高溫蒸汽流量計在測量蒸汽時產(chǎn)生誤差的來源及解決

蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)中重要的能量傳導(dǎo)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、高溫蒸汽流量計，這兩種流量計在蒸汽流量測量中都有著非常廣泛的應(yīng)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(guān)，導(dǎo)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(zhǔn)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(yīng)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(zhǔn)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
在高溫蒸汽流量計流量測量中，蒸汽流量是*容易產(chǎn)生問題的一個流體，特別是在供熱結(jié)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(zhǔn)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(yīng)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?，一般是由于長距離輸送的熱損使溫度降低，當(dāng)溫度低于或等于該壓力對應(yīng)的飽和溫度時便進(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(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(shè)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(yīng)裝有《過熱蒸汽密度表》及相應(yīng)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(dāng)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(dāng)過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝罂赡懿椴坏綄?yīng)的密度。因為在運算儀表內(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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)問題
1.2.1 失準(zhǔn)原因分析這里所說的飽和蒸汽密度不準(zhǔn)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(fù)雜的單工質(zhì)氣液兩相流體。由于目前的流量儀表的技術(shù)性能都是在單相流狀態(tài)下定義的，對于高溫蒸汽流量計測量氣液兩相流的儀表，多年來盡管人們不斷地進(jìn)行了研究和探討，也提出了一些運算數(shù)學(xué)模型，但是適用范圍和測量準(zhǔn)確度都不夠理想，所以準(zhǔn)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(fù)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(rèn)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(zhǔn)確得到。因為要想準(zhǔn)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(biāo)x或者濕度指標(biāo)y，但是由于技術(shù)上的原因，目前還不能在線準(zhǔn)確獲得，這就是本文所指出的，當(dāng)飽和蒸汽脫離臨界飽和狀態(tài)變?yōu)闈耧柡驼羝?，其密度不?zhǔn)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(zhǔn)帶來的影響
飽和蒸汽含水所產(chǎn)生的高溫蒸汽流量計流量測量誤差，引起*大的糾紛就是在貿(mào)易結(jié)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(dǎo)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高溫蒸汽流量計，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，能使高溫蒸汽流量計示值恢復(fù)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(dǎo)致質(zhì)量流量減少，誤差也就產(chǎn)生了，（當(dāng)然不排除水滴使少量脈沖漏計造成的部分誤差），這個誤差完全不是雙方儀表有問題造成的，而是濕蒸汽密度不能準(zhǔn)確得到造成的。由此常常導(dǎo)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，用脈沖信號的高溫蒸汽流量計測量飽和蒸汽流量，當(dāng)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(dāng)測量頻率為f =135.8Hz 時，采用不同的密度得到的測量結(jié)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(jié)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(chǔ)上進(jìn)行的，其界定的范圍如下。當(dāng)蒸汽濕度y≤5%時（干度x在99%～95%間），可認(rèn)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(zhǔn)確度是可信的。當(dāng)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(fù)雜的流動狀態(tài)。如果對計算準(zhǔn)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(dāng)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)生相變的高溫蒸汽流量計測量系統(tǒng)有一個事先預(yù)防措施，就是在設(shè)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(yuǎn)利益來看，無疑是減少矛盾、增加效益的良方。二是*好采用具有“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(dāng)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(yuǎn)小于單溫度補償?shù)南到y(tǒng)。
c）流量計安裝地點應(yīng)妥善考慮，應(yīng)選擇不容易導(dǎo)致蒸汽發(fā)生相變的位置，如避開經(jīng)常有減壓操作的設(shè)備和減壓閥門后面，輸送蒸汽的管道和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(zhǔn)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(rèn)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(shè)置相應(yīng)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(jìn)行濕度補償運算。只要濕度指標(biāo)估算基本正確，雙方差量的矛盾就可以大大緩解。

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