鍋爐高溫蒸汽流量計在測量蒸汽時(shí)產(chǎn)生誤差的來(lái)源及解決

鍋爐高溫蒸汽流量計是根據卡門(mén)渦街原理研究生產(chǎn)的，主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量，如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點(diǎn)是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無(wú)可動(dòng)機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長(cháng)期穩定。渦街流量計采用壓電應力式傳感器,可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號,也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種比較先進(jìn)、理想的測量?jì)x器。
1、蒸汽流量測量誤差的來(lái)源
在鍋爐高溫蒸汽流量計流量測量中，蒸汽流量是最容易產(chǎn)生問(wèn)題的一個(gè)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(lèi)流量?jì)x表在測量蒸汽流量時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，而是想就蒸汽流量測量發(fā)生誤差的其它來(lái)源及解決方法，談一點(diǎn)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(wèn)題。
3）測量信號傳遞失真問(wèn)題。
1.1 蒸汽相變對測量的影響
蒸汽相變問(wèn)題在實(shí)際使用中時(shí)有發(fā)生，所謂蒸汽相變就是：在輸送過(guò)程中原本飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽了，或是過(guò)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(guò)程中或使用場(chǎng)合，飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)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(huì )仍然高于新的壓力對應的飽和溫度，則蒸汽由原來(lái)的飽和狀態(tài)變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)。而過(guò)熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?，一般是由于長(cháng)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(shí)便進(jìn)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)。這種情況只要系統有補償儀表，且飽和蒸汽的干度較高，對測量無(wú)影響。
b）飽和蒸汽相變后成為過(guò)熱蒸汽。如果設計時(shí)就考慮到有可能會(huì )產(chǎn)生相變，測量系統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(dòng)態(tài)計算的，則這個(gè)相變對測量無(wú)影響。如果蒸汽密度采用查表法，這就要求運算儀表內除了裝有《飽和蒸汽密度表》外，還應裝有《過(guò)熱蒸汽密度表》及相應的判斷程序。采用查表法需要的兩個(gè)數表和判斷程序，缺少任何一個(gè)都會(huì )對流量測量帶來(lái)誤差。
c）飽和蒸汽測量系統采用的是單壓力或單溫度補償，相變后對測量就會(huì )帶來(lái)誤差，現舉例說(shuō)明。一飽和蒸汽測量系統，采用單參數補償，現場(chǎng)實(shí)際表壓為0.5MPa，實(shí)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(guò)熱”狀態(tài)，其密度為3.0706kg/m3。
如果采用單壓力補償，依據0.5MPa 查飽和蒸汽表得到密度為3.1698 kg/m3，給測量帶來(lái)的誤差為：
對脈沖、線(xiàn)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170℃查飽和蒸汽表得到密度為4.1229kg/m3，給測量帶來(lái)的誤差為：
對脈沖、線(xiàn)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補償查表法求取密度，當蒸汽發(fā)生相變時(shí)會(huì )給測量帶來(lái)誤差，但是采用單壓力補償的誤差要小于單溫度補償。
d）過(guò)熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?。由于大多數的過(guò)熱蒸汽測量系統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(dòng)態(tài)計算的，則這個(gè)相變對測量無(wú)影響。如果采用查表法取得蒸氣密度，當過(guò)熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝罂赡懿椴坏綄拿芏?。因為在運算儀表內的《過(guò)熱蒸氣密度表》，通常只列出過(guò)熱蒸汽范圍的壓力、溫度數據，處于飽和狀態(tài)下的數據一般不提供。例如現場(chǎng)實(shí)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(shí)際溫度170℃＜ s t 明顯已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，因該壓力下數表提供的可查溫度范圍t＞175℃，所以無(wú)對應的溫度可查。即使儀表內裝有《飽和蒸汽密度表》，但是如果沒(méi)有蒸汽狀態(tài)判斷程序，儀表是不能自動(dòng)轉查《飽和蒸汽密度表》的，由此測量誤差便會(huì )產(chǎn)生。
1.2 飽和蒸汽密度失準問(wèn)題
1.2.1 失準原因分析這里所說(shuō)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(shuō)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?jì)x表的技術(shù)性能都是在單相流狀態(tài)下定義的，對于鍋爐高溫蒸汽流量計測量氣液兩相流的儀表，多年來(lái)盡管人們不斷地進(jìn)行了研究和探討，也提出了一些運算數學(xué)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，并認為氣液是均相流動(dòng)的狀態(tài)為前提。濕飽和蒸汽的形成是在實(shí)際使用中的產(chǎn)生的，例如熱電廠(chǎng)送出的飽和蒸汽經(jīng)過(guò)管道較長(cháng)距離的輸送，就會(huì )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(chēng)為干飽和蒸汽）的密度是不同的。而目前使用的兩個(gè)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，數表中之所以不列入濕飽和蒸汽密度的數據，是因該數據還不能準確得到。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(shù)上的原因，目前還不能在線(xiàn)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(shí)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(shí)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(huì )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(lái)的影響
飽和蒸汽含水所產(chǎn)生的鍋爐高溫蒸汽流量計流量測量誤差，引起最大的糾紛就是在貿易結算計量上。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(cháng)距離輸送會(huì )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?jì)x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?jì)x表都用鍋爐高溫蒸汽流量計，在雙方儀表都正常的情況下，供方瞬時(shí)流量顯示5.2t/h時(shí)，在收方可能只有4.9t/h顯示值，誤差為－5.77%甚至示值不穩定，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(shí)放掉，能使鍋爐高溫蒸汽流量計示值恢復穩定，但上述差量可能會(huì )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(huì )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(gè)誤差完全不是雙方儀表有問(wèn)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?jì)x表外送校驗，造成白白耗費時(shí)間財力卻無(wú)功而返。
舉例說(shuō)明如下，用脈沖信號的鍋爐高溫蒸汽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(lái)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(shí)際密度為H r 為2.2773 kg/m3，儀表系數K =0.3396。
當測量頻率為f =135.8Hz 時(shí)，采用不同的密度得到的測量結果。依據脈沖渦街質(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(shí)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(huì )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(jìn)行的，其界定的范圍如下。當蒸汽濕度y≤5%時(shí)（干度x在99%～95%間），可認為氣液是均相流動(dòng)，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(shí)（干度x在94%～90%間），流動(dòng)狀況會(huì )從“均相流動(dòng)”狀態(tài)，依據水平管道或垂直管道流向的不同，逐漸變成復雜的流動(dòng)狀態(tài)。如果對計算準確度要求不高的話(huà)，也可用式（1）或（2）嘗試計算，但是密度誤差會(huì )大于y≤5%時(shí)的狀態(tài)，具體數值不能確定。當濕蒸汽濕度y＞10%后（干度x＜90%），不能用下式求取濕蒸汽實(shí)際密度，因為流動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)不是均相流動(dòng)狀態(tài)，其速度比K≠1 了。
2、蒸汽問(wèn)題的解決方案
2.1 蒸汽相變問(wèn)題的解決方法
a）一是對可能產(chǎn)生相變的鍋爐高溫蒸汽流量計測量系統有一個(gè)事先預防措施，就是在設計時(shí)無(wú)論是測量飽和蒸汽還是過(guò)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(cháng)遠利益來(lái)看，無(wú)疑是減少矛盾、增加效益的良方。二是最好采用具有“IFC1967 公式動(dòng)態(tài)計算蒸汽密度”的積算儀，它能根據測量的壓力溫度識別蒸汽的狀態(tài)，及時(shí)計算出過(guò)熱狀態(tài)、飽和狀態(tài)下的蒸汽密度。目前市場(chǎng)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(shí)裝有《飽和蒸汽密度表》和《過(guò)熱蒸汽密度表》、且具有判斷蒸汽狀態(tài)功能的積算儀。以便可以根據蒸汽的實(shí)際狀態(tài)及時(shí)查找不同的數表，從而得到蒸汽的密度值。
b）對于飽和蒸汽單參數補償的系統，盡量采用壓力補償，這樣即使發(fā)生了相變，也會(huì )使誤差遠小于單溫度補償的系統。
c）流量計安裝地點(diǎn)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(kāi)經(jīng)常有減壓操作的設備和減壓閥門(mén)后面，輸送蒸汽的管道和鍋爐高溫蒸汽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(gè)數據目前又難以在線(xiàn)得到的問(wèn)題，筆者提出了一個(gè)解決方案供大家討論。
供收雙方在確認了雙方流量?jì)x表都處于正常良好的工作狀態(tài)前提下，可以根據長(cháng)期存在的差量和現場(chǎng)的實(shí)際工況，根據經(jīng)驗確定出不同時(shí)間段濕蒸汽的含水程度，然后在積算儀表內設置相應的濕度補償運算公式，通過(guò)人工輸入蒸汽干度x或濕度y數值，就可以對濕飽和蒸汽進(jìn)行濕度補償運算。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。

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