用差压式流量计测量蒸汽流量时温度、压力补偿的实现及探讨.pdf

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1、用差压式流量计测量蒸汽流量时 温度、 压力补偿的实现及探讨 张晓勤， 贾玉伟 （青岛碱业股份有限公司， 山东 青岛266043） 摘要： 介绍了用于测量蒸汽流量的差压式流量计的选型、 测量原理、 温度、 压力补偿的实现， 针对存 在的问题提出了相应的解决办法。 关键词： 差压式流量计； 质量流量测量； 补偿方法 中图分类号： TH 814.5文献标识码： B 文章编号： 1005 - 8370 （2006） 03 - 25 - 05 社会的发展已步入绿色经济和可持续发展经济 的轨道， 区域集中供热成为我国经济发展的必然趋 势。热电公司将热能或蒸汽卖给用户， 这就涉及到 企业与热用户之间的经济贸

2、易结算问题。为此， 蒸 汽的计量是一个突出问题。 由于蒸汽流量测量装置在设计过程中提供的设 计温度、 压力与实际运行的工作温度、 压力有一定的 差异或者由于生产运行造成蒸汽温度、 压力波动与 设计状态差别较大， 而绝大多数流量计， 只有在蒸汽 工况与设计条件一致的情况下才能保证较高的测量 精度， 所以测出的流量不能真实反映其工作状态下 的实际流量。为此必须对蒸汽流量测量的温度、 压 力进行补偿。 1蒸汽流量测量用差压式流量计的选 型 蒸汽是比较特殊的介质， 随着温度、 压力的变 化， 蒸汽的存在形式也不同， 主要有饱和蒸汽和过热 蒸汽。在热电公司生产经营运行中一般采用管道输 送饱和蒸汽或者过热

3、蒸汽， 主要因为： 一是提高蒸汽 的过热度， 尽量减少蒸汽的含水量， 防止水击现象的 产生； 二是解决不同蒸汽状况下， 蒸汽流量难以计量 的问题。 测量蒸汽流量的仪表很多， 主要有采用节流装 置的差压式 （孔板、 喷嘴、 均速管、 弯管） 流量计， 旋翼 式流量计， 阿牛巴流量计， 浮子式流量计等。而采用 节流装置的差压式流量计， 由于节流件具有结构简 单可靠、 无可动部件、 不怕振动、 耐高温和可适应其 它恶劣条件， 同时又具有一套完整的技术规范和标 准， 在蒸汽流量计量中占有重要的地位。这种方法 除了配置节流件和相应的差压变送器， 还必须配套 压力变送器、 温度传感器和流量积算仪等， 从而

4、可以 对蒸汽流量进行温度、 压力补偿， 计算出不同工况下 的蒸汽质量流量。 节流装置的设计制造安装依照 GB/ T2624 - 93 流量测量节流装置用孔板、 喷嘴、 文丘里管测量充 满管的流体流量 ， 检定按 JJG640 - 94 差压式流量 计检定规程 。用于蒸汽测量的节流装置分类与适 用范围如表 1。 2差压式流量计测量蒸汽流量的原理 蒸汽计量中用节流元件作为检测元件时， 其流 量公式为： gm: c! 1 -“ ! 4 ! 4 d 2 0 2#$! p（1） 式中： gm 质量流量， kg/ S； c 流出系数； d 节流件开孔直径， m； ! 可膨胀性系数； # 被测流体密度， k

5、g/ m 3； “ 节流件孔径与直管段内径之比， “: d / D； $p 差压， Pa。 522006 年第 1 期 张晓勤， 等： 用差压式流量计测量蒸汽流量时温度、 压力补偿的实现及探讨 表 !用于蒸汽测量的节流装置分类与适用范围 节流件类型取压方式 适用范围 公称通径 DN， mm公称压力 PN， MPa 直径比!= d / D雷诺数 ReD 标准孔板 角接环室取压 50 400 10 50 10010 103； 0.45 104 法兰取压 50 1 000 10 50 15010 103 ReD 107 标准喷嘴角接取压 50 500 10 50 15010 104 ReD 1 10

6、7； 0.44 104 ReD 1 107 长径喷嘴径距取压 50 630 10 50 10010 104 ReD 1 107 在式 （1） 中， !和 d 为常数， c 和“在一定的范围 内可看作常数， 目前生产的流量计也是把 c 和“作 为常数， 因此式 （1） 可简化为： gm= #$ p（2） 当蒸汽的工艺操作条件 （压力或温度） 变化时， 假设此时的蒸汽密度为#s， 如果孔板前后的差压不 变， 仍是$p， 此时质量流量 gms： gms= gm #s # （3） 在实际应用中， 常用流量测量检测点附近的温 度、 压力， 经计算或查表后得到相应的密度， 按公式 （3） 再求得瞬时质量流

7、量， 这就是所谓蒸汽流量的温 度、 压力补偿。过热蒸汽状态和饱和蒸汽状态有不 同的补偿方法。 “.!过热蒸汽质量流量的测量 当流体为过热蒸汽时，被测蒸汽密度#取决于 蒸汽的压力 P 和蒸汽的温度 T， P 取自节流件上游 取压口， T 的测点一般选取在节流件上游足够长度 的部位， 由于差压式流量计测量是建立在蒸汽流过 节流件时不发生相变的基础上， 所以温度 T 的测点 选取在节流件下游 5D 管段上也是合适的。其温度 压力补偿控制方框图如图 1。 差压变送器 FT 压力变送器 # PT 温度传感器 # TE - 温度、 压力补偿 补偿后质量流量 # FR 未补偿质量流量 # FI 图 1 温度

8、、 压力补偿控制方块图 “.“饱和蒸汽质量流量的测量 饱和蒸汽的压力和温度是一一对应的， 饱和蒸 汽的密度从其压力或从其温度查到的密度值是相等 的， 所以饱和蒸汽流量的补偿既可用压力补偿也可 用温度补偿。 其压力补偿控制方框图如图 2， 温度补偿控制 方框图如图 3。 差压变送器 FT 压力变送器 # PT - 压力补偿 补偿后质量 流量 # FR 未补偿质量 流量 # FI 图 2 压力补偿控制方块图 62 纯碱工业 差压变送器 FT 温度传感器 ! TE “ 温度补偿 补偿后质量 流量 ! FR 未补偿质量 流量 ! FI 图 3 温度补偿控制方块图 !过热蒸汽流量测量温度、 压力补偿 实

9、现的办法 在蒸汽的计量上， 蒸汽质量流量主要与密度有 关， 而密度虽然也是温度、 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 的关系也就不同， 很难用一个简单的函数关系式表 示， 因此关键是蒸汽密度的确定。常用的蒸汽密度 的确定方法有两种。 !.“查表法 把蒸汽密度表载入流量积算仪中， 流量积算仪 根据被测状态的温度、 压力， 从表中查出相应的密度 值。现在许多仪表也是这样做的， 这种流量积算仪 补偿效果比较准确， 能正确反映不同工况下的蒸汽 质量流量。 !.#计算法 #自己拟合公式 （或者生产制造厂家给出公式） #乌卡诺维奇公式 #IFC1967 公式 例

10、如有个公司用的拟合公式为： != 18.56p 0.01 t + 1.66 - （0.000 1 t + 0.02） p （4） 式中： t 温度， C； P 表压， Mpa。 蒸汽实际工况条件为： 工作压力变化范围， Mpa0.1 1.2 工作温度变化范围， C160 400 取特殊点对公式 （4） 验证： 1） P =0.3 Mpa （P 绝对压力 =0.4 Mpa） ， t =160 C !“ = 18.56 X 0.3 0.01 X 160 + 1.66 - （0.000 1 X 160 + 0.02） 0.3 = 1.713 65 kg/ m3 在此温度压力状态下查表得!=2.067

11、 35 kg/ m3 “=! “ -! ! = 1.713 65 - 2.067 35 2.067 35 X 100% = - 17.11 % 2） P = 0.5Mpa （P 绝对压力 = 0.6 Mpa） ， t = 180 C !“ = 2.696 11 kg/ m 3 在此温度压力状态下查表得!= 2.988 6 kg/ m3 “=! “ -! ! = - 9.79 % 3） P = 0.8 Mpa （P 绝对压力 = 0.9 Mpa） ， t = 200 C !“ = 4.092 61 kg/ m 3 在此温度压力状态下查表得!= 4.341 8 kg/ m3 “=! -! ! =

12、- 5.74 % 4） P = 1.2 Mpa （P 绝对压力 = 1.3 Mpa） ， t = 400 C !“ = 4.003 74 kg/ m 3 在此温度压力状态下查表得!= 4.259 1 kg/ m3 “=! “ -! ! = - 6.00 % 通过以上计算我们可以看出： 采用的密度补偿 公式的计算误差太大， 不能满足计量仪表的要求。 用公式法最好是采用 “IFC1967 公式” 。 !.!比较 应用查表法， 由于饱和蒸汽和过热蒸汽的密度 都有其密度表， 把数表输入流量积算仪中， 它最能正 确反映不同工况下的蒸汽密度情况， 而且最完整、 最 全面。但它数据量大， 占了大量的空间，

13、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， 需经过数学内插法处理获得任 一点的密度。应用公式计算， 不需占用大量的内存 空间， 便于仪表应用， 至于使用哪一个公式， 根据不 同场所， 不同需要， 选用不同公式。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符合国 际标准。应用公式只需用温度、 压力信号即可进行 补偿， 而不需要判断是饱和状态或是过热状态。 $带温度压力补偿流量积算仪的校验 对蒸汽流量温度压力补偿后流量积算仪的校 验

14、， 是判断一台流量积算仪反映温度压力补偿是否 正确的一步重要工作。用实例说明这个问题， 例如： 采用标准孔板测量过热蒸汽流量， 表计的测量范围 为 0 120 I/ h， 表 计 型 号： 选 用 虹 润 仪 表 SWp - 722006 年第 1 期 张晓勤， 等： 用差压式流量计测量蒸汽流量时温度、 压力补偿的实现及探讨 LC803 - 02 - AAG - HL - A， 差压信号： 4 20 mA/0 85 kpa， 压力补偿信号： 4 20 mA/0 6 Mpa， 温度 补偿信号： pI100/0 400 C。设计工作状况， 在压力 P = 3. 2 Mpa， 温度 T = 250

15、C， 差压信号为 85 kpa 时， 最大瞬时值流量为 120 I/ h。由： gm= k !“ ! p 当压力为 3.2 Mpa （绝对压力为 3.301 33 Mpa） ， 温度为 250 C时查过热蒸汽密度表得： P= 1/U= 1/ 0.062 99 = 15.875 5 kg/ m3， U为比容值。 得： I = gm PA ! p = 120 15. ! 875 5 85 = 3.266 7 查看表计一级参数设定， 流出系数 K1 的自动 计算值是否与之相一致， 然后按规定要求设定二级 参数数值。 !.“温度、 压力补偿前各通道显示值的校验 对温度、 压力和设计状况下流量通道的检验

16、， 与 单点数字显示仪表的检定规程一致。 !.#温度、 压力补偿后瞬时值流量特殊点的校对 （如表 #） 表 #温度、 压力补偿后瞬时值流量特殊点的校对 类型单位显示或输入值 流量输入 测量值 差压kpa21.2542.563.7585 差压线性电流mA8121620 差压开方电流mA581320 流量I/ h306090120 压力补偿输入 压力Mpa1.534.56 电流mA8121620 温度补偿输入温度C290290290290 流量理论瞬时值I/ h19.11 54.51 102.61 163.45 实际显示瞬时值I/ h 若要校对其它状态下流量的情况， 根据这一方 法， 可对任一温度

17、压力某一流量状态下进行校对验 证。例 如 对 压 力P = 3. 0Mpa（ 绝 对 压 力 3.101 33 Mpa） ， 温度 T = 285 C， 不进行温度压力补 偿时流量为 62 I/ h 的验证。 由于在设计状态下， 压力为 3.2 Mpa （绝对压力 为 3.301 33 Mpa） ， 温度为 250 C时查过热蒸汽密度 表得： P= 1/U= 1/0.062 99 = 15.875 5 kg/ m 3。而在 此状态下查过热蒸汽密度表得： PS = 1/U= 1/0.075 31 = 13.278 4 kg/ m3 得 gms= gm Ps ! P = 62 13.278 4 !

18、 15.875 5 = 56.70 I/ h 此值与实际显示的值相比较就得出其误差值， 判断表计的准确性。 5过热蒸汽流量测量温度、 压力补偿 存在的问题 对蒸汽流量的测量根据： gm= cE 1 -B ! 4 # 4 i 2 0 2PA! p B和 i 为常数， c 和E在一定的范围内可看作常 数， 得： gm= I PA ! p c 和 E在一定的范围内可看作常数， 但是， 当蒸 汽的状况偏离设计状态时， 其 c 流出系数和E可膨 胀性系数就会发生变化。特别是在高压时， 则必须 考虑气体的可膨胀性系数的影响。对于过热蒸汽， 必须作实际气体处理。气体在低压区 （如小于 1 Mpa） 的压缩系

19、数都接近于 1。在该区域内， 只要温 度不是太低， 即使不对可膨胀性系数进行修正， 也不 会引起明显的误差， 完全可以满足工程上的要求。 但在高压区， 则必须考虑可膨胀性系数的影响， 否则 将会造成明显的误差。像常规方法那样将 K 看成 常数， 将会造成不可忽视的测量误差。有的刊物分 析计算表明， 当温度和压力在设计值 T0和 P0的基 础上变化 20 ， ReD变化 60 时， 如果我们只补偿 密度变化的影响， 即使密度变化可能引入的误差为 零， 即认为已实现了对密度的完全补偿， 其它各参数 变化累加后的最大误差达 6 左右。其中， E引入 的误差最为明显。所以， 要想提高仪表的测量精度，

20、除补偿密度外， 还应考虑整个补偿方程中其它参数 变化的补偿问题。 $问题的解决办法 由流量公式 gm= cE 1 -B ! 4 # 4 i 2 0 2PA ! p 和 gm= I PA ! p知： I = cE 1 -B ! 4 ! 2 4# i 2 0。 公式中的流出系数 c 是由试验取得的， 并且与 节流件的形式、 取压方式、 节流装置开孔直径和管道 的直径比B、 以及流动状态 （雷诺数） 有关。在选定 82 纯碱工业 节流件并确定取压方式后， 可认为流出系数是雷诺 数 ReD和直径比B的函数， 即： c = f （ReD， B） 试验表明， 节流装置一定， 其直径比B也一定， 为此， c

21、 = 104ReD107的范围内。 流量公式中的可膨胀性系数e只能通过试验来 确定，例如用角接取压标准孔板的可膨胀性系数从 出版资料中查得其经验公式为： e= 1 - （0.370 7 + 0.318 4B 4） 1 - p2/ p() 1 1/ 0.935 式中： B 节流件孔径与直管段内径之比，B= d / D； 已知蒸汽的等熵指数。 将以上 2 个公式列入流量积算仪中， 就可对不 同状态下的蒸汽计算出流出系数 c 和可膨胀性系数 e， 可实现对流量公式 gm= PA p中 值的修正， 再加上温度压力补偿， 便可准确地推算出不同状态 下蒸汽的质量流量。 !结语 综上所述， 要想准确地实现对

22、蒸汽流量的测量， 就必须全面掌握流量测量的方式、 测量介质、 测量装 置、 流体工况等情况， 采用正确的温度、 压力补偿方 式， 才能获得准确的流量。同时， 计算机的应用或者 带单片机的流量积算仪的应用， 能够处理大量的数 据， 就可以使其他参数 （流出系数 c 和可膨胀性系数 e） 进行修正， 如此就更能反映实际状况， 使蒸汽流 量的测量反映出蒸汽的实际质量流量， 也使企业综 合自动化水平的提高和生产过程的最优控制得以实 现。 收稿日期： “ 2005 - 07 - 11 大化集团搬迁改造工程 !“ 万吨 / 年联碱装置 初步设计顺利通过专家组审查 大化集团搬迁改造工程 60 万吨 / 年联

23、碱装置初 步设计审查会于 2006 年 5 月 17 日在大连召开， 会 议邀请了国内设计、 生产技术管理方面的行业专家， 重点对初步设计文件中的工艺技术方案， 环保、 节能 方案， 电气、 自控方案和概算取费等方面进行了审 查， 负责设计的大连大化工程设计有限公司就项目 概况和工艺技术方案作了汇报， 并就有关问题与专 家进行了交流， 专家组的审查意见认为： 大化集团搬迁改造工程中 60 万吨 / 年联碱装置 的初步设计所采用的工艺技术路线既成熟可靠， 又 有所创新， 自动控制方案先进； 主体设备设计大型 化， 关键设备的引进必要可行； 节能、 环保、 劳动、 安 全、 卫生方面的设计符合标准

24、及有关要求； 概算编制 符合行业规定， 选取定额正确， 取费合理。初步设计 方案符合先进、 稳妥、 可靠的要求， 充分体现了技术 先进性和投资经济性。 专家组希望大化集团大连化工股份有限公司， 抓住这次搬迁改造机会， 围绕提高产品质量、 降低生 产成本， 重视打造企业核心竞争能力， 建设一个国内 一流的联碱厂。 （吴志明 供稿） 2006 年全国纯碱技术年会、 中国化工学会第 12 届纯碱学术年会暨 纯碱工业 杂志 八届一次编委会将于 2006 年 10 月 16 日在江苏省苏州市召开。欢迎全国各纯碱生产企 业、 设计院所、 大专院校及纯碱设备生产厂家届时参会！ 922006 年第 1 期 张晓勤， 等： 用差压式流量计测量蒸汽流量时温度、 压力补偿的实现及探讨