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    1. 渦街流量計等儀表在測量蒸汽時產生誤差的來源及解決_淮安潤中儀表科技有限公司
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      渦街流量計等儀表在測量蒸汽時產生誤差的來源及解決

      發表時間:2018-07-07 ??點擊次數:763? 技術支持:1560-1403-222
             蒸汽是工業生產中重要的能量傳導物,有時也作為重要的中間介質,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、渦街流量計,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,蒸汽的性質跟溫度與壓力密切相關,導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生的蒸汽相變、密度不準確、信號傳遞失真引起的測量誤差,具體分析了產生的來源。并根據不同的信號制式,提出了相應的補償運算公式和方法。對解決貿易計量糾紛、提高蒸汽流量測量準確度,提出了切實可行的探討方案。
       
              1 蒸汽流量測量誤差的來源
       
        在渦街流量計流量測量中,蒸汽流量是容易產生問題的一個流體,特別是在供熱結算計量方面,常常發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缺點,而是想就蒸汽流量測量發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)飽和蒸汽密度失準的問題。
             3)測量信號傳遞失真問題。


      渦街流量計
       
        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生,所謂蒸汽相變就是:在輸送過程中原本飽和蒸汽變為過熱蒸汽了,或是過熱蒸汽變為飽和蒸汽了。蒸汽產生相變主要發生在管道輸送過程中或使用場合,飽和蒸汽變為過熱蒸汽,一般發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的飽和溫度,則蒸汽由原來的飽和狀態變為過熱狀態。而過熱蒸汽變為飽和蒸汽,一般是由于長距離輸送的熱損使溫度降低,當溫度低于或等于該壓力對應的飽和溫度時便進入飽和狀態。蒸汽發生相變對流量測量的影響可分為幾種情況.
        a)飽和蒸汽發生變化后,仍然未脫離飽和狀態,只是與變化前的壓力、溫度不同而處于一種新的飽和狀態。這種情況只要系統有補償儀表,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。如果設計時就考慮到有可能會產生相變,測量系統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除了裝有《飽和蒸汽密度表》外,還應裝有《過熱蒸汽密度表》及相應的判斷程序。采用查表法需要的兩個數表和判斷程序,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,現舉例說明。一飽和蒸汽測量系統,采用單參數補償,現場實際表壓為0.5MPa,實際溫度170℃。從上述壓力和溫度看,目前該蒸汽已經變為“過熱”狀態,其密度為3.0706kg/m3。

        如果采用單壓力補償,依據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補償查表法求取密度,當蒸汽發生相變時會給測量帶來誤差,但是采用單壓力補償的誤差要小于單溫度補償。
      d)過熱蒸汽變為飽和蒸汽。由于大多數的過熱蒸汽測量系統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,當過熱蒸汽變為飽和蒸汽后可能查不到對應的密度。因為在運算儀表內的《過熱蒸氣密度表》,通常只列出過熱蒸汽范圍的壓力、溫度數據,處于飽和狀態下的數據一般不提供。例如現場實際表壓0.8MPa、溫度170℃。該表壓0.8MPa 對應的飽和溫度為 =175 s t .36℃,而實際溫度170℃< s t 明顯已經處于飽和狀態,因該壓力下數表提供的可查溫度范圍t>175℃,所以無對應的溫度可查。即使儀表內裝有《飽和蒸汽密度表》,但是如果沒有蒸汽狀態判斷程序,儀表是不能自動轉查《飽和蒸汽密度表》的,由此測量誤差便會產生。
       
        1.2 飽和蒸汽密度失準問題
        1.2.1 失準原因分析這里所說的飽和蒸汽密度不準確,是指脫離了臨界飽和狀態的蒸汽,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,它是蒸汽和水的混合物,屬于復雜的單工質氣液兩相流體。由于目前的流量儀表的技術性能都是在單相流狀態下定義的,對于渦街流量計測量氣液兩相流的儀表,多年來盡管人們不斷地進行了研究和探討,也提出了一些運算數學模型,但是適用范圍和測量準確度都不夠理想,所以準確測量氣液兩相流的儀表仍是今后需要努力的方向。鑒于介質兩相流型的復雜多變,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,并認為氣液是均相流動的狀態為前提。濕飽和蒸汽的形成是在實際使用中的產生的,例如熱電廠送出的飽和蒸汽經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,數表中之所以不列入濕飽和蒸汽密度的數據,是因該數據還不能準確得到。因為要想準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x或者濕度指標y,但是由于技術上的原因,目前還不能在線準確獲得,這就是本文所指出的,當飽和蒸汽脫離臨界飽和狀態變為濕飽和蒸汽后,其密度不準確的原因。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 失準帶來的影響
        飽和蒸汽含水所產生的
      渦街流量計流量測量誤差,引起大的糾紛就是在貿易結算計量上。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生的。例如在供收雙方流量儀表都用渦街流量計,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,能使渦街流量計示值恢復穩定,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,從而導致質量流量減少,誤差也就產生了,(當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確得到造成的。由此常常導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,用脈沖信號的渦街流量計測量飽和蒸汽流量,當飽和蒸汽由干飽和蒸汽變為濕飽和蒸汽后,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K =0.3396。

        當測量頻率為f =135.8Hz 時,采用不同的密度得到的測量結果。依據脈沖渦街質量流量運算式 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上進行的,其界定的范圍如下。當蒸汽濕度y≤5%時(干度x在99%~95%間),可認為氣液是均相流動,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,其準確度是可信的。當濕蒸汽濕度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,依據水平管道或垂直管道流向的不同,逐漸變成復雜的流動狀態。如果對計算準確度要求不高的話,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,具體數值不能確定。當濕蒸汽濕度y>10%后(干度x<90%),不能用下式求取濕蒸汽實際密度,因為流動狀態已經不是均相流動狀態,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)一是對可能產生相變的渦街流量計測量系統有一個事先預防措施,就是在設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 公式動態計算蒸汽密度”的積算儀,它能根據測量的壓力溫度識別蒸汽的狀態,及時計算出過熱狀態、飽和狀態下的蒸汽密度。目前市場上已經有了具有此功能的智能流量積算儀如FLC-2800。當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功能的積算儀。以便可以根據蒸汽的實際狀態及時查找不同的數表,從而得到蒸汽的密度值。
        b)對于飽和蒸汽單參數補償的系統,盡量采用壓力補償,這樣即使發生了相變,也會使誤差遠小于單溫度補償的系統。
      c)流量計安裝地點應妥善考慮,應選擇不容易導致蒸汽發生相變的位置,如避開經常有減壓操作的設備和減壓閥門后面,輸送蒸汽的管道和渦街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,而這個數據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。
        供收雙方在確認了雙方流量儀表都處于正常良好的工作狀態前提下,可以根據長期存在的差量和現場的實際工況,根據經驗確定出不同時間段濕蒸汽的含水程度,然后在積算儀表內設置相應的濕度補償運算公式,通過人工輸入蒸汽干度x或濕度y數值,就可以對濕飽和蒸汽進行濕度補償運算[1]。只要濕度指標估算基本正確,雙方差量的矛盾就可以大大緩解。


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