流量计系列产品
 
 

关于蒸汽流量计的选型应用及常见问题分析

发布时间:2018-01-05
 

北京燕山石油化工(集团)公司是国家特大型企业。在这个大型企业里,计量管理方面的任务是相当繁重的,全公司一级(各厂际之间的)计量仪表共有523套,其中蒸汽系统的计量仪表84套,占公司一级计量表的16%。
该公司的蒸汽是各生产企业的能源之一,有的直接参与化学反应,但多数是用其热能。每年产汽量约一千万吨(其中本公司内消耗0.985Mt,对外供应150kt),面对的是国营、集体和个体数十个企业,数百个用户。其蒸汽量是如何计量和管理的呢?
对比较大型的用户—各生产厂的蒸汽管理主要是由公司动力处和调度处管理,所用计量器具是各生产厂自己管理,发生计量纠纷由公司计控处负责仲裁处理。对于地方小型企业用户,由公司水电汽管理所负责签合同处理。
计量器具的选用,由于孔板测量技术发展成熟,有相应的国标和国际标准作支持,本身结构简单、造价低,耐高温性能和抗振性能好,所以对于大中型管道,如DN200以上管道,多是采用孔板差压式流量计,尤其是高压过热蒸汽,全部是采用孔板差压式流量计。对于中小管道,一般在 DN150以下,除了孔板差压式以外,涡街流量计使用数量越来越多。而对于更小的用户,管径在DN50以下的,多为涡街流量计和分流旋翼式流量计。具体数据统计如表1所示。

对于各厂生产装置内及车问级的蒸汽测量及计量,也多是采用孔板差压式流量计。除了上述流量计之外,也有用阿纽巴等流量计的。
从计量管理角度,对蒸汽测量系统提出如下要求:蒸汽测量系统要求要有温度和压力补偿环节;对其系统测量误差的要求—过热蒸汽计量系统误差不大于±2.5%,饱和蒸汽计量系统误差不大于±4%。
1、蒸汽计量系统运行情况
关于蒸汽流量计量,过去各厂际之问,多次因计量不准,供需双方发生计量纠纷。近几年来随着技术的进步、计量器具产品质量的提高且加强了蒸汽系统的管理,大多数的蒸汽计量系统运行正常,保证了生产的正常进行,同时也满足了供、需双方贸易结算的要求。能够正常运行的测量系统,一般都是领导重视,工程技术人员精心设计,认真选型,成套性完善齐全,投入较大。如采用计算机管理、带压力温度补偿、变送器选用的精度较高、系统带小信号切除、随时跟踪测试计算、自动打印日报、月报等功能。只要仪表维修人员精心维护,一般不会出现问题。但是对一些小型用户,如采用分流旋翼式流量计的问题较多,系统测量精度不高,并且还很难保证;计量器具不能走周检;故障率高,甚至用不到一个采暖期就坏等。
2、存在问题及应采取的对策
由于蒸汽系统温度较高,相比之下测量难度较大,对测试系统的要求高一些,有些计量器具满足不了它的要求,在此测试系统中运行时间稍长些就损坏,产生故障较多。
从处理公司内部计量纠纷情况看。北京燕山石油化工(集团)公司对计量纠纷的管理,原则上是以“协商”解决为主。发生计量纠纷时,当事双方的计量管理人员,共同审核检查对方的计量管理、计量器具的维护检定、计量数据的核查,对其差量进行分析,在分析的基础上,友好协商处理。协商不下,再向公司(计控处)打申请仲裁报告。这种报告从l993年4月至1995年4月两年时间内收到l2件,其中蒸汽计量纠纷有5件,占整个公司计量纠纷的41.7%,占的比重是很大的。如果统计到1998年4月,5年内共收到25件计量纠纷。蒸汽计量纠纷仍为上述5件(这三年出现的蒸汽差量均在下边协商解决了),所占比例为20%。这说明近几年蒸汽计量工作有所改善,但是此数也不小。产生计量纠纷的原因是什么呢?通过数次对现场调查分析,归纳有3条:一是计量器具方面的原因;二是管理方面的原因;再就是人为因素。现就计量器具方面原因分析主要有以下几个问题:
1)蒸汽计量器具的性能有待提高,选型挑选的余地有待扩宽。根据我公司蒸汽计量采用孔板差压式流量计较多,特别是70年代建的老装置中,可以说绝太多数为此类仪表。该类计量器具存有一定的弱点:结构中引压管系统易堵、易漏、易冻、易汽化等,造成仪表一次安装工程量太,费用高,维修工作量亦太;孔板为节流型压损太,长期运行能耗太;长期运行中孔板几何尺寸变化,锐角变钝,甚至变成喇叭口形,对提高或保证其系统的测量精度,还是有一定困难的;虽然目前已出现孔板、三周组、导压管和变送器一体化的产品,二次仪表也已微机化、智能化,使孔板测量技术提高一大步,但是孔板本身锐角会变钝造成流出系数变化,使测量误差增大尚不能克服改善,尽管已有钝化的孔板产品出现,但其相应的钝化标准及其检测器具配套尚待完善。
随着仪表制造技术的提高,耐高温的涡街流量计、阿纽巴(均速管之类)流量计等在蒸汽系统测量中应用越来越多。但是它们也各有各的弱点,像涡街流量计它耐高温只能达到200多度,对320℃以上的蒸汽系统使用涡街流量计尚缺乏经验,何况它测量时要求的雷诺数比孔板差压式流量计高出一倍,其更大的弱点是抗振性能差。阿纽巴之类的表所产生的差压信号值较低,给差压信号检测带来一定难度。总之适用蒸汽计量的检测仪表的性能还应大力提高和改进,适用蒸汽计量的计量器具的选择余地还应再扩宽。
2)蒸汽计量表的检定,目前尚不完备,是制约蒸汽计量工作的一个重要环节。
蒸汽流量计量检定装置”在烟台、广州、兰州等地都出现过,由于这种装置浪费能源、难以操作、检定精度低、费用高、没有发展前途,坚持下来的不多。利用孔板差压式流量计其捡测元件孔板,可以用“干标法”对其几何尺寸的检查检定—这也是蒸汽测量系统选用它较多的一个重要原因。但是这个几何尺寸的检测,由于检测人员的经历不同,检测尺度难以掌握,造成的测量误差也是较大的。
至于涡街、阿纽巴、分流旋翼式等表,只要用于计量,都得进行周期检定。试想流量计本身不准,或没有对其精度进行检定的手段,怎样能确保蒸汽流量计量准确呢?前面提到蒸汽计量检定装置有它的不足之处,将陆续退出历史舞台,代之兴起的是用压缩空气代替蒸汽进行蒸汽流量计的检定,这是方向。但是它还有待研究完善。目前看,这方面的资料、数据还太少,更没有什么标准可依。无论是从理论上还是实践数据上,还应作大量的实践工作,以达到规格化、标准化。
这里插一段北京燕山石油化工(集团)公司这方面的工作情况:笔者1982年参加化工部系统流量测量技术交流会,奢上交流一篇“浅谈蒸汽流量计的特定”(后改为“介绍一种蒸汽流量计的标定方法”,刊登在1983年的《炼油化工自动化》杂志上),大意是提出对几种类型的蒸汽流量计实行在较容易实现的低压蒸汽装置上实刹标定,再通过壹图乘以密度校正系数Kr值的标定方法。到会指导的专家龚家彪教授说:“作为一种对蒸汽流量计标定的方法是可以的,不过国外在研究用空气作标定介质。”从此次套议后,国内外一些仪表大企业来进行技术交流时,就向他们咨询了解这方面的情况,得到的回答都是“在研究”或“不知道”。l989年我们计控处自己设计一套蒸汽流量计量检定装置,是利用中压过热蒸汽(名义上压力为1.2MPa),经过检定装置后,降为0.3~0.4MPa的低压蒸汽作采暖用。同时引进工艺杂用风(即压缩空气),拟最终成为气体流量计量检定站。设计完后,首先公司内有关领导审阅同意后,又请国家计量院等单位的专家审核,定案后于1990年开工兴建。由于各种原目至1998年才结束,长达9年未能投用(现仍在积极活动争取旱日投用)。1994年笔者完成一篇“浅议以压缩空气代替蒸汽对蒸汽流量计进行标定”的文章,1995年在大庆全国流量专业技术交流会上交流,并被推荐到1996国际流量专业委员会召开的流量技术研讨会上,文章被收录到“96国际流量专业技术研讨会论文集”内。该文从流体力学角度出发。利用其相似原理—两种流体的流束几何相似,雷诺准数相同,流量系数相等,说明以压缩空气代替蒸汽检定蒸汽流量计是有理论依据的。本想在我们蒸汽捡定装置上,利用蒸汽和空气两种介质时蒸汽流量计进行检定对比,从理论上和实践上加以论证。由于没有实践数据,文章只是从理论上作了说明。何日能补上欠缺的实践数据。只看各级领导的支持情况了。
但我们距用空气代替蒸汽进行蒸汽流量计检定,还有一段距离!这个距离要靠各级领导、各位专家和同行们共同努力,以理论与实践相结合,找到用空气检定过的表,再经某公式或系数处理后,就得到应用到某规格蒸汽(某压力、某温度)下进行测量时,可能产生的误差范围值。即检定出其蒸汽流量计的误差。
国外在以空气代替蒸汽进行蒸汽流量计标定进行到什么程度。问过一些商社,仍得不到满意的答复。只知道他们的蒸汽流量计出厂前,台台进行检定,实际详情不了解。根据我们的情况,为了搞好蒸汽的计量和热能(值)的计量,建议国家有关部门投资搞好此项研究开发和建标工作。具体作法是国家有关部门投资与有条件的企业结台,选用数种类型、数种规格和各数台蒸汽流量计,利用蒸汽和空气两种介质进行检定对比。在掌握有一定数量(当然越多越好)的实践数据基础上,统计、归纳出某种公式或某系数及其误差范围后,召开具有一定级别的鉴定会进行鉴定,成熟的话就可推广应用直至建标。不成熟就指出下步应继续研究开发的方向和具体应做的工作(当然也可以边推广边研究开发)。
在这方面,上级有关部门能给予资金支持的话,与有关领导协商后,燕化公司的“中石化流量计检站”,有条件承担部分研究开发工作,我们在现有蒸汽检定装置的基础上加以完善,可完成数台表用气、汽两种介质检定的数据对比、归纳工作。一方面可在原蒸汽装置搞好DN1O0以下 的对比工作。另一方面将天然气引进北京燕山石化(集团)公司。正在考虑计量仪表在线标定的同时,也考虑利用天然气2MPa高压气源,增建大气体流量计量检定站,介时达到对DN5O0以下气体 (包括蒸汽)流量计的检定。这两个站如能实现,并发挥好其作用,对搞好蒸汽计量将是重大的贡献。
3)管理方面。蒸汽是生产企业的一种主要能源,我公司内部,供、需双方管理都比较严格。从节能降耗角度,都在千方百计地降低能(汽)耗。但是从管理上,若从“消费者”的利益出发,不应光搞蒸汽计量,还应搞好“热能 (值)”的计量 。有的蒸汽送到用户,由于降压、散热,到用户的蒸汽,远不是所要求的多少压力、多高温度的蒸汽了,而变成携带热量很低的汽、液混合物了。要想台理的管理。还必须配备精度较高、寿命较长的在线干度计(饱和蒸汽系统中用)、热值仪等仪表。
管理方面的另一个问题,就是国家有关部门应加强节流装置计算软件的管理。据我们接触到的,都符合IS05167和GB2624标准。不同单位的软件,计算结果是有差异的,有的差异值较大,已超出允差范围。对用户来说,买到那个符合国际和国家标准的软件,应用均应是合法的。但是无论是设计还是用户因只用其中的一种,是不会发现的。但是它造成的差异会在测量系统中长期存在。因此应加强管理。设法消除之。
4)根据目前蒸汽测量中采用孔板差压式流量计是最多的,并且它也将是在正在酝酿制定的蒸汽流量计量的国标中,被首先推荐采用的计量器具。但是它的压损大,长期运行耗能耗费大。大到什么程度,由于孔板开孔采用的孔径比β值不同,孔板的永久压损值不一样。如通常选用β=0.5左右;流出系数C=0.62左右。按国标推荐的估算压损公式计算出δp=0.73△p即为最大差压的73%。通常选用的差压多为40kPa,按此计算出它的压损近似为30kPa。对此相同的流量参数,若选用涡街流量计,它的压损约为孔板压损的5%一6%(不同厂家产品,有所区别);若选用均速管流量计,它的压损约为孔板压损的1%(V巴管流量传感器)~4%(托巴管流量传感器)。而由能量消耗计算公式:
式中W—功率。W;
qm—质量流量,kg/h;
η一电机、泵的效率;
ρf一操作状态下的密度,kg/m³。
可知耗能与压损δp为正比关系。具体例题计算从略,现只给出结论—平均若以DN200口径管道上的孔板为例,年耗能30kW(较容易达到),选用涡街流量计才消耗两点几千瓦,而选用均速管流量计仅消耗零点几到一点几千瓦。一般每个生产装置都有几十套孔板,一个生产厂的孔板数量就更大了。如果有条件更换为节能型仪表,这个节能效果是很可观的。何况孔板其流出系数C值会因孔板锐角钝化而变化,使测量精度降低等弱点,应大力提倡和推广节能型流量计。特别是目前变送器制造技术大大提高,测量精度和转换变送精度都大大提高,为节约能源,大力推广节能型仪表是完全可行的。
北京燕山石化(集团)公司除了在加强对现有蒸汽测量系统维护管理外,计划在车间(装置)级的蒸汽流量测量中,试用一批节能型仪表。作法是先对俗选用的流量传感器进行性能测试,若制造质量合乎要求,再安装到生产装置中试用。若效果好,将推广到蒸汽测量及其他测量系统中应用。
注:此文是在应仪表学会节能应用技术分会之邀,在“全国蒸汽流量计量研讨会”上的发言稿的基础上修改而成,面向上级提建议含量较多,不妥之处请指正。