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炼化企业蒸汽流量计选型|计量技术方法问题对策

时间:2017/09/27来源:未知

摘要: 针对我国炼化企业在蒸汽计量方面存在的问题,通过引入现代流量计量技术理念,探讨蒸汽计量在仪表选型、宽量程和密度补偿等方面的技术对策,以满足蒸汽质量计量、能量计量和数据上网等方面仪表配备的技术要求。
  蒸汽是炼化企业的主要能源,由于管网蒸汽具有高温、高压、高流速且介质密度计算复杂的特性,所以蒸汽计量一直是能源计量的难点。一次表选型、宽量程补偿、密度补偿、能量计量问题是影响蒸汽准确计量的主要因素。本文从实际应用出发,分析了上述问题存在的原因,探讨技术对策。
 
1、 一次表选型
  目前在炼化企业用于蒸汽流量计量的一次仪表主要有三种类型:  涡街流量计、非标准差压流量计、标准节流装置。
 
1. 1、涡街流量计
  涡街流量计有标准支撑,但需要实流标定( 检定周期 2 年) 。其测量范围宽 ( 10∶1) ,系统构成简捷,具有一定的使用经验。现有产品在耐高温、低流速、特别是抗振动等性能方面尚需提高。另外,被测蒸汽的干度较小 ( 小于 85% ) ,对信号干扰严重,目前尚无有效解决措施。
 
1. 2、非标准差压流量计
  近年来,各种非标差压式流量计 ( 如:  V 形锥、多孔孔板、均速管流量计等)  进入炼化企业,由于非标准差压流量计没有通行的国际、标准可循,所以其流出系数、可膨胀性系数都必须通过实流标定获得 ( 所谓实流标定一般是指在没有标准明确规定的情况下,被测介质和实验介质应为同类介质) ,这给用户在实际检定、使用时造成困难。这类仪表在蒸汽测量方面应用历史短,缺少足够的使用经验,有的在结构上还存在设计缺陷及安全隐患,应给予充分重视。
 
1. 3、标准节流装置:
  标准节流装置指按标准:  GB /T 2624—2006 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》或国际标准 ISO 5167—2003 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》加工、制造安装和使用的流量测量节流装置。其历史悠久,应用广泛 ( 占在用仪表总量的60% ~ 70% ) ,制造技术成熟,使用经验丰富;  ***大的优点是无须实流标定,这是其他流量计无法比拟的。但采用传统取压和流量计算的孔板,存在测量范围小、压损大、检定周期短、系统构成和维护复杂等缺点。标准孔板如图 1 所示。
图 1  标准孔板
图 1  标准孔板
综上所述,目前标准节流装置仍是蒸汽流量计量优选仪表。通过调整一次元件选型和二次表技术配置,可以有效地解决传统孔板流量计在蒸汽计量方面的不足。
 
1. 4、ISA1932 喷嘴:
  ISA1932 喷嘴和孔板一样也是标准节流件,喷嘴的入口为光滑曲面,不易磨损。其流出系数非常稳定,避免了采用孔板时入口直角锐利度在流体冲刷下钝化问题 ( 据悉国内有关部门曾对新装孔板进行跟踪校验,孔板在连续使用 2 ~ 3 个月时,流出系数偏离 1% ~ 2% ) 。JJG 640—1994 差压式流量计规程规定: 孔板检定周期为 1 年,而 ISA1932 喷嘴的检定周期为 2 年 ( ***长不超过 4 年) ; 这也说明 ISA1932 喷嘴流量性能稳定。另外,喷嘴在相同 β ( β 为直径比,β = d /D,其中, d 为节流件开孔直径,D 为管道内径) 和相同流量条件下,阻力损失比孔板小得多 ( 仅为孔板的 50% ~ 60% ) ,有利于减小能耗。长期运行情况表明,由于喷嘴在结构上的优势,所以其具有耐冲击、抗变形的优点,适用于高温、高压、高流速介质。喷嘴流量计如图 2 所示。
  一体化结构的 ISA1932 喷嘴流量计,是将节流件和差压变送器做成一体,目前国内已有厂家生产。有的厂家还配有防冻隔离器 ( 专利技术) ,引压管不积存冷凝水,冬季运行不需保温伴热,故障率低,维护简便,实际使用效果好。
 
2、宽量程补偿:
  引起标准节流装置测量误差的因素很多,诸如直管段条件、安装条件等都可通过设计与施工予以保证,但超测量范围对流量仪表准确度的影响则受到多种因素的制约。早期孔板流量计由于受到差压变送器量程 ( 10∶1) 和二次仪表运算能力等因素限制,流量量程仅为 3 ∶1,几乎不具备扩展量程条件。传统做法是将节流件流出系数 C和可膨胀性系数 ε 作为定值,置入现场的流量积算单元 ( 二次表或 DCS) 。而蒸汽输送过程中,实际的流量范围往往无法准确确定。当流量波动大 ( 超出 3∶1 范围) ,或流量计长时间工作在测量范围以外时,将造成很大的测量误差。图 3 所示为孔板流出系数曲线,其中,ReD 为雷诺数。
图 3  孔板流出系数曲线


图 3  孔板流出系数曲线
由图 3 可以看出:  ReD = 1 × 104 ,C = 0. 622 0 ;
ReD = 3 × 104 ,C = 0. 615 2。平均值   = 0. 618  
C 6
即 ReD 在 1 × 104  ~ 3 × 104 范围内 ( 3∶1)  其不确
定度为 0. 55% 。ReD  = 5 × 103 ,C = 0. 632 0;  ReD =
 
5 × 104 ,C = 0. 612 1。平均值 C = 0. 622 1,即 ReD
 
在 5 × 103 ~ 5 × 104 范围内 ( 10∶1)  其不确定度为
 
1. 6% ,远不能满足贸易结算对不确定度的要求。同样,可膨胀性系数 ε 在超测量范围情况下,所引起的测量不确定度更不容忽视。例如,一台角接取压孔板流量计 ( D = 100 mm,β = 0. 5) 测量过热蒸汽 ( 压力为 4 MPa,温度为 400 ℃ ) ,ReD 在
 
2. 8 × 105 ~ 28 × 105 ( 介质流速为 5. 2 ~ 52 m /s) 范围内,可膨胀性系数 ε 的不确定度约为 3. 0% 。
 
节流式流量计流量计算公式为:
 
qv =   C   ε π d2 2  p ( 1)
      4 ρ1
1 - β4  
         
式中: qv 为体积流量,m3 /s; ρ1 为被测流体密度, kg /m3 ; p 为差压,Pa。
 
孔板流出系数 C 计算公式为:
C =0. 596 1 +0. 026 1β2 -0. 216β8 +0. 000 521( 106 β)0. 7 +
ReD
( 0. 018 8 +0. 006 3A) β3. 5 ( 106 )0. 3 +
ReD
 
( 0. 043 +0. 080e  10L1  -0. 123e  7L1 ) ·      
( 1 -0. 11A) β4   -0. 031( M/  -0. 8M/1. 1 ) β1. 3   ( 2)
  4  
        2     2        
1 - β                    
式中:  A、L1 、M2/ 为中间参数。              
可膨胀性系数 ε 的计算公式为: [ 1 - (   )    
ε = 1 - ( 0. 351 + 0. 256 4 + 0. 93 8 ) p2 1 / κ ]
β β    
p1  
 
( 3) 式中: κ 为等熵指数; p1 、p2 分别为节流件前后的压力,Pa。
  由式 ( 2) 、式 ( 3) 可以看出,C、ε 的计算很复杂。扩展流量计测量范围的技术措施是: 利用流量计算机具有足够的存贮空间和高速、高精度的运算功能,遵从相关标准给出的计算方法,在允许差压测量范围内,根据当前 ReD ,实时计算节流件流出系数 C、可膨胀性系数 ε 等流量参数,从而克服采用固定流量参数带来的误差,实现量程扩展。
  智能化宽量程 ( 100 ∶1) 的差压变送器和运算功能强大的流量计算机的问世,使拥有智能化、宽量程的节流式流量计成为可能,这为提高蒸汽流量计量系统准确性提供了重要的技术保证。
 
3、密度补偿:
  对于蒸汽的流量计量,人们都知道要进行压力和温度补偿,但是由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够,所以在整个测量系统中往往只重视差压、温度、压力信号的准确与否,而忽略了密度计算的重要性。从式 ( 1) 可以看出,差压与密度在测量中处于同等地位。目前我国已有的流量二次仪表中蒸汽密度的计算,采用的是简易的数学模型 ( 自己拟合公式或用出版物给出的公式) ,在 DCS 上甚至采用的是理想气态方程,因此,其准确度往往不能满足要求。
  水蒸汽的性质与理想气体大不相同,应视为实际气体。水蒸汽的物理性质较理想气体要复杂得多,故不能用简单的数学公式加以描述。所以,在以往的工程计算中,凡涉及水蒸汽的状态参数数值,大都从水蒸汽表中查出。把蒸汽参数表装入仪表中,数据量很大且不连续,在实际操作中有很大困难。目前,我国还没有关于水蒸汽热力学性质的标准,但 JJG 1003—2005 《流量积算仪》检定规程已引用了 IFC1967 公式 ( 该公式于 1967 年由国际水蒸气性质协会成员国确认)进行蒸汽密度计算。因此,目前在蒸汽流量计量中的密度计算应统一到 IFC1967 公式。
  随着计算机技术的发展和科学研究水平的提高,1997 年在德国召开的水和水蒸汽性质国际联合会 ( IAPWS) 通过并发表了一个全新的水和水蒸汽计算模型,即水和水蒸汽热力性质 IAPWS - IF97 公式。与 IFC1967 公式相比,该公式的计算精度和运算速度大大提高。重要的是,1999 年 IAPWS 要求在商业合同中采用 IAPWS - IF97 公式。根据我国目前蒸汽计量的需要,标准化委员会于 2012 年底批准 《水蒸汽能量计算方法》标准的立项,该标准正在由全国计量器具管理标准技术委员会组织编写。
 
4、能量计量:
  蒸汽目前采用质量计量,而温度、压力不同的蒸汽,焓值不同。例如,压力为 0. 8 MPa,温度为 180 ℃ 的蒸汽,其焓值为 2. 791 1 MJ /kg; 压力为 0. 8 MPa,温度为 220 ℃ 的蒸汽,其焓值为2. 884 2 MJ/kg,两者相差 3. 2% 。实际使用的蒸汽温度范围更大,其焓值的差别也更大,用消耗蒸汽质量来评价用能设备或用能单位的耗能,显然是不合理的。另外,蒸汽管网上存在不容忽视的热损耗,但由于采用质量计量,所以无法对这部分热损耗进行定量评估,这不仅成为蒸汽供需双方争论的焦点,而且也不能为管道保温维护提供科学的依据。
  以能量作为蒸汽的结算单位,已不仅是学术界的共识,而且也得到了广大蒸汽生产和使用单位的响应,呼吁尽快出台相关标准,以进一步科学地规范蒸汽计量。我国热水能量计量已逐步推广,在节能方面做出了重要的实践。蒸汽计量制式的改动需要一个过程,不可一蹴而就。但先在企业内部推行蒸汽的质量与能量计量并行,在技术层面上是可行的。这将为节约和合理使用蒸汽提供依据,也是优化管理、提高效益等方面十分有益的实践。
 
5、结束语:
蒸汽计量系统应该具有以下特征:
 
( 1) 一次仪表符合准确度要求,稳定性好、检定周期长、维护量小、故障率低。
 
( 2) 流量运算单元除可温、压补偿外,还应具有量程扩展功能; 补偿运算功能完善且符合相关标准; 具有历史数据存储、事件报警等管理功能,以及网络通信和能量计量的功能。
 
  一体化喷嘴流量计和流量计算机构成的蒸汽计量系统的方案,将经典传统技术与现代技术相结合,克服了传统孔板流量计量程小、阻力损失大、容易变形、检定周期短、系统安装维护复杂等缺点。该方案目前已经在国内诸多炼油化工装置上有了成功应用的经验,表明其在蒸汽流量计量上是可行的,值得向仍然采用传统方法计量蒸汽的设计单位及炼厂用户推广。

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