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蒸汽流量计计量不准确的若干问题及其解决措施

时间:2017/10/02来源:未知

摘要: 针对蒸汽计量出现的问题,通过调查分析,采取重新计算差压、对蒸汽进行温压补偿的办法,解决了蒸汽计量不准确的问题。
  蒸汽是企业生产的重要能源之一,是城市集中供热的主要热能,也是企业进行经济核算的重要指标,因此企业蒸汽计量的准确性尤为重要。为了解决职工取暖问题,2010 年冬季,集团企业物业分企业对原有锅炉设备进行了更新,新增锅炉 4 台 ( 2 台 25 t /h,另 2 台 35 t /h) ,由浙大中控DCS 实现锅炉系统的自动化控制,产品为饱和蒸汽。

蒸汽流量计计量不准确的若干问题及其解决措施
1、问题出现及影响因素分析:
  从 2010 年 11 月锅炉点火运行开始,蒸汽流量经常显示***大值,差压变送器测量的差压信号超过20 mA。负荷较低、实际流量很小时,情况也是如此。这种情况下,蒸汽流量测量对锅炉操作起不到安全参考作用,更不能以此进行成本核算。
  针对这种现象,本项目设计选用 V 锥型流量计,配套智能型差压变送器,测量信号送到 DCS 进行计算显示记录。
  V 锥型流量计是新一代差压式流量测量仪表。在实际运用中,许多因素对差压式流量计的测量精度有非常大的影响,使其测量误差增大,致使度降低。
  具体表现为:
1) 设计参数与工况参数不符;
2)  没有温压补偿或补偿不正确;
3)  上、下游直管段长度不足; 4)  检测锥体和管道不同心; 5)  导压管堵[1]塞等 。经过现场检查,直管段不足、不同心、导压管堵塞的情况可以排除。将差压变送器拆回进行校验,变送器合格,误差
在允许范围内。
 技术人员调出 DCS 保存的趋势记录,查看蒸汽的温度、压力记录曲线,温度在 120 ℃ ~ 150 ℃ ,压力在 0. 3 MPa ~ 0. 6 MPa,发现测量温度、压力偏离设计 值 较 多 ( 设 计 参 数 为 温 度 193 ℃ 、压 力1. 13 MPa) 。同时,查看了 DCS 组态,发现组态中没有对蒸汽流量进行温压补偿。
 
2、解决措施:
 
2. 1 、重新计算差压刻度:

 温压补偿只能减少测量误差,不仅不能从根本上解决问题,而且会出现测量信号超出 20 mA 的情况,造成蒸汽漏计量。变送器测量信号超出 20 mA,说明实际测量差压信号 P 超出了设计差压值。由流量计算公式可以推导出蒸汽在不同状态下、***大流量相同时差压值与密度的公式,如式( 1) 。
P1 = ρ2 ( 1)
P2 ρ1
   
 
式中: P1———原状态下差压值,kPa;
 
P2———新状态下差压值,kPa;
ρ1———原状态下密度值,kg /m3 ;
ρ2———新状态下密度值,kg /m3 。
 
由公式( 1) 可知,设计压力远远高于实际压力时,即 ρ1 远远大于 ρ2 时,必然得到计算差压 P1
 
远远小于实际差压 P2 的结果。按照公式( 1) ,***大流量不变,重新选择接近工况的设计压力,得表 1
 
和表 2 计算结果。
 
表 1 35 t /h 锅炉 V 锥型流量计设计计算对照表
 
  设计刻度 操作压力 操作密度 设计刻度 V 锥体
  流量 /t·h  1 ( 表压) /MPa /kg·m  3 差压 /kPa 直径 /mm
           
原计算 35. 75 1. 13 6. 279 2 32. 154 204
新计算 35. 75 0. 40 6. 279 2 32. 154 204
 
表 2  25 t /h 锅炉 V 锥型流量计设计计算对照表
         
  设计刻度 操作压力 操作密度 设计刻度 V 锥体
  流量 /t·h  1 ( 表压) /MPa /kg·m  3 差压 /kPa 直径 /mm
           
原计算 25 1. 25 6. 868 0 14. 376 204
新计算 25 0. 40 2. 669 0 36. 993 204
           
 
  由于选用的差压变送器为宽量程智能型变送器,所以直接把变送器的量程范围改为 94. 890 kPa和 36. 993 kPa。经过一段时间观察,没有再出现信号超量程的现象,蒸汽流量计量比较准确。但是,这种解决办法也存在缺点,即压力损失较大。建议在允许的情况下重新计算 V 锥型体尺寸,通过降低差压来减小压力损失。

2. 2、增加温压补偿:
 蒸汽的温度和压力变化时,蒸汽的密度就会发生改变,蒸汽流量测量就会产生误差。通过温压补偿可以减小测量误差。由于饱和蒸汽的温度是压力的单值函数,因此饱和蒸汽的温压补偿可以采用压力补偿或者温度补偿。因为压力信号检测比较灵敏且补偿精度较高,所以采用压力进行补偿,并由 DCS实现。
 运用浙大中控图形编程App模块库中饱和蒸汽补偿模块( 差压信号) 进行计算。模块根据实际压力查表得到密度 ρ,采用公式( 2) 进行计算处理。
FLOW = ρ /DENSITY0 × FLOW0 ( 2)
 蒸汽流量计计量不准确的若干问题及其解决措施
式中: DENSITY0———蒸汽设计密度,kg /m3 ;
 
FLOW0———测得蒸汽差压信号,kPa;
 
FLOW———补偿后的无因次化值;
 
ρ———根据在标准大气压下测得的相对压力查表得到的密度,kg /m3 。
 
将计算结果 FLOW 运用开方模块进行开方,得到补偿后的蒸汽流量。
 
图 1 为以 35 t /h 锅炉蒸汽流量 FT101 为例编写的程序。
                  TSATSTEAM_DP     FT101
                     
PT101 SFLOAT_TO_FLOA     MUL_FLOAT       SQRT_SFLOAT
        PRESS    FLOW  
                         
      1%000     2.6%690 DENSITYO        
                FT101_ FLOWO        
                     
                           
 
PT101— 得   力,MPa(首先 行数据  ,再    kPa);FT101— 得蒸汽 差,kPa;
 
2.6690—   力  0.4%MPa   的密度,kg/m3;FT101—  后的蒸汽流量,t/h。
 
图 1 以 35 t /h 锅炉蒸汽流量 FT101 为例编写的程序通过以上措施,4 台锅炉蒸汽流量测量比较准确,较好地解决了测量不准确的问题。

 常见问题解决办法:
  蒸汽流量测量难度较大,因为蒸汽是比较特殊的介质,随着工况(如温度、压力)的变化,单相性质的过热蒸汽经常会转变成为饱和蒸汽,形成汽液两相流介质。目前,能准确测量汽液两相流介质的流量计量仪表几乎没有,解决两相流计量问题的办法是加强蒸汽管道的保温措施,充分利用输水器功能,保证蒸汽处于过热状态或蒸汽干度为1的饱和状态。在此基础上,如何准确计量蒸汽流量是本文要探讨的重点内容。
 
  一、影响蒸汽准确计量的因素及解决办法
 
  中石化股份天津分企业的蒸汽计量网络是由热电部生产蒸汽分别送给企业其他各部使用。各部入口的蒸汽计量仪表维护及数据管理由计量中心集中管理。通过认真总结多年来的实践经验,科学分析大量的实验数据,大家归纳总结出影响蒸汽准确计量的因素主要表现在以下5个方面:
 
  1.仪表选型
 
  (1)流量计选型原则
 
  根据天津分企业公用工程数据采集网上的蒸汽历史曲线可知,热电厂的蒸汽出口温度为280℃~350℃,偶尔可达420℃。目前,技术成熟、经济实用且适应这种温度范围的仪表是差压式流量计。涡街流量计在高温条件下使用寿命较短,热式质量流量计目前国内还没有很好的应用实例。差压式流量计中应用***广泛的节流件是标准孔板和标准喷嘴。比较起来,标准喷嘴的压力损失较小(可节能降耗),不易变形(寿命长),检定周期为4年(孔板是1年),价格相对高一些(比孔板高30%左右)。实践证明,由于标准喷嘴的特殊结构,使它能够克服由于工艺条件恶劣而整体变形的缺点,能在4~6年内保证计量的准确度。当热电厂的蒸汽分流到各部后,蒸汽的温度在200℃~280℃之间,在这种温度范围内,也可以使用物美价廉、经济实用的涡街流量计。例如,企业芳烃部在厂内1.0MPa蒸汽管线上使用上海某企业生产的数字式涡街流量计,实际应用效果很好。
 
  随着科学技术的迅速发展,仪表行业也在不断推陈出新,“一体化”节流式流量计已得到推广使用。这种仪表是将节流装置和差压变送器做成一体,差压变送器与流量显示仪表通过各种模式的通信,构成流量检测系统。它继承了差压式流量计的所有优点,且结构大大简化,便于现场安装和维护保养。
 
  综上所述,蒸汽计量仪表的选型原则:温度低于300℃、工艺管径小于DN200时选用数字式涡街流量计,仪表准确度优于读数的±1%;温度高于300℃、工艺管径大于DN200时选用宽量程一体化标准喷嘴流量计,流量测量范围为10:1。
 
  (2)二次仪表选型原则
 
  由于蒸汽用量是按吨结算,因此,蒸汽密度的变化严重影响计量数据的准确性。蒸汽的密度随着工况温度、压力的变化而变化,因此,要求配套使用的二次仪表一定要具有对流量信号进行温度压力实时补偿的功能。当配套使用的流量计为节流式流量计时,二次仪表还必须具有对膨胀系数ε和流出系数α的补偿功能。为实现与计算机数据采集、上网的共享功能,二次仪表还要同时具备通信功能。考虑到蒸汽计量数据还将作为仲裁纠纷的依据,因此要求二次仪表还应具有供需双方密码锁和过程参数的记录功能(保存180天以上),准确度优于0.1%。
 
  综上所述,大家选用了FC2000型流量计算机,该仪表除具有上述功能外,还具有8路标准流量通道,***多可采集32个计量参数,一机适用多种介质、多种流量计。也可以选用FC6000型通用流量演算器,该表与FC2000型的区别是只有1路标准流量通道。
 
  2.密度补偿
 
  所谓密度补偿就是把实际工作状态下的温度、压力仪表输出信号引入二次仪表中,二次仪表自动采用查表法或公式法计算出实际工作密度。对于气体和蒸汽介质而言,介质密度随着实际工作温度、压力的变化而变化。因此,用于交接用流量计量仪表必须采取密度补偿措施,否则当设计温度压力与实际温度压力不一致时,将导致测出的流量不能真实反映其工作状态下的实际流量,计量的准确性无从谈起。
 
  对于蒸汽介质,密度虽然也是温度、压力的函数,但不再遵循理想气体状态方程,且在不同压力、温度区间,函数关系不同,很难用一个简单的函数关系式表示。常用的密度计算方法有查表法和公式法。
 
  (1)查表法
 
  查表法就是把国标GB2624中的水蒸气密度表写入计算机中,根据工作状态下的温度、压力值,从表中查出相应的密度值。该密度表是根据国际公式化委员会(I.F.C)在1967年制定的水蒸气热力性质计算公式制定的数表,该公式考虑了各个不同区域的特性,它是***完整的、***全面的。密度表数据量很大,应用数表要首先判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽,再查不同的数表,另外,数表的变量是有一定步长的非连续量,对于两点之间的数据,需经过数学内插处理获得。
 
  (2)公式法
 
  公式法就是把密度计算公式编成计算机App,根据现场温度压力值自动计算出蒸汽的实际密度。公式法不需占用大量的内存空间,便于智能仪表应用。采用“IFC1967公式”,虽然公式繁杂一些,但在压力为(0~16.65)MPa范围内,计算的过热蒸汽及饱和蒸汽密度值完全符合国际标准。应用公式法进行密度补偿,不需要判断是饱和状态或过热状态就可以准确测量蒸汽密度值。对于确定是饱和蒸汽的场合,只需要将公式稍作变动,只用测温或测压,就可准确计算饱和蒸汽密度。
 
  根据大家的实际使用经验,有两方面值得读者关注:一是由于“IFC1967公式”比较繁杂,实际应用难度较大,某些仪表生产厂家就使用自己拟合的或某些杂志刊登的密度计算公式作为标准公式,由此得出的密度值将会产生较大的误差;二是某些厂家的蒸汽仪表在应用查表法做密度补偿时,kgf/cm2与MPa之间的压力单位换算不规范,可造成5%左右的计量误差。及时发现并避免这类误差的方法是,在使用前对仪表进行规范的检定或测试。
 
  3.检定与测试
 
  为确保计量数据准确无误,我企业规定,交接用计量仪表安装前应先送到有资质的流量标定站进行实液检定,每台仪表都应具有合格的检定证书,已经运行的仪表也应按检定规程的要求进行周期检定。为满足计量检定的需求,中石化集团企业工业计量站(挂靠在天津分企业)在2005年又投资建立了蒸汽、空气流量标准装置,并获得了计量标准考核证书。
 
  值得注意的是,在检定模拟输出的流量计时,首先要校准输出电流环,确保二次仪表的显示值与转换器的显示值基本一致。
 
  4.安装调试
 
  安装调试工作也非常重要,一定要严格按照仪表说明书的要求安装流量、温度、压力仪表。速度式流量计要重点注意直管段要求和与管道连接的垫片位置及垫片内径,否则将带来非常大的计量误差;压力和差压变送器投用前不要忘记现场调零;在测量小管径管道的蒸汽温度时,热电阻的插入深度一定要符合要求,否则将导致仪表的显示温度比实际温度偏低,使密度计算出现较大误差。例如,我企业在2005年的蒸汽仪表改造过程中发现,供科研所的蒸汽压力是0.8MPa,温度显示为140℃,与事实严重不符。为不改变电阻的原安装结构,大家将现场厚膜铂电阻改为薄膜铂电阻,相当于加长铂电阻的插入深度,结果测量温度由140℃上升至170℃,这样的温度显示值还是不正常,***终的解决办法是将铂电阻斜插进管道,以便满足插入深度的要求。可见规范的安装调试多么重要!
 
  5.数据管理
 
  数据管理包括数据采集和数据分析。我企业充分利用信息化技术,实现了用计算机进行数据管理。当现场的流量、温度、压力、密度等数据被采集到计算机以后,计算机可实现这些历史数据的实时监控显示,这样既节省了人力、物力,为数据管理人员提供了分析数据的依据,又为仪表维护人员提供了方便,避免了计量抄表员的误抄误报,同时可以随时跟踪所有计量仪表的运行情况,发现问题及时处理,以便减少计量损失。
 
  二、结束语
 
  实践证明,正确的仪表选型是准确计量的基础,准确的密度补偿方法是准确计量的关键,规范的检定与测试是准确计量的依据,严密细致的安装调试过程是准确计量的保证,现代化的数据管理模式是准确计量的标准。通过对照上述几个方面进行分析整改,我企业的蒸汽计量检测率可达到95%以上,取得了明显的经济和社会效益。


  蒸汽流量计量时考虑温压补偿方面应注意的问题有下面三点:
 
  1.补偿后避免出现新的误差
 
  采用温压补偿时都要用到压力变送器, 这时应考虑: 大气压及液柱静压力的影响, 以免出现新的误差。
 
  大气压力引起的误差, 由于温压补偿的经验公式中, 都包含有蒸汽压力这一参数, 而一般做法是用压力变送器, 把检测出来的蒸汽表压力加上当地大气压来表示压力, 因此在建立数学模型时,应根据当地大气压来计算, 不能不加区别的采用近似等于0. 1MP a 来代替大气压, 尤其是海拔较高的地区及所测蒸汽压力较低时, 更应引起注意。如果选用压力变送器则不会产生上述影响。
 
  液柱静压力引起的误差, 由于各种压力变送器的取压口与变送器本体大多不可能处于同一高度,因此冷凝水的静压力对变送器的输出会造成影响,而产生附加误差。取压口与变送器的垂直距离越大则影响越大, 这一影响对普通压力变送器、 压力变送器都存在影响。这时可采取零点迁移的方法来调整压力变送器, 以消除影响。
 
  2.温压补偿有一定的条件
 
  蒸汽流量计量温压补偿不是的, 当被测蒸汽流量的实际参数( 温度、 压力) 与设计的参数不一致时, 其流量系数 α 、 流束膨胀系数 ε 、 孔径 d 等值都会改变。但当蒸汽的温度、 压力波动不大, 即工况参数偏离设计参数不太多, 对测量影响较小时, 采用温压补偿措施才能达到理想的测量精度。但当工况参数偏离设计值太多. 或工况参数波动频繁且太大时,既使有了温压补偿措施, 仍难达到测量精度要求, 此时对于特定的孔板而言, 只能重新计算差压与流量之间的关系。
 
  3.饱和蒸汽的补偿不使用温度补偿
 
  饱和蒸汽采用温度补偿和压力补偿在本质上是一致的。其原因是饱和状态的蒸汽, 其压力和温度之间呈单值函数关系, 从蒸汽温度查出的密度同与此温度对应的压力查出的密度是一致的。因此, 采
 
  用温度补偿和压力补偿在原理上都是可行的。但是测温误差对流量测量的结果影响比较大, 细微的温度误差可能引起较大的测量误差值。例如压力为0. 7MP a时, 如果测量温度误差-1℃ , 差压式蒸汽流量计误差为-1. 1 4% ; 而使用压力补偿, 同样的0. 7MP a压力, 如果测量压力误差±2k P a , 差压式蒸汽流量计为 ±0. 1 3% 。显然, 压力补偿得到的补偿度比温度补偿高。
 
  对于饱和蒸汽, 以较高的流速流过, 由于压损引起的绝热膨胀往往使蒸汽进入过热状态, 这时仍旧将它看成饱和蒸汽, 并根据蒸汽温度去查饱和蒸汽密度表, 得到的数值将会明显偏高。
 
  由于以上的原因, 在测量饱和蒸汽质量流量时,仅仅测量温度, 并据此查密度表, 进行质量流量计量将引起较大的误差。在蒸汽流量计中不使用。
 
  差压式流量计在测量蒸汽流量时, 特别要注意所测量蒸汽压力、 温度是否符合设计时的压力温度,如果实际工况与设计相差比较大, 那么必须按照上述方法加以温压补偿来修正蒸汽流量值, 只有这样才能准确计量。


3、结束语:
 蒸汽是比较特殊的介质,随着压力、温度的变化,蒸汽的密度也会发生变化,所以有必要进行温压补偿。当蒸汽的压力、温度波动不大时,即工况参数偏离设计参数不多、对测量影响较小时,采用温压补偿措施就能达到测量的目的。但当工况参数偏离设计参数太多或工况参数波动频繁且太大时,即使有了温压补偿也难达到测量精度要求。此时,对于特定的节流元件,只能重新计算差压或流量。

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