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孔板进行宽量程蒸汽流量测量中小流量解决方案

发布时间:2018-03-20
 

摘要:文章对采用孔板进行宽量程蒸汽流量测量中遇到的小流量测量不出来或不准确问题进行了分析,提出了加装旁路管道提高管道介质流速,采用双变送器配套一套孔板减少变送器误差对测量的影响,采用小的β取值进一步提供测量范围,进行ε膨胀系数的补偿消除误差等一系列解决方案,并进行了相应的理论分析。
我们公司在采用孔板计量装置进行蒸汽流量计量中,由于用户的用汽负荷远没有达到孔板设计负荷,并存在不同时期不同时间的用汽量不同的巨大差异,由于孔板计量装置的量程范围一般在1/3—1/4之间,一套孔板计量装置无法适应这种工况,供汽量小时无法准确计量。为解决这一问题,公司对外供汽计量装置进行了改造,通过采取多项措施和方法解决了这一难题。
1、实际分析和对策
公司冬夏季最大供汽量30t/h左右,最小供汽量10t/h左右,春秋季最大供汽量15t/h左右,最小供汽量2-3t/h左右。最大供汽量将达到80t/h。对外供汽母管管径426mm,蒸汽额定工作温度280℃,工作压力1MPa。
为解决最大与最小供汽量近20倍的巨大差异造成的计量困难,在φ426供汽母管上安装了φ200的供汽旁路,根据用汽量大小进行自动切换测量管线。
通过安装旁路计量管路使在冬夏季对φ426管路中10t/h—30t/h的蒸汽流量进行计量,在春秋季对φ200管路中2t/h—15t/h的蒸汽流量进行计量,这样解决了由于蒸汽流量范围过大,及在最小流量时主管路中介质流速过低,雷诺数Re太小,造成的孔板计量装置无法准确测量的问题。但用常规孔板进行计量仍不能解决最大与最小供汽量近10倍的测量范围内测量精度的需要。因此采用了一套孔板配两台差压变送器分别计量大小流量的办法,通过与智能流量二次仪表厂家合作开发了专用的智能流量表,同时接收两台差压变送器信号,并在运行中根据流量大小,在30%最大流量量程时自动切换两台差压变送器信号进行计算,解决了同一管路中最大与最小供汽量近10倍的测量范围的需要。
在孔板设计中对β值的取值进行了取小值选择以利于测量范围的扩展,并根据实际蒸汽工况在智能流量二次仪表设计中提出了对ε膨胀系数的修正。通过采取上述措施使蒸汽流量在2t/h—30t/h的全程能准确计量。
2、采用双变送器的理论分析
对于孔板式差压流量测量装置当β值一定时,其量程比一般应为3左右,最大不超过4。如果按量程比最大为4,最大流量为40t/h来计算,则最小流量应为10t/h。国家标准《GB/T2624-93流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管得流体流量》中给出的质量流量不确定度的计算公式

从上式可知,对于一个已知的节流装置,δ△P/△P误差分量的变化,将影响δqm/qm值,使孔板测量装置误差发生变化。δ△P/△P原则上应包括与节流装置有关的所有部件(包括差压信号管路、变送器、变送器到显示仪表之间的连接部件和显示仪表本身及其他)的误差。应将所有部件的误差一一估算出来,并取其均方根值,这里仅考虑差压计误差的估算。根据差压式流量计检定规程 JJG640—94 中规定
δ△P/△P=Ee*△Pmax/△Pcom
上式中Ee为差压计的基本误差限,等于差压计的准确度等级,△PMAX为最大差压,△PCOM 为常用差压。设采用0.2级差压变送器Ee=0.2,根据上式计算出当△PCOM分别为1%、2%、3%、…、9%、10%、20%、…、90%、100%△PMAX时的δ△P/△P值。并将计算结果列入表
1.根据表1将△PCOM小于10%△PMAX部分画出曲线1。

从表1及曲线1我们可以看到,当△PCOM渐小于10%△PMAX以后即30%最大流量左右,δ△P/△P的值急剧增加。当△PCOM=10%△PMAX时,仅考虑δ△P/△P因子为对δqm/qm 的影响,则δqm/qm={1/4*(δ△P/△P)2}1/2=1%。故△PCOM小于10%△PMAX以后使整套测量装置的不确定度大大增加,不能满足测量精度的要求。这就是量程比为什么不能选择太大的原因。但是如果我们采用另一个差压计来测量10%△PMAX以下的差压信号,结果将如何呢?我们仍然采用上述的方法来计算出△PCOM在10%△PMAX以下δ△P/△P的值,请看表2中的计算结果,及按计算结果绘制的曲线2。

从表2及曲线2的结果可以看出:增加第二台差压计后,可以使在10%△P*MAX以上范围δ△P/△P的值小于2,故整套测量装置从1%△PMAX到100%△PMAX范围内,既10倍的流量范围内使δ△P/△P的值小于2,对δqm/qm的影响小于1%,能够满足整套孔板测量装置的精度要求。
从以上分析可以得到,采用两个分段测量差压的方法基本能满足小流量测量精度的要求,提高了测量范围。
采用两套差压计同时运行,智能流量表同时接收两路差压电流信号,在30%流量时智能流量表自动切换用于计算的差压信号。在30%流量以上时,小量程测量差压变送器会超量程,但由于采用的差压计有过压保护功能,从实际运行情况看对差压计的运行和精度均不产生影响。
3、对β值的取值分析
为了提高孔板的测量范围,除了采用双变送器测量解决仪表本身误差对测量系统的影响以外,对于β值(节流件孔径d与管道的内径D之比)的取值也应注意以进一步提高小流量时的测量精度。
由于工艺管道在设计时考虑工艺管道能通过的最大流量,这样就使工艺管道中流体在小流量时流速较低,流体的雷诺数Re数偏低。对于标准孔板流量计其测量Re数范围为5000—107。故在设计测量蒸汽流量装置的设计中,采用了旁路管道的措施,便于流量测量切换。但由于需测量的流量量程太宽,在主、旁路管道孔板测量中除采用双变送器测量来解决仪表本身误差对测量系统的影响以外,通过选用较小的β值以进一步提高测量范围。
流出系数C与管道的内径D、节流件孔径d、流体雷诺数Re等有关,通常把它看作常数,实际上当流量有较大变化或要求有较高的测量精度时,C的变化就不能不引起注意,在角接取压孔板中的流出系数为:

由上图可知β值较小时可使C值在较低的Re下就渐趋稳定,这样就可以在小流量时C值变化较小有利于测量精度的提高,β值取值较小以后同样流量下孔板产生的差压增大,同样可以使相同最大流量量程内由于差压变送器的测量量程加大,使外界如管路、阀门、凝结器以及安装等造成的差压偏差的影响相对减小。同时β值愈小要求的直管段长度愈短,从而在设计旁路管路时孔板前后的直管段可以设计的较短。当然β值也不能无限制的取小,按孔板国家标准的要求β值在0.2—0.75之间,同时β值过小会造成压力损失过大,还会使孔板入口边缘的尖锐度要求难于保证要求从而引起很大的误差。
应在保证不超过允许压损的条件下使β值小一些,使β值在0.45—0.55之间较为合适,如我们在中压主管路孔板的设计中上限差压圆整至160Kpa,β值取值 0.483,中压管旁路孔板的设计中上限差压圆整至250Kpa,β值取值0.526。低压管路孔板的设计中上限差压圆整至40Kpa,β值取值0.479
4、对ε膨胀系数的修正分析
由于在孔板设计中β值取值较小,相应的差压值取值较大。当所测蒸汽压力较低时,这时ε膨胀系数对测量精度造成的影响就暴露出来,需要加以修正。
角接取压孔板的ε膨胀系数为
ε=1-(0.41+0.35β4)*△P/kp1
△P=p1–p2,p1、p2分别为孔板前后压力,k为等熵指数。为了分析流量变化时,ε的变化对测量误差的影响,下面以公司低压蒸汽流量测量的实例分析如下。
公司采用低压蒸汽对周边的酒店、浴池等小的低压蒸汽用户供汽,蒸汽温度 160℃,蒸汽压力0.35Mpa(绝对压力),工艺管路直径257mm,最大供汽流量10t/h,常用供汽流量6t/h,最小供汽流量1t/h,设计中根据上述原则对β值取值较小,β值为0.479,差压上限40Kpa,等熵指数k为1.292。为了提高测量精度也采用了双变送器测量同一孔板方式。
分别计算最大供汽流量qm1、常用供汽流量qm2、最小供汽流量qm3下ε的值ε1、ε2、ε3。

由以上计算可见,若把ε当成常数,当流量较小时,测量结果将会比实际值小较多,使误差超过了整套测量装置能允许的误差范围,必须加以修正。我们在设计中与智能流量计厂家合作将ε值的实时补偿功能做在仪表中,解决了这一问题。
5、结束语
以上讨论和分析了在测量宽量程蒸汽流量中遇到的变送器误差的影响、β值及差压变送器量程的取值原则,及ε值对误差的影响。通过采用加装旁路管道的方法满足孔板测量量程比的需要,采取一套孔板配两台差压变送器对大、小流量范围差压分别测量以减少对测量精度的影响。同时在孔板设计中为了使流出系数C在小流量时尽快稳定,减少测量旁路直管道要求,减少差压测量装置在导压管路、安装等环节的误差影响,在满足允许压损的前提下,尽量使β值小一些,使差压值大一些,如果蒸汽压力较低时,对ε膨胀系数对测量精度的影响不容忽视,应进行实时补偿。