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對(duì)使用煙道氣流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量的準(zhǔn)確度問題分析

1、影響蒸汽流量測(cè)量的主要因素
1.1 測(cè)量元件
一次測(cè)量元件孔板的入口銳邊磨損、積污,節(jié)流件前后直管段內(nèi)結(jié)垢、粗糙程度改變等。
1.2 測(cè)量管
對(duì)測(cè)量管沒有按規(guī)定要求去做,安裝測(cè)量元件時(shí)直管不符合要求、內(nèi)徑D數(shù)值不準(zhǔn)確等。
1.3 密度
對(duì)密度的計(jì)算不準(zhǔn)確,我廠大部分蒸汽儀表測(cè)量是用DCS里的氣體補(bǔ)償方式、或用智能流量二次儀表的氣態(tài)方程來(lái)計(jì)算蒸汽的密度,再有就是根據(jù)工藝車間提供的數(shù)據(jù)直接做為蒸汽密度的參考值,雖然測(cè)量系統(tǒng)或多變量變送器(Honeywell SMV3000系列)有壓力溫度補(bǔ)償,但因?yàn)橛?jì)算公式或組態(tài)軟件使用不正確,使補(bǔ)償失準(zhǔn)。
1.4 相關(guān)系數(shù)
有的實(shí)際工作流量不在界限雷諾數(shù)范圍內(nèi),使得流出系數(shù)C(或流量系數(shù)a)不再是一個(gè)恒定的常數(shù),而DCS或智能一次表中又無(wú)修正功能,只能按常數(shù)計(jì)算,從而帶來(lái)測(cè)量誤差。
1.5 量程
有的儀表量程選用不合理,工作區(qū)經(jīng)常在滿量程的50%甚至20%以下,從而使相對(duì)誤差變大。
2、原因分析
2.1 節(jié)流元件磨損、臟污、變形
由于我廠的節(jié)流裝置大部分采用煙道氣流量計(jì)作為一次測(cè)量元件,因此孔板的好壞就成了影響計(jì)量準(zhǔn)確度重要因素之一。在實(shí)際使用中孔板入口邊緣的易磨損、氣蝕、前端面積污等,都是不易克服的缺點(diǎn),由于節(jié)流裝置的計(jì)算數(shù)據(jù)是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下得到的,如果裝置中節(jié)流元件的實(shí)際條件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)條件或偏離規(guī)定,必然會(huì)帶測(cè)量結(jié)果的誤差。
2.2 測(cè)量管
測(cè)量管是節(jié)流裝置的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)有重要的影響,流體流經(jīng)諸如彎頭、閥門、縮徑管、擴(kuò)徑管等阻流件后,會(huì)產(chǎn)生速度畸變、旋轉(zhuǎn)流及非定常流,由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的各項(xiàng)參數(shù)是在充分發(fā)展管流、無(wú)旋轉(zhuǎn)流以及定常流的參考工作條件下實(shí)驗(yàn)得出的,如果不滿足規(guī)定的條件,就會(huì)造成流出系數(shù)偏離正常值,影響測(cè)量準(zhǔn)確度。當(dāng)然要在現(xiàn)場(chǎng)裝置使用中完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的條件,也是不現(xiàn)實(shí)的,但我們應(yīng)盡量在安裝過程中,*大化的向標(biāo)準(zhǔn)條件靠攏,力求測(cè)量誤差*小。
在我廠許多裝置中我發(fā)現(xiàn),有的節(jié)流件上下游直管段不滿足要求,不管節(jié)流裝置的具體情況,例如彎頭,三通的數(shù)量及分布情況,直管段上縮、擴(kuò)管的情況,以及閥門的開度等情況,大部分采取前10D后5D的安裝,甚至小于前10D后5D的安裝。關(guān)于直管段內(nèi)徑D的數(shù)據(jù),按規(guī)定應(yīng)該采取實(shí)測(cè)值,而實(shí)際情況是都沒有實(shí)測(cè)量D值,有的采用工藝提供的數(shù)據(jù),有的是查以前資料,甚至有的用公稱通經(jīng)代替D值作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù),從而使一開始計(jì)算書就有誤差。
關(guān)于測(cè)量管內(nèi)表面粗糙度對(duì)測(cè)量的影響是*為復(fù)雜的,也*易被忽略,特別是投用時(shí)間比較長(zhǎng)的情況下,管內(nèi)的結(jié)垢,磨蝕等都會(huì)使粗糙度遠(yuǎn)差于新投用時(shí)的情況。即使是新安裝的管道,如果粗糙度達(dá)不到要求,都應(yīng)該進(jìn)行加工以達(dá)到規(guī)定的要求。即使是管流已達(dá)到充分發(fā)展管流時(shí),粗糙度對(duì)流體仍是有影響的,見圖1。
圖1光滑管與粗糙管的流速分布
從圖1中可以看出:粗糙管的流速分布與光滑管是有區(qū)別的,因此流出系數(shù)也不會(huì)相同。我廠大部分的蒸汽測(cè)量管都是直接用工藝管道,沒有在定貨時(shí)與節(jié)流裝置整體加工,投用時(shí)粗糙度是否合乎要求也無(wú)從知道,況且經(jīng)過多年的運(yùn)行也沒有進(jìn)行過檢查和清理,粗糙度對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響肯定是存在的。
2.3 密度計(jì)算
對(duì)于蒸汽的流量測(cè)量,人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償,但是由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠,在實(shí)際工作中往往存在一些不正確的做法。
蒸汽是比較特殊的介質(zhì),一般情況下所說(shuō)的蒸汽是指過熱蒸汽。而過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。其中絕不含液滴或液霧,屬于實(shí)際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數(shù)是兩個(gè)獨(dú)立參數(shù),其密度應(yīng)由這兩個(gè)參數(shù)決定。
過熱蒸汽在經(jīng)過長(zhǎng)距離輸送后,隨著溫度、壓力的變化,特別是在過熱度不高的情況下,會(huì)因?yàn)闊崃繐p失溫度降低而使其從過熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)。轉(zhuǎn)變成飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽容易凝結(jié),在傳輸過程中如有熱量損失,蒸汽中便有液滴或液霧形成,俗稱溫蒸汽(其質(zhì)量一般用干度這一參數(shù)來(lái)表示,干度是指單位體積飽和蒸汽中干蒸汽所占的百分?jǐn)?shù))。這時(shí)它已不屬于嚴(yán)格意義上的氣體,其密度也發(fā)生了很大變化。所以,不同狀態(tài)下不能用同一氣體狀態(tài)方程來(lái)描述。
在日常的流量測(cè)量中,大家往往只重視差壓信號(hào)的準(zhǔn)確與否,并常常使用高精度的差壓變送器,而忽略了密度在測(cè)量中的重要地位。其實(shí)這個(gè)問題只要看一看節(jié)流裝置流量方程就非常清楚了,流量方程為:
qm=k(2△p·p)1/2
式中
qm-質(zhì)量流量,kg/s
C-流出系數(shù);
ε-可膨脹性系數(shù);
β-直徑比,d/D;
d-工作條件下節(jié)流件的孔徑,m;
D-工作條件下上游管道內(nèi)徑,m;
△P-差壓,Pa;
P-流體密度,kg/m3。
從上式中我們可以看出差壓與密度在測(cè)量中是處于同等地位的。然而在實(shí)際使用中由于忽視了密度對(duì)流量測(cè)量的影響,因此往往不重視對(duì)密度的認(rèn)真研究和分析。
我們知道:對(duì)氣體流量的測(cè)量,如果沒有溫壓補(bǔ)償,測(cè)量結(jié)果是不準(zhǔn)確的。因此無(wú)論是以前的電III型儀表,還是近些年廣泛使用的智能儀表、DCS,乃至到去年我廠新安裝的多變量?jī)x表(HoneyWellSMV3000),都有不同的補(bǔ)償方式。為求得準(zhǔn)確的氣體狀態(tài)方程,經(jīng)多年努力,仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的氣體狀態(tài)方程,只有眾多的實(shí)際氣體狀態(tài)方程。而本文所討論的蒸汽就有專用的方程,主要是因?yàn)檎羝诠ぷ鬟^程中有物質(zhì)狀態(tài)的變化,與理想的氣體的性質(zhì)有很大的差別,它的物體參數(shù)比理想氣體要復(fù)雜,不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出來(lái)。而實(shí)際生產(chǎn)中,蒸汽流量密度的計(jì)算,大多數(shù)采用的恰恰是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式。但由于使用測(cè)量的儀表不統(tǒng)一,僅智能流量二次表就有不同的型號(hào),對(duì)密度的計(jì)算也各不相同,加上DCS,多變量等儀表的計(jì)算方式也不盡相同,造成密度計(jì)算的不準(zhǔn)確,因此對(duì)蒸汽流量測(cè)量的影響不亞于用一臺(tái)精度差的差壓變送器帶來(lái)的誤差。
2.4 相關(guān)系數(shù)的影響
流出系數(shù)C的定義是:通過節(jié)流裝置的實(shí)際流量與理論流量之比,將這個(gè)比值應(yīng)用到理論方程中,以獲得實(shí)際的流量。在一定的安裝條件下給定的節(jié)流裝置,C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)。
在節(jié)流裝置計(jì)算書中,根據(jù)提供的工藝條件計(jì)算出的C值是一個(gè)固定值,在DCS或智能二次表中都將流出系數(shù)C作為固定值參與流量計(jì)算,而實(shí)際上流出系數(shù)C只有雷諾數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)才可視為常數(shù),實(shí)際使用時(shí)當(dāng)雷諾數(shù)不在這個(gè)范圍時(shí),流出系數(shù)C就不能視為常數(shù)。特別是當(dāng)小流量時(shí),隨著雷諾數(shù)變小,流出系數(shù)C將較大的變化,流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系如下圖2:
雷諾數(shù)Re
圖2流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系圖
從圖2中可以看出:只有雷諾數(shù)Re≥104時(shí),流出系數(shù)C才可以為是一個(gè)常數(shù)。據(jù)有關(guān)資料介紹,當(dāng)Re=103時(shí)(β=0.6),附加誤差可達(dá)-19%,而當(dāng)Re=250時(shí)附加誤差增加到-26%。在實(shí)際測(cè)量中,由于流量變化而使雷諾數(shù)小于界限值的情況時(shí)有發(fā)生。我廠熱電車間某蒸汽流量,*小可達(dá)1t/h,而*大時(shí)可達(dá)28T/h,實(shí)際量程比達(dá)到了28:1。在低限流量時(shí)流出系數(shù)將變化很大,如果不進(jìn)行修正,仍按計(jì)算書的C值來(lái)計(jì)算流量,會(huì)帶來(lái)較大的誤差。在我廠大部分DCS和二次儀表中,都沒有對(duì)流出系數(shù)C的修正功能,由此可見流出系數(shù)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響是普遍存在的。
實(shí)際上,孔板從安裝使用*一天開始,嚴(yán)格上講,它的入口銳邊就開始經(jīng)歷由尖銳到平鈍的一個(gè)變化過程,只不過這種變化*為緩慢人們不易察覺,或者說(shuō)對(duì)儀表準(zhǔn)確度的影響是一個(gè)從小到大的緩慢過程,常常不會(huì)被人注意。如果被測(cè)介質(zhì)是高流速的流體,影響可能會(huì)更為顯著。根據(jù)某專業(yè)雜志報(bào)道,在流體高速臟污的場(chǎng)合,流出系數(shù)C變化百分之十幾也不足為奇,而我廠使用的孔板*長(zhǎng)達(dá)上10年,短的也用了3、4年時(shí)間,因此流出系數(shù)C問題帶來(lái)的測(cè)量誤差是可想而知的。
2.5 儀表量程設(shè)置
在全廠計(jì)量?jī)x表完善項(xiàng)目施工中,我逐漸發(fā)現(xiàn),有部分車間的選用的儀表量程過大,使儀表經(jīng)常工作在量程的50%甚至20%以下,這樣就造成了相對(duì)誤差變大后果。我們都知道,一般儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)都用引用誤差表示的,其實(shí)引用誤差是一種簡(jiǎn)化的相對(duì)誤差。若儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2、0.5或1.0級(jí),所標(biāo)明的是儀表的引用誤差不能超過的界限,也就是說(shuō)合格儀表*大引用誤差不會(huì)超過0.2%、0.5%、1.0%,而不能認(rèn)為它的各刻度點(diǎn)上的示值都具有0.2%、0.5%、1.0%,的準(zhǔn)確度。
設(shè)一臺(tái)儀表的準(zhǔn)確度為S%,量程為0~Xn,測(cè)量點(diǎn)為X,相對(duì)誤差應(yīng)按下式求得:
相對(duì)誤差≤Xn/X×S%。
如果這臺(tái)儀表的量程是0~150,準(zhǔn)確度是0.5,用上式計(jì)算測(cè)量點(diǎn)75、50、30、15的相對(duì)誤差分別為:1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可見,當(dāng)測(cè)量值越接近滿度值,其準(zhǔn)確度越高。這就是我們?cè)谶x用儀表量程時(shí),盡可能在儀表的上限值處鄰近或2/3量程以上的原因。
3 、解決的方法
3.1 節(jié)流元件改用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴
對(duì)于大多數(shù)節(jié)流件孔板入口磨損及臟污等問題,我們應(yīng)該選用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。由于噴嘴入口是一個(gè)光滑的曲面,它的抗磨損、抗積污、抗變形程度遠(yuǎn)好于孔板,流出系數(shù)穩(wěn)定性也比孔板好,在相同流量和相同β值條件下,阻力損失也比孔板小的多(只有孔板的30%~50%),而且它的檢定周期為4年,大大減少了維護(hù)費(fèi)用。
3.2 節(jié)流裝置整套加工
對(duì)于測(cè)量管的影響問題,應(yīng)該采取指定專業(yè)生產(chǎn)廠家,統(tǒng)一加工節(jié)流件,統(tǒng)一加工法蘭、直管段,統(tǒng)一開壓力溫度取樣點(diǎn),統(tǒng)一加工冷凝罐,統(tǒng)一整體組裝。這次全廠計(jì)量?jī)x表完善項(xiàng)目中,有許多節(jié)流裝置就采用了這種辦法進(jìn)行定貨,雖然造成了費(fèi)用高了一些,但是由于測(cè)量準(zhǔn)確度的提高,所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多花的費(fèi)用的。
3.3 采用正確公式計(jì)算密度
關(guān)于密度的計(jì)算,針對(duì)計(jì)算公式不統(tǒng)一的問題,我們這次全廠計(jì)量?jī)x表完善項(xiàng)目中,統(tǒng)一采用了美國(guó)HoneyWell公司的SMV3000系列多變量?jī)x表,而且蒸汽的測(cè)量信號(hào)(差壓、壓力、溫度)先進(jìn)入SMV3000儀表進(jìn)行運(yùn)算,計(jì)算后的流量信號(hào)再根據(jù)需要送至DCS或全廠計(jì)量?jī)x表系統(tǒng)進(jìn)行顯示,累積。
3.4 量程選用盡量合理
關(guān)于量程選用的問題,根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況,在滿足工藝要求的前提條件下,盡量使儀表工作在滿量程的2/3以上。但因有些生產(chǎn)工藝的特殊性,在低流量下運(yùn)行的情況還是存在的。
4 、效果評(píng)價(jià)
全廠蒸汽流量?jī)x表在改造以前,熱電車間與工藝車間的蒸汽計(jì)量誤差在10%~20%之間,改造后,經(jīng)過儀表專業(yè)技術(shù)人員的努力,蒸汽計(jì)量誤差已經(jīng)小于6%,效果還是比較理想的。
由于目前使用流量?jī)x表測(cè)量蒸汽流量,由于被測(cè)介質(zhì)的特殊性,對(duì)于相流經(jīng)常變化的蒸汽,肯定會(huì)存在測(cè)量不準(zhǔn)確的情況,而解決這一問題的根本辦法是開發(fā)一種可測(cè)兩相流動(dòng)介質(zhì)的流量?jī)x表。我相信,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,提高測(cè)量水平的呼聲越來(lái)越高,因此針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況,做一些細(xì)致的技術(shù)工作,一定會(huì)探索出一條蒸汽流量測(cè)量的成功之路。

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