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以压缩空气代替蒸汽进行蒸汽流量计的检定

发布时间:2017-11-07
 

摘要:从流体力学角度出发,利用其相似原理,即两种流体的流束几何相似,雷诺准数相同,流量系数相等的原理,说明以压缩空气代替蒸汽标定蒸汽流量计是可能的。并通过气体粘度的计算,求出以空气代替蒸汽的关系及其具体作法。
在石油、化工、热电、石化等厂矿企业里采用着大量的各种类型蒸汽流量计。由于以蒸汽作介质对蒸汽流量计实测检定难度大、精度低、费用高,致使一些使用蒸汽流量计的单位,不愿送出去检定;而有能力开展这项检定业务的单位尽管很少,就是这很少的单位,也因检定成本太高,难度又大,也不愿开展这项业务。造成一些企业,甚至是一些技术较先进的大型企业,对蒸汽计量管理也存在很 多问题:对蒸汽计量仪表仅能修理不能检定;蒸汽计量率低;蒸汽计量仪表精度低误差大。这给企业的成本核算和节能降耗带来很大 影响。
为了改变这种状况,国内外一些有能力的有关院、所和企业,都在积极投资、组织人力研究以空气代替蒸汽,对蒸汽流量计进行检定的问题,并且认定这是今后的发展方向。但是研究进展速度不太理想,我们的蒸汽流量计检定站从1989年建立以来至今尚未拿出满意的数据,而从听说有研究此课题(国外)的以来,至今10多年了,与外商接触谈及此问题时,他们回答仍是说在研究。当然是由于保密的原因吧,国内外的一些研究进展较快的单位,都不愿多透露半点信息。致使我们至今尚未见到真正从理论上阐述利用空气代替蒸汽进行蒸汽流量计检定的任何资料,更谈不上有实测或修正数据供推广应用。这里谈点个人浮潜的看法,愿它能起到抛砖引玉和推波助澜的作用。
能不能用压缩空气代替蒸汽对蒸汽流量计进行检定?能,有什么理论依据?又是怎样的代替法呢?
1、用压缩空气代替蒸汽对蒸汽流计进行检定的可能性
理论依据就是从流体力学角度出发,根据相似原理,两个几何上相似的流束,如果它们的雷诺准数值相等,即流束在流体动力学上是相似的,这时其流量(出)系数也是相等的。基于这个理论,在对蒸汽流量计检定时,设法使压缩空气在管道内流动的雷诺数值,等于蒸汽在此管道内的流动的雷诺数值时,即认为两个流束在流体动力学上是相似的,它们的流量(出)系数也是相等的,通过检测设备检测,在检定装置上显示出的值也是相同的,即达到以压缩空气代替蒸汽的目的。
2、计算分析
如何代替呢?基于上述原理,为了使空气和蒸汽在相同管道内的雷诺数达到相同的条件,进行计算分析如下。
根据基础数据不同,雷诺数计算可采用的计算公式形式(系数)有所不同。这里不是求具体雷诺数值,而是利用其公式中的某项因子分析压缩空气与蒸汽之间的关系。
据公式ReD=4qm/πμD知,在同一个管径D值管道中,几何相似的两流束的雷诺数值相同时,可对上式分子上的质量流量qm值和分母的动力粘度μ值分析(π值为常数),两者都是可变化的,但是qm值是可人为规定的数,而动力粘度μ值才是与两种气体固有的性质有关的参数,当然它是随操作条件变化而变化的,但是相同条件下,不同气体,粘度μ值不同,雷诺数计算值就不同,因此粘度μ值成了分析雷诺数的关键。
粘度μ值的求取方法,有查图法和计算法。查图法一般人为视差较大,而计算方法人为误差较小。何况布朗利和威尔克对赫希菲尔德方程进行修正后,提出的低压气体粘度方程式,正适用于我们检定装置,一般检定装置在检定过程中,系统的压力都不高,都属于低压范畴的,所以对于低压气体-压缩空气和蒸汽的粘度μ值可采用该方程式进行计算:即:

式中
μ-气体动力粘度,厘泊;
M-气体分子量(查表知:空气为28.95,蒸汽为18.02);
Tc-临界温度,K(查表知:空气为132.4K;蒸汽为649.15K);
Vc-临界体积(查表知:空气为29.9cm³/克分子;蒸汽为18.9cm³/克分子),cm³/克分子;
F-系数(是f(1.33Tr)函数,查表可知);
Tr-对比温度(Tr=Tf/Tc);
Tf-操作温度,K。
由上述可知,应先确定检定装置所采用的压缩空气和过热蒸汽的操作温度条件,才可计算。
根据我们中石化流量计量检定站的情况,确定压缩空气的操作温度为20℃,即Tf=20+273.15=293.15(K)。而蒸汽采用微过热蒸汽,具体操作条件是:操作压力为绝压P绝=9kgf/cm²(注:可查的标准和工具书的表格中所涉及到的压力、粘度、密度等都是旧单位制,虽然均可以换算为新单位制,考虑此文只是论证以压缩空气代替蒸汽进行蒸汽流量计检定的道理,若转换为法定计量单位时,篇幅要加长,不利于说明间题。何况实际应用时,在此结果的基础上转换即可,结果是一样的。因此,此文中均未采用法定计量单位),过热温度为190℃(饱和温度为174.5℃),即
Tf=190+273.15=463.15(K)
计算对比温度Tf值:
空气Tf=Tf/Tc=293.15/132.4=2.214
蒸汽Tf=Tf/Tc=463.15/649.15=0.713
查表得系数F值:
F气=1.65  F气=0.6
两种气体的粘度μ值计算:

通过粘度计算结果表明,空气和蒸汽在限定的操作温度条件下,空气的粘度比蒸汽的粘度大。
根据限定的两个雷诺数相等的条件和计算公式ReD=f(qm/μ),即当ReD气=eD汽时,可知qm气/μ气=qm汽/μ汽
也就是qm气/qm汽=μ气/μ汽=1.1655
因qm=Vρ
故导出,若保持体积量V值相同,则密度ρ气/ρ汽=1.1655;若保持密度ρ值相同,则体积V气/V汽=1.1655。
也就是说,为了达到ReD气=ReD汽,改变气体的体积量或密度值均可实现。
这里先按保持体积量相同分析-可称等体积法。已知蒸汽的操作条件,即P绝=9kgf/cm²(1kgf/cm²=0.1MPa,下同),Tf=190℃,它的密度由查表得知ρ汽=4.3687kg/m³,所以空气的密度为
ρ气=1.16546ρ汽=1.16546×4.3687=5.0921(kg/m³)
根据空气的密度表,可查出在操作温度为20℃时,密度为5.0921kg/m³所对应的操作压力为多少?用内插法查表计算:
当空气P绝=5kgf/cm²时,ρ=5.8305kg/m³,
当空气P绝=4kgf/cm²时,ρ=4.6644kg/m³,
计算5.8305-4.6644=1.1639
5.0921-4.6644=0.4277
0.4277/1.1639=0.3675
则P绝=4+0.3675=4.3675(kgf/cm²)
即当检定蒸汽流量计时,本想在操作绝压为P绝=9(kgf/cm²),操作温度为190℃的过热蒸汽条件下检定,若改用压缩空气代替,按等体积法计算出,当空气操作温度为20℃时,其操作压力P绝=4.3647(kgf/cm²)。
或将空气视为理想气体,由理想气体方程式PV=RT得知压力与密度、温度等的关系式为P绝=ρRT
式中ρ-密度,kg/m³,此处ρ=5.0921(kg/m³);
R-气体常数,kg·m/kg·℃,空气为R=29.27;
T-温度,K,T=20+273.15=293.15(K)。
P绝=5.0921×29.27×293.15=43692.76(kgf/m²)=4.3693(kgf/m²)
两种计算结果约有万分之五的误差,这时正常的,可以认为是空气及蒸汽数据表本身的精度及计算公式本身的精度等原因所造成的。
若保持密度ρ值相同-可称等密度法。为达到qm气=qm汽,在ρ气=ρ汽=4.3687(kg/m³)的条件下,V气/V汽=1.16546,即此时空气的体积流量应比蒸汽流量增大为1.16546倍。此时的空气操作压力可从空气密度表上,用内插法计算求出,也可用气体方程式求出。根据理想气体的压力与密度、温度等的关系计算,此时的空气操作压力为
P绝=ρRT=4.3687(kg/m³)×29.27(kg·m/kg·C)×293.15(K)=37485.629(kgf/m²)=3.7486(kgf/m²)
若已知蒸汽流量计的现场运行条件,直接用现场蒸汽实际运行条件,如其操作压力P绝=4(kgf/cm²),操作温度为150℃(此压力下的饱和温度为143℃)时,可用上述方法求出操作温度为20℃时压缩空气的操作压力,计算如下。
首先按上述方法计算出此操作条件下的蒸汽粘度。

若采用等密度法,即ρ气=ρ汽-2.082(kg/m³),空气的操作温度已定为20℃,则此时的空气操作压力为P绝=ρRT=2.082×29.27×293.15=17864.6(kgf/m²)=1.786(kgf/cm²)。在此操作状态下,由于qm=Vρ·ρ值不变,欲想达到ReD气且qm气/qm汽=1.2716条件,V值体积量应增大为原来量的1.2716倍。
通过上述计算可知,蒸汽的压力、温度不同,所对应的压缩空气的操作压力,在操作温度一定的前题下(室温)是不同的。也可说,现场蒸汽运行条件尽管千差万别,只要知道被检定的蒸汽流量计现场运行的操作压力、温度等条件,如果以压缩空气作介质检定蒸汽流量计时,都可以求出其对应的操作压力和温度条件。
无论是用蒸汽流量计现场运行条件,求出压缩空气的操作条件,进行蒸汽流量计的检定,还是用蒸汽流量计检定装置设计的蒸汽运行条件,求出的压缩空气操作条件,进行蒸汽流量计检定(从检定误差等方面分析,两种方法各有利弊)都存在一个在实验室条件下检定后,如何转换到现场操作条件下运行的仪表误差问题。
3、误差的消除
为了适应上述转换,检定记录表时,应增加如下内容,如下表所示。
从表中可以看出,我们前面论证的计算实质是将b值转换为c值,检定后得到C1-6值后还需再进一步转换。
第一步是将c值转换为修正后的蒸汽流量d值。这个转换过程,实际是将常温20℃下的量转换为对应蒸汽条件(温度)下的量,因为这两种状态温度相差较大,会给不同类型、不同材质的蒸汽流量计,造成不同的影响,即产生的误差不同。对于孔板差压式流量计,孔板的孔径受热膨胀,孔径变为D=D20·[1+λD(t-20)];而对夹装式涡街蒸汽流量计,可采用K修=K[1-λD(t-20)]式。故依据此原理来进行计算修正这部分误差。而分流旋翼式等蒸汽流量计,应通过大量的实践数据,找出较准确的修正系数或修正公式。这项工作可以边实践边积累,先找出粗的(误差较大)系数应用,以后再进一步作细致工作,最后找出较准确的修正因子,使理论上对应的Cx值,很容易地转换为真实条件下的蒸汽量d值。

第二步是将修正后的蒸汽量d值转换为现场运行条件下的蒸汽流量qm值。
如果检定蒸汽流量计的压缩空气的运行条件,是在现场实际操作条件下推算出来的,流量计检定后转换到第一步d值即可,d值也即是现场运行条件蒸汽量qm值。如果压缩空气运行条件是由蒸汽流量计检定装置原设计的固定的蒸汽条件推算出来的,还需要这第二步转换。这个转换可采用密度校正系数法进行修正。
4、结论
采用压缩空气代替蒸汽检定蒸汽流量计,其意义重大,难度亦大。其检定误差分析也是难题之一,因它涉及的因素、环节多,需作专题探讨。