一体化喷嘴蒸汽流量计量常见问题的解决措施 涡街流量计

一体化喷嘴蒸汽流量计量常见问题的解决措施：

蒸汽作为钢铁企业生产中主要的能源介质之一,其准确计量对生产能耗考核、循环经济运行有着重要的意义。长期以来, 蒸汽流量测量中往往遇到测量范围超出设计范围、温度压力变化大、冬季运行维护量大等问题。我公司近年来逐步在蒸汽计量中使用一体化喷嘴流量计,使用效果较为理想。
冶金企业在生产过程中产生大量的蒸汽, 同时蒸汽又是钢铁企业生产中主要的能源介质之一, 广泛应用于动力、 取暖 、 制冷、 生产工艺用热等场合, 尤其是近几年的余热发电,为蒸汽的利用找到了新的途径 。济南钢铁股份有限公司 (以下简称济钢 )蒸汽多采用孔板计量 , 但是因为蒸汽的物理特性不同于氧气、氮气等介质，采用孔板计量蒸汽出现了很多问题:
(1)蒸汽用量随季节变化范围大，实际流量往往超出节流装置设计使用范围。
(2)蒸汽在输送过程中存在相变，过热蒸汽可能变化为饱和蒸汽 , 饱和蒸汽可能变为汽液两态, 给计量带来很大误差 。
(3)由于蒸汽高温压很容易使孔板变形 , 或在节流装置的密封和节流装置与管道的焊接处泄漏 。
(4)在我国北方地区, 蒸汽在冬季需要良好的保温伴热措施,否则冬季容易冻坏变送器。
我公司作为冶金行业建立循环经济的示范单位,公司能源计量工作十分重视 ,从 2005年起逐步进行了煤气、蒸汽、氧气、氮气、生产用水、电等能源介质的计量完善工作。尤其是蒸汽介质的特殊性, 存在诸多问题,一直以来仪表配备率、运转率较低。在此次蒸汽配备中, 我们多采用一体化喷嘴流量计和流量计算机，并用其配套的《流量测量节流装置专家系统软件》对在用的节流装置进行管理,取得了良好的应用效果 。
1、一体化喷嘴流量计的优点：
(1)有标准, 数据溯源简单喷嘴和孔板同属于标准节流装置, 都有标准,节流式流量计技术成熟, 特别是标准节流装置按标准 (ISO5167— 2003E、GB/T2624—2006)设计、制造就无须实流标定, 是其它流量计的。在蒸汽测量研究上, 国内外学者用标准节流装置进行了大量的试验, 给出了修正的数学模型 , 所以采用标准节流装置测量蒸汽有明显的优越性 。
(2)在蒸汽计量中, 喷嘴优于孔板：
标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化, 据悉国内有关部门曾对新装孔板进行跟踪校验, 在孔板连续使用 2 ～ 3个月时, 钝化引起流出系数偏差在 1% ～ 3%,个别严重的在 4%以上, 这已引起了人们的高度重视。目前, 解决标准孔板钝化问题的*好方法是采用标准喷嘴, 由于喷嘴的入口为光滑曲面 ,不易磨损 (见图 2), 它的流出系数非常稳定, 所以JJG640—94规程规定 ISA1932喷嘴的检定周期为4年。再者, 喷嘴在相同流量和相同β值条件下,阻力损失比孔板小得多(仅为孔板的50% ～ 60%), 长期运行情况表明，由于喷嘴在结构上的优势具有耐冲击抗变形的优点, 适应于高温、 高压、 高流速介质。
2、一体化喷嘴对蒸汽计量常见问题的解决措施：
2.1、利用流量计算机和智能变送器改善了节流装置量程比小的问题：
在蒸汽输送过程中, 实际的流量范围往往无法准确确定, 在热负荷变化大的情况下 , 使流量计长时间工作在测量范围以外, 这样就造成了很大的测量误差。因此在设计蒸汽流量计量系统时 , 应考虑使用具有宽量程补偿运算功能的计量系统 。对节流件流出系数 C、 可膨胀性系数 ε等中间参数的实时计算是解决宽量程的关键 。
节流式流量计流量计算公式为:qV=C1 -β4επ4d2 2Δpρ1(1)式中:qV为体积流量, m3/s;C为流出系数;ε为可膨胀性系数;d为节流件开孔直径 , m;D为管道内径 , m;β为直径比 , β =d/D;ρ1为被测流体密度 ,kg/m3;Δp为差压 , Pa。其中:按 GB/T2624— 2006标准孔板流出系数 C的计算式为 :C=0.5961 +0.0261β2-0.216β8+0.00052 1106βReD0.7+0.0188 +0.0063Aβ3.5 106ReD0.3+(0.043 +0.080e-10L1-0.123e-7L1)(1-0.11A)β41 -β4-0.031 (M′2-0.8M′1.12)β1.3(2)式中 :ReD为雷诺数;M′2=2L21 -β;A=19000βReD0.8;L1=l1D为孔板上游端面到上游取压口的距离除以管道直径得出的商;L′2=l′2D为孔板下游端面到下游取压口的距离除以管道直径得出的商;L2=l2D为孔板上游端面到下游取压口的距离除以管道直径得出的商 。流束可膨胀系数 ε的计算式为 :ε=1 -(0.351 +0.256β4+0.93β8) 1 -p2p11/κ(3)式中:κ为等熵指数 ;p1p2分别为节流件前后的压力 , Pa。传统的节流式流量计是将流出系数 C和可膨胀性系数 ε视为定值 (C和 ε由专门的节流装置设计计算软件计算得到 ), 置入现场的流量积算仪 。图 1 是一台孔板流出系数曲线 。
图 1 曲线表明 :当 ReD=3 ×104, C=0.6101;ReD=1 ×104, C=0.6176;平均值C=0.6139, 即 ReD在 3 ×104～ 1 ×104范 围内 (3 ： 1)其不 确定度为 0.61%。当 ReD=5 ×104, C=0.6081;ReD=5 ×103, C=0.6264;平均值 C=0.6 173, 即 ReD在 5 ×104～ 5 ×103范围内 (10：1), 其不确定度为 1.5%, 远不能满足用于贸易结算的上等表对不确定度的要求 。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=100mm, β =0.5)测量过热蒸汽(压力 p=4MPa, 温度 t=400℃), ReD在 28 ×105～2.8 ×105(介质流速:52 ～ 5.2m/s)范围内, 可膨胀系数 ε的不确定度为 3.0%。因此要实现宽量程, 就必须对流出系数 C和可膨胀性系数 ε进行实时计算 。由式 (2)可以看流出系数 C的计算很复杂。相关标准给出了计算流出系数 C的迭代方法, 所以流量积算仪表必须具有高速、 高精度的运算功能和比较大的存贮空间 , 以完成这些复杂的中间参数的补偿运算 。

图 1　流出系数 C与雷诺数 ReD曲线图
智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计算机的问世, 使我们拥有宽量程的智能化节流式流量计成为可能。归纳起来它应具备三个条件:①智能化的宽量程差压变送器 (量程比为 100：1);②差压变送器与流量计算机之间数字通讯 (Hart协议)除能满足全量程差压信号传递的准确性, 而且能够自动迁移测量范围 ;③流量计算机不仅可根据温度、 压力等工况参数对工况流量进行修正, 还可以实时计算流出系数 C、 可膨胀性系数 ε等。符合上述条件的宽量程智能化差压式流量计, 在满足准确度同时, 流量测量范围可真正达到 10：1 (或更宽 ), 节流式流量计的这一飞跃是多项技术进步的成果 , 它改变着人们对节流式流量计的传统认识。
2.2、采用一体化结构方式和防冻隔离器解决冬季仪表保温问题：
传统的节流式流量计的系统构成比较复杂 , 有较长的引压管, 容易阻塞, *为麻烦的是测量蒸汽冬季运行时还需对引压管、 冷凝系统进行保温、 伴热, 稍有不慎便会冻坏差压变送器 , 导致仪表故障 , 影响生产, 因此仪表的维护工作量较大。 ISA1932 化喷嘴(见图 2)很好地解决了上述问题 , 一体化喷嘴是将节流件和差压变送器做成一体, 不仅缩短了引压管线 , 还省去了冷凝和排污系统, 在安装时非常方便 ,不用敷设导压管和安装仪表箱 , 大大减少了安装工时和费用 。由于其装有防冻隔离器 , 冬季运行时再也不用进行保温供热 , 大大地减少仪表的故障率和仪表工的维护工作量。尤其是那些在装置外没有专门的仪表伴热管线的贸易计量点, 更适合使用这种具有防冻隔离器的一体化喷嘴流量计 。

图 2　ISA1932喷嘴图

图 3　YJLB一体化喷嘴流量计图
2.3、输送过程中的相变问题：
利用流量计算机强大的计算功能完成蒸汽密度计算 , 解决蒸汽输送过程中的相变问题 。FC2000流量计算机是一款具有高精度补偿运算 、数据显示存储以及运用网络实现通讯功能的新一代量仪表, 其依据有关标准与建议 、 国家与行业标准, 针对不同介质和流量计类型建立了多种数学模型和相应计算软件。一台流量计算机不仅可完成温度、 压力、 湿度、 密度、 组分等补偿运算, 对节流式流量计的流出系数 C、 流束可膨胀系数 ε、 压缩系数 Z等参数作为动态量进行实时逐点运算, 特别是对蒸汽的密度计算按照公式组织颁布的 IFC1967公式进行计算。FC2000流量计算机具有多种网络通讯接口, 可以采用多种通讯协议, 所以其数据可以方便地接入到企业已有的网络中。另外 , FC2000 流量计算机已经具备了蒸汽能量计量的功能 , 在将来可以方便地以热量为单位进行计量核算。
3、蒸汽计量的几点体验：
通过近几年的实践、摸索,我们认为用具有国家标准(GB/T2624—2006)支持的ISA1932一体化喷嘴作为蒸汽流量测量的一次元件可以很好地解决蒸汽表的周期检定、数据溯源、保温伴热等问题，尤其是配套使用具有高精度、宽量程计算功能的流量计算机进行流量的温度、压力补偿，可以解决传统节流装置量程比过窄的问题，大大减少了企业整个蒸汽管网的不平衡量。在一体化喷嘴测量蒸汽的实际应用与维护中，我们有以下几点经验和体会 :
(1)一体化喷嘴安装应注重部分细节, 如仪表的安装方向 、 密封垫圈材质的选择、 焊接质量等 , 保证安装质量达到产品的设计要求, 确保出具数据的准确可靠 。
(2)一体化喷嘴的维护要和生产信息密切结合,仪表长期停用后再次投入使用时应该对仪表进行检查, 例如差变的零点、 隔离液的情况等, 因此要求生产单位在停用或启用蒸汽时须通知一体化喷嘴的维护单位做相应的检查工作。
(3)一体化喷嘴中的隔离液应定期进行检查和补充 。
(4)蒸汽目前虽然以质量为单位进行核算 , 但是在不远的将来 , 蒸汽必然要采用能量计量, 所以在仪表的选用上应该具有前瞻性 , 应选用同时具有质量计量和能量计量功能的仪表 , 这样在将来采用能量计量时也不用再大规模地更换计量仪表 。