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采用孔板进行宽量程蒸汽流量计量

时间:2017/09/23来源:未知

摘要: 文章对采用孔板进行宽量程蒸汽流量测量中遇到的小流量测量不出来或不准确问题进行了分析, 提出了加装旁路管道提高管道介质流速, 采用双变送器配套一套孔板减少变送器误差对测量的影响, 采用小的 β取值进一步提供测量范围, 进行 ε膨胀系数的补偿消除误差等一系列解决方案, 并进行了相应的理论分析。
 
0.引言:
  大家企业在采用孔板计量装置进行蒸汽流量计量中, 由于用户的用汽负荷远没有达到孔板设计负荷, 并存在不同时期不同时间的用汽量不同的巨大差异, 由于孔板计量装置的量程范围一般在 1 /3—1 /4之间, 一套孔板计量装置无法适应这种工况, 供汽量小时无法准确计量。为解决这一问题, 企业对外供汽计量装置进行了改造, 通过采取多项措施和方法解决了这一难题。

1、实际分析和对策:
  企业冬夏季***大供汽量 30 t/h 左右, ***小供汽量 10 t/h 左右, 春秋季***大供汽量 15 t/h 左右, ***小供汽量 2- 3 t/h 左右。***大供汽量将达到 80t/h。对外供汽母管管径 426mm, 蒸汽额定工作温度 280 ℃, 工作压力 1 MPa。
  为解决***大与***小供汽量近 20 倍的巨大差异造成的计量困难,在 φ426 供汽母管上安装了 φ200 的供汽旁路, 根据用汽量大小进行自动切换测量管线。
  通过安装旁路计量管路使在冬夏季对 φ426 管路中 10t/h—30 t/h的蒸汽流量进行计量, 在春秋季对 φ200 管路中 2t/h—15 t/h 的蒸汽流量进行计量, 这样解决了由于蒸汽流量范围过大, 及在***小流量时主管路中介质流速过低, 雷诺数 Re 太小, 造成的孔板计量装置无法准确测量的问题。但用常规孔板进行计量仍不能解决***大与***小供汽量近10 倍的测量范围内测量精度的需要。因此采用了一套孔板配两台差压变送器分别计量大小流量的办法, 通过与智能流量二次仪表厂家合作开发了专用的智能流量表, 同时接收两台差压变送器信号, 并在运行中根据流量大小, 在 30%***大流量量程时自动切换两台差压变送器信号进行计算, 解决了同一管路中***大与***小供汽量近 10 倍的测量范围的需要。
  在孔板设计中对 β值的取值进行了取小值选择以利于测量范围的扩展, 并根据实际蒸汽工况在智能流量二次仪表设计中提出了对 ε膨胀系数的修正。通过采取上述措施使蒸汽流量在 2t/h—30t/h 的全程能准确计量。

2、采用双变送器的理论分析:
  对于孔板式差压流量测量装置当 β值一定时, 其量程比一般应为3 左右, ***大不超过 4。如果按量程比***大为 4, ***大流量为 40 t/h 来计算, 则***小流量应为 10t/h。标准《GB/T2624- 93 流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管得流体流量》中给出的质量流量不确定度的计算公式
    2   2 4 4 2     2
                     
δqm/qm={( δC/C) +( δε/ε) +〔2β/( 1—β) 〕*( δD/D)  
    4 2   2       2  
+〔2/( 1—β) 〕*( δd/d) +1/4*( δ△P/△P)    
+1/4* ( δ△ρ/△ρ) 2}1/2            
    1   1            
式中:C- - - 流出系数
ε-- - 可膨胀系数
d- - - - - 工作条件下节流件的节流孔径
D- - - - - 工作条件下上游管道内径
β- - - - - 直径比, β=d/D
△P- - - - 差压
 
ρ- - - - - - - - - - 流体的密度
1

  从上式可知, 对于一个已知的节流装置 δ△P/△P 误差分量的变化, 将影响 δqm/qm值, 使孔板测量装置误差发生变化。δ△P/△P 原则上应包括与节流装置有关的所有部件( 包括差压信号管路、变送器、变送器到显示仪表之间的连接部件和显示仪表本身及其他) 的误差。应将所有部件的误差一一估算出来, 并取其均方根值,这里仅考虑差压计误差的估算。根据差压式流量计检定规程 JJG640—94 中规定δ△P/△P=Ee*△Pmax/△Pcom上式中 Ee为差压计的基本误差限, 等于差压计的准确度等级, △PMAX为***大差压, △PCOM为常用差压。设采用 0.2 级差压变送器Ee=0.2, 根据上式计算出当△PCOM分别为 1%、2%、3%、…、9%、10%、20%、…、90%、100%△PMAX 时的 δ△P/△P 值。并将计算结果列入表1。根据表 1 将△PCOM小于 10%△PMAX部分画出曲线 1。
                        表 1                
                                     
%△PMAX   1   2   3   4     5   6   7   8 9 10
                                                 
δ△P/△P   20   10   6.7   5.0     4.0   3.3   2.9   2.5 2.2 2.0
                                       
                                                 
%△PMAX   10   20   30   40     50   60   70   80 90 100
                                     
δ△P/△P   2.0   1.0 0.67   0.5     0.4   0.33   0.28   0.25 0.22 0.2
曲线1
  从表 1 及曲线 1 大家可以看到, 当△PCOM渐小于 10%△PMAX以后即 30%***大流量左右, δ△P/△P 的值急剧增加。当△PCOM=10%△PMAX时, 仅考虑 δ△P/△P 因子为对 δqm/qm的影响, 则 δqm/qm={1/4*( δ△P/△P)2}1/2=1%。故△PCOM小于 10%△PMAX以后使整套测量装置的不确定度大大增加, 不能满足测量精度的要求。这就是量程比为什么不能选择太大的原因。但是如果大家采用另一个差压计来测量 10%△PMAX以下的差压信号, 结果将如何呢? 大家仍然采用上述的方法来计算出△PCOM在 10%△PMAX以下 δ△P/△P 的值, 请看表 2 中的计算结果, 及按计算结果绘制的曲线 2。
                        表 2                
                                         
                                                 
%△P*MAX 10   20   30     40   50   60   70   80 90 100
                                               
δ△P/△P 2.0   1.0   0.67   0.5   0.4   0.33 0.28   0.25 0.22 0.2
                                                 
                                                 
△P*MAX=10%△PMAX                                    
曲线2
  从表 2 及曲线 2 的结果可以看出: 增加第二台差压计后, 可以使在 10%△P*MAX以上范围 δ△P/△P 的值小于 2, 故整套测量装置从 1%△PMAX到 100%△PMAX范围内, 既 10 倍的流量范围内使 δ△P/△P 的值小于 2, 对 δqm/qm的影响小于 1%, 能够满足整套孔板测量装置的精度要求。从以上分析可以得到, 采用两个分段测量差压的方法基本能满足小流量测量精度的要求, 提高了测量范围。
 采用两套差压计同时运行, 智能流量表同时接收两路差压电流信号, 在 30%流量时智能流量表自动切换用于计算的差压信号。在 30% 流量以上时, 小量程测量差压变送器会超量程 , 但由于采用的差压计有过压保护功能, 从实际运行情况看对差压计的运行和精度均不产生影响。
 
3、对 β值的取值分析:
  为了提高孔板的测量范围, 除了采用双变送器测量解决仪表本身误差对测量系统的影响以外, 对于 β值( 节流件孔径 d 与管道的内径 D 之比) 的取值也应注意以进一步提高小流量时的测量精度。
 由于工艺管道在设计时考虑工艺管道能通过的***大流量, 这样就使工艺管道中流体在小流量时流速较低, 流体的雷诺数 Re 数偏低。对于标准孔板流量计其测量 Re 数范围为 5000—107。故在设计测量蒸汽流量装置的设计中, 采用了旁路管道的措施, 便于流量测量切换。但由于需测量的流量量程太宽 , 在主、旁路管道孔板测量中除采用双变送器测量来解决仪表本身误差对测量系统的影响以外, 通过选用较小的 β值以进一步提高测量范围。
 流出系数 C 与管道的内径 D、节流件孔径 d、流体雷诺数 Re 等有关, 通常把它看作常数, 实际上当流量有较大变化或要求有较高的测量精度时, C 的变化就不能不引起注意, 在角接取压孔板中的流出系数为:
 
C=0.5959+0.0312B2.1–0.184β8+0.0029β2.5( 106/Re) 0.75
角接取压孔板中的 C—Re 曲线
角接取压孔板中的 C—Re 曲线
  由上图可知 β值较小时可使 C 值在较低的 Re 下就渐趋稳定 , 这样就可以在小流量时 C 值变化较小有利于测量精度的提高, β值取值较小以后同样流量下孔板产生的差压增大, 同样可以使相同***大流量量程内由于差压变送器的测量量程加大, 使外界如管路、阀门、凝结器以及安装等造成的差压偏差的影响相对减小。同时 β值愈小要求的直管段长度愈短, 从而在设计旁路管路时孔板前后的直管段可以设计的较短。当然 β值也不能无限制的取小, 按孔板标准的要求 β值在 0.2—0.75 之间, 同时 β值过小会造成压力损失过大, 还会使孔板入口边缘的尖锐度要求难于保证要求从而引起很大的误差。
 应在保证不超过允许压损的条件下使 β值小一些 , 使 β值在 0.45—0.55 之间较为合适, 如大家在中压主管路孔板的设计中上限差压圆整至 160Kpa, β值取值 0.483, 中压管旁路孔板的设计中上限差压圆整至 250 Kpa, β值取值 0.526。低压管路孔板的设计中上限差压圆整至 40 Kpa, β值取值 0.479
4.对 ε膨胀系数的修正分析的过程。实践证明, 及时进行信息反馈并作相应的调整可以提高教学质量和教学效率 , 是 CAI 程序教学模式的一条设计原则, 更是建构主义教学思想精华所在。
   一个好的课件应该是能适用于各个需求层次的学生, 在教学中,通过学生的反馈, 对其学习进行会诊, 从而动态调整教学内容, 达到因材施教的目的。程序分支越多, 常识分层越细, 收到的效果就越理想。
 大家设计的 CAI 课件, 不能只是教材的翻版, 简单照搬教材, 而是要求能源于教材 , 但优于教材 , 对教材内容实行再加工 , 什么地方舍弃, 什么地方延伸, 怎样延伸都要周密思考, 琢磨研究。有利于引导学生的创新思维, 是 CAI 课件的生命力所在。
由于在孔板设计中 β值取值较小, 相应的差压值取值较大。当所测蒸汽压力较低时, 这时 ε膨胀系数对测量精度造成的影响就暴露出来, 需要加以修正。
 角接取压孔板的 ε膨胀系数为
 ε=1- ( 0.41+0.35β4) *△P/kp1
 △P=p1–p2,p1、p2 分别为孔板前后压力, k 为等熵指数。为了分析流量变化时, ε的变化对测量误差的影响, 下面以企业低压蒸汽流量测量的实例分析如下。
 企业采用低压蒸汽对周边的酒店、浴池等小的低压蒸汽用户供汽 , 蒸汽温度 160℃, 蒸汽压力 0.35Mpa ( 压力 ) , 工艺管路直径257mm, ***大供汽流量 10t/h, 常用供汽流量 6t/h, ***小供汽流量 1t/h,设计中根据上述原则对 β值取值较小 , β值为 0.479, 差压上限 40Kpa, 等熵指数 k 为 1.292。为了提高测量精度也采用了双变送器测量同一孔板方式。

分别计算***大供汽流量 qm1、常用供汽流量 qm2、***小供汽流量
qm3   ε 1 2    3    
  的值 ε、ε、ε。    
        4 *△P /kp
  ε=1- ( 0.41+0.35β)
  1       MAX1
    =1- ( 0.41+0.35*0.4794) *40/(1.292*350)
    =0.9621        
        4 *△P /kp
  ε=1- ( 0.41+0.35β)
  2       COM1
    =1- ( 0.41+0.35*0.4794) *62/102*40/(1.292*350)
    =0.9863        
        4 *△P /kp
  ε=1- ( 0.41+0.35β)
  3       MIN1
    =1- ( 0.41+0.35*0.4794) *12/102**40/(1.292*350)
    =0.9996        
  则 ε引起的流量测量值相对误差为:
    ε–ε)/ε=- 2.51%
  δqm2/qm2=( 1 21    
    ε–ε)/ε=- 3.89%
  δqm3/qm3=( 1 31    
  由以上计算可见,若把 ε当成常数,当流量较小时,测量结果将会比实际值小较多, 使误差超过了整套测量装置能允许的误差范围, 必须加以修正。大家在设计中与智能流量计厂家合作将 ε值的实时补偿功能做在仪表中, 解决了这一问题。
 
5、结束语:
 以上讨论和分析了在测量宽量程蒸汽流量中遇到的变送器误差的影响、β值及差压变送器量程的取值原则, 及 ε值对误差的影响。通过采用加装旁路管道的方法满足孔板测量量程比的需要, 采取一套孔板配两台差压变送器对大、小流量范围差压分别测量以减少对测量精度的影响。同时在孔板设计中为了使流出系数 C 在小流量时尽快稳定, 减少测量旁路直管道要求, 减少差压测量装置在导压管路、安装等环节的误差影响, 在满足允许压损的前提下, 尽量使 β值小一些, 使差压值大一些, 如果蒸汽压力较低时 , 对 ε膨胀系数对测量精度的影响不容忽视, 应进行实时补偿。

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