成白白耗費時間財力卻無功而返,。
舉例說明如下，用脈沖信號的渦街流量計測量飽和蒸汽流量,，當飽和蒸汽由干飽和蒸汽變?yōu)闈耧柡驼羝?，計算一下對流量測量帶來的誤差。若已知蒸汽濕度5%,，絕壓為0.40 MPa,，查表密度g r 為2.1635 kg/m3，濕蒸汽實際密度為H r 為2.2773 kg/m3,，儀表系數(shù)K =0.3396,。
當測量頻率為f =135.8Hz 時，采用不同的密度得到的測量結果,。依據(jù)脈沖渦街質(zhì)量流量運算式 q m =( 3.6 f / K)* ρ1
查表密度流量為qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.1635=3114.523kg/h
實際密度流量為qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.2773=3278.346kg/h
誤差qm=((3114.523-3278.346)/3278.346)*100%=-4.997%
從計算結果看飽和蒸汽濕度在5%的情況采用查表密度測量,，將會造成約-5%的流量誤差。
1.2.3 濕飽和蒸汽密度的計算
如前所述,，下面介紹的濕飽和蒸汽密度的計算,，是界定在一定范圍的基礎上進行的，其界定的范圍如下,。當蒸汽濕度y≤5%時（干度x在99%～95%間）,，可認為氣液是均相流動，氣液速度基本相等，即速度比K≈1,，可用下式（1）或（2）計算密度,，其準確度是可信的。當濕蒸汽濕度6%≤ y≤10%左右時（干度x在94%～90%間）,，流動狀況會從“均相流動”狀態(tài),，依據(jù)水平管道或垂直管道流向的不同，逐漸變成復雜的流動狀態(tài),。如果對計算準確度要求不高的話,，也可用式（1）或（2）嘗試計算，但是密度誤差會大于y≤5%時的狀態(tài),，具體數(shù)值不能確定,。當濕蒸汽濕度y＞10%后（干度x＜90%），不能用下式求取濕蒸汽實際密度,，因為流動狀態(tài)已經(jīng)不是均相流動狀態(tài),，其速度比K≠1 了。
2 蒸汽問題的解決方案
2.1 蒸汽相變問題的解決方法
a）一是對可能產(chǎn)生相變的渦街流量計測量系統(tǒng)有一個事先預防措施,，就是在設計時無論是測量飽和蒸汽還是過熱蒸汽,，一律采用壓力和溫度雙補償。這樣雖然一次性成本費用有所增大,，但是從長遠利益來看,，無疑是減少矛盾、增加效益的良方,。二是采用具有“IFC1967 公式動態(tài)計算蒸汽密度”的積算儀,，它能根據(jù)測量的壓力溫度識別蒸汽的狀態(tài)，及時計算出過熱狀態(tài),、飽和狀態(tài)下的蒸汽密度,。目前市場上已經(jīng)有了具有此功能的智能流量積算儀如FLC-2800,。當然也可采用同時裝有《飽和蒸汽密度表》和《過熱蒸汽密度表》,、且具有判斷蒸汽狀態(tài)功能的積算儀。以便可以根據(jù)蒸汽的實際狀態(tài)及時查找不同的數(shù)表,，從而得到蒸汽的密度值,。
b）對于飽和蒸汽單參數(shù)補償?shù)南到y(tǒng)，盡量采用壓力補償,，這樣即使發(fā)生了相變,，也會使誤差遠小于單溫度補償?shù)南到y(tǒng)。
c）流量計安裝地點應妥善考慮,，應選擇不容易導致蒸汽發(fā)生相變的位置,，如避開經(jīng)常有減壓操作的設備和減壓閥門后面，輸送蒸汽的管道和渦街流量計測量傳感器加強保溫措施等,。
2.2 飽和蒸汽密度不準的解決方法
對于濕飽和蒸汽密度需要知道蒸汽的干度或濕度,，而這個數(shù)據(jù)目前又難以在線得到的問題,，筆者提出了一個解決方案供大家討論。
供收雙方在確認了雙方流量儀表都處于正常良好的工作狀態(tài)前提下,，可以根據(jù)長期存在的差量和現(xiàn)場的實際工況,，根據(jù)經(jīng)驗確定出不同時間段濕蒸汽的含水程度，然后在積算儀表內(nèi)設置相應的濕度補償運算公式,，通過人工輸入蒸汽干度x或濕度y數(shù)值,，就可以對濕飽和蒸汽進行濕度補償運算[1]。只要濕度指標估算基本正確,，雙方差量的矛盾就可以大大緩解,。