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蒸汽流量計

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鍋爐主蒸汽流量計在線校核方法研究

來源:重慶市計量質量檢測研究院,國家城市能源計量中心(重慶)作者:羅林聰 邢鑫 朱君 毛爽 王剛發表時間:2019-08-01

摘 要 闡述了蒸汽計量現狀以及標準節流裝置的誤差來源,分析了常用蒸汽流量計存在的檢定或校準問題。在此基礎上提出了一種鍋爐主蒸汽流量計的在線校核方法,通過對工業典型燃氣鍋爐系統的分析建立了水汽質量平衡方程,探討了在線校核方法的理論可行性。然后給出了校核時的鍋爐運行需滿足的穩定工況條件以及在線校核的步驟,分析了不確定度分量的來源。該方法實現了以更高準確度等級的水流量為標準參考量,在鍋爐運行中在線校準主蒸汽流量計示值,提高飽和蒸汽流量計測量準確度。與實驗室檢定或校準相比,鍋爐主蒸汽在線校核方法具有方便快捷、動態校準的優點,在保證儀器性能、提高經濟效益方面可以發揮重要的作用。
 
0 引言
蒸汽作為一種重要的二次能源,是熱能的重要載體,不僅可直接參與生產過程的化學反應,還可以利用其熱能產生能量或做功,具有清潔環保、能效高、可傳輸等特點,被廣泛用于當今的工業生產當中。蒸汽計量的準確可靠不僅能準確反映用戶能耗、監控熱能系統的運行狀況,且能為實現熱能的合理分配,熱力系統的非常好的運行,以及用汽設施的節能降耗改造提供可靠的技術依據,而且也是保證蒸汽貿易結算公平公正的基礎。因此,如何確保蒸汽流量的準確計量越來越受到用能單位的重視,對蒸汽計量技術提出了更高的要求。流量儀表一直以來就是能源計量的重要基礎工具,其使用狀況直接影響著能源計量的有效性,如何對使用中的流量儀表進行計量性能評價,是當前能源計量工作中亟待解決的重要課題[1] 。近幾年,在線校核的方法經過不斷的研究和推廣,已經獲得了越來越多的企業和計量機構認可 [2 -4] 。而由于蒸汽狀態復雜和其獨特的物理特性使得蒸汽流量計現階段很難開展在線檢定和校準的工作,國內外普遍沒有可行的解決辦法。因此,如何提高蒸汽計量的準確度,快速獲取準確可靠的測量數據,有效加強蒸汽計量管理,需要計量行業給予更多的關注。
 
1 蒸汽計量的現狀
目前,蒸汽計量普遍使用標準節流裝置,如孔板流量計或渦街流量計,基本都能滿足蒸汽計量和檢測的要求[5 -7] 。雖然蒸汽計量儀表都經過出廠檢驗合格,但安裝到管道上使用一定時間后,其計量準確性往往發生偏離。主要原因是蒸汽流量計測量介質與校準介質的物理性質不一致,且因部件磨損、電磁信號干擾或安裝偏差、蒸汽密度補償等因素影響,導致運行工況條件下的儀表系數與校準給出的儀表系數不匹配,使得蒸汽流量計在現場測量出現一定的誤差[8 -11] 。雖然對于部分測量誤差能夠進行修正或估算,但偏離狀況并不是容易掌握的。而渦街流量計,由于其儀表系數與旋渦發生體及管道的形狀尺寸有關,設計及標定時的管道條件與現場管道往往不完全吻合,對儀表系數的影響較大[12] 。
目前我國已在煙臺建立有國家蒸汽流量計量站,主要從附近電站引入蒸汽對蒸汽流量計進行校準,使用的方法為冷凝稱重法,但是這種直接測量法也存在一定偏差。其使用的蒸汽與實際測量的蒸汽介質溫度、壓力都有一定的差異,譬如校準介質壓力較低,一般僅達 0. 3MPa,與大多數蒸汽流量計的實際工作壓力存在差異;蒸汽流量計需要拆卸送檢,運輸路途較遠,一方面影響企業的正常生產,另一方面經過長途運輸的顛簸后很難保證校準后的儀表性能不發生漂移。因此蒸汽直接校準法不具有很強的實際可操作性。
基于上述現狀,對蒸汽流量計進行在線校核成為一種可行的選項,特別是使用時間較長,或者使用者一直對計量值存疑的流量計更是如此。校核的目的在于用某種可行的方式在線檢測實際流量,提供一種參考,從而可以對在用流量計的測量值進行對比分析。盧其倫[1] 介紹了超聲波流量計在線校核蒸汽流量計的方法,并對一服裝洗染公司的威爾巴蒸汽流量計進行校核,其結果表明校核的示值誤差在儀表標明的準確度(1. 5%)范圍之內,不存在計量超差的問題。超聲波流量計在線校核的方法多用于液體流量,而對于物理性質特殊的蒸汽而言僅對過熱蒸汽較為有效,對飽和蒸汽或濕度較大蒸汽時,便會因聲能在不同介質傳遞中的衰減而受到嚴重影響,甚至不能有效讀取數據。因此這種方法應用范圍有限,且需要滿足足夠長穩流段條件。
鑒于國內暫時沒有成熟的在線檢定或校準蒸汽流量計的方法,探索在線校核蒸汽流量計的方法顯得尤為必要。
 
2 水汽質量平衡方程
本文探討一種鍋爐主蒸汽流量計的在線校核方法,基本思路是采用水汽質量平衡法,提出以更高準確度等級的水流量為標準參考量,在鍋爐運行中在線校準主蒸汽流量計示值,提高飽和蒸汽流量計測量準確度。
圖1 為工業常見的燃氣鍋爐水汽系統示意圖,所有蒸汽鍋爐的給水均來自一個給水水箱,使用電磁流量計計量。鍋爐排污水通過匯集后由一電磁流量計計量,鍋爐蒸汽匯集后由主蒸汽流量計計量。
燃氣鍋爐水汽系統示意圖
該類型燃氣鍋爐為貫流式,無汽包,給水從下集箱進入,在上升管中受熱蒸發后蒸汽從上集箱流出,其蒸發示意圖如圖 2 所示。
管流式鍋爐蒸發示意圖
將水冷壁上升管中水位線與管壁圍成的介質區域作為控制體 ! ,控制體的進口介質為上升管給水 M j ,出口介質為產生的蒸汽 Mq 。并作如下穩定工況假設:在 t 時間內,鍋爐運行中、汽水系統各管道中流體介質連續流動;鍋爐水位線保持穩定不變;鍋爐上集箱內壓力恒定;下集箱的給水壓力、給水溫度恒定。則根據控制體汽水質量變化可得如下關聯式:
20190801101957.jpg
分析產汽過程可知,鍋爐運行中,汽水系統流體介質連續流動中,屬定壓飽和蒸汽過程,飽和蒸汽溫度與飽和水的溫度均不變。則 t 時間內,控制體 !內生產的蒸汽汽泡體積和汽泡密度不變,即汽泡質量不變。水位線不變時,控制體下的總體積恒定,且控制體 !內的汽泡體積不變,則控制體 ! 內液態水體積不變。又因給水壓力、給水溫度、蒸汽壓力恒定時,控制體 !內液態水的密度是不變的,則控制體 !內的液態水質量恒定。即 t 時間內控制體 !內的液態水質量、汽泡質量均不變,即dV = 0。則式(1) 可變換為:
20190801102006.jpg
式(2)反應出鍋爐在某一穩定不變的給水壓力、給水溫度下,在水位線位置不變、蒸汽壓力恒定的鍋爐運行工況控制體內,給水質量流量與產生的蒸汽質量流量相等。同理可推斷,若控制體擴展為包括下集箱、上升管和上集箱的控制體后,由式(2)可得:
20190801102015.jpg
式中:G 0 為給定時間 t 內通過給水流量計的累計質量流量,kg;G 1 為通過鍋爐排污水流量計的累計質量流量,kg;V 為鍋爐主蒸汽的累計質量流量,kg。
式(3)表示在穩定工況控制條件下,相同時間里,一個以下集箱給水質量流量為進口,以上集箱蒸汽質量流量和排污水量為出口的閉式連續流動貫流式鍋爐汽水系統,系統輸送出的蒸汽質量流量等于進入該系統的給水質量流量扣除流出該系統的排污水質量流量,這就是穩定工況控制條件下的鍋爐水汽質量平衡方程。
 
3 蒸汽在線校核方法
3. 1 在線校核可行性
液態的水進入鍋爐后經過受熱蒸發變成汽態的蒸汽,僅是水的兩種不同形態及不同狀態參數的轉變,這為利用水汽質量平衡方程測量鍋爐主蒸汽流量計的質量流量提供了物質條件。因此,探討利用較高準確度等級的給水流量和排污流量在工業現場在線校準蒸汽流量計示值的方法,在理論上是可行的。水流量測量技術成熟、操作方便、測量精度有保證,可作為校核蒸汽的標準參考。按照校準原則,鍋爐給水流量計和排污流量計的準確度等級需要選擇較高等級的流量計。結合鍋爐現場,推薦0. 5 級的電磁流量計作為在線校核標準表使用,即可滿足校核的需求。
 
3. 2 在線校核條件
工業現場校核時,為了確保校核的準確性,鍋爐運行需要滿足以下條件 [13] :
1)確保鍋爐汽水系統是獨立系統,停止化學取樣水、加藥水等操作。鍋爐各閥門嚴密無泄漏;
2)鍋爐工況參數基本穩定,避免較大的波動,如燃氣供應穩定,以減少燃燒調整的影響。不允許出現干擾鍋爐工況的任何操作,如安全閥啟跳、鍋爐負荷調整等操作。通過控制系統聯動,當有排污水流出變化時,相應提高給水流量,確保上升管中汽液界面維持穩定。鍋爐主要熱力參數波動值不超過表 1 推薦的允許值。
20190801102027.jpg
 
3. 3 在線校核步驟
鍋爐穩定運行一段時間后,同時測量給水流量、排污水流量和蒸汽流量,得到一定參數下的給水流量與排污水流量之差(G 0 - G 1 )與蒸汽流量 V之間的比例系數 f,以獲得蒸汽流量計的修正值 V'。如此通過較高準確度等級的給水流量傳遞到蒸汽流量計示值,達到在線校核目的,校核量值傳遞示意圖見圖 3。
校核量值傳遞圖
鍋爐主蒸汽流量計在線校核可分為以下三個步驟完成:
1)根據主蒸汽流量計的量程或常用計量范圍,選取多個流量校核點 i。每個流量點讀取數據不少于 3 次,取平均值得到每個流量點的(G 0 -G 1 )和 V;
2)計算各流量點 i 的比例系數 f i :
20190801102051.jpg
3)修正蒸汽流量示值。用流量比例系數 f i 擬合修正蒸汽流量計示值。若各流量點的比例系數 f i接近線性時可按權重求一個共同的流量比例系數 f,修正蒸汽流量計示值。
 
3. 4 不確定度來源分析
考慮到工況參數壓力、溫度的波動引起介質密度、流速的變化帶來的不確定度分量,已包含在介質質量流量的重復性條件下所得測量列中,則主要不確定度分量來源如下:
1)標準表本身準確度等級帶來的不確定度分量 u bzb ;
2)鍋爐汽水系統不明泄漏帶來的不確定度分量 u xl ;
3) 儀表的測量重復性 帶 來 的 不 確 定 度 分量 u cfx ;
4)上升管中水位計讀數帶來的不確定度分量 u swj ;
5)水位波動引起的液態水與蒸汽之間變化的不確定度分量 u swb 。
示值誤差的各項不確定分量通過查資料或計算可得,各不確定度分量彼此不相關,則可得相對合成標準不確定度為:
20190801102102.jpg
擴展因子 k =2 時的相對擴展不確定度:
20190801102119.jpg
 
4 結論
本文針對工業燃氣鍋爐主蒸汽流量計現場無成熟的檢定或校準方法,而實驗室校準需要停產拆卸送檢,企業普遍對蒸汽流量計計量準確性存疑的現象,提出了一種針對鍋爐主蒸汽流量計在線校核的方法。此方法是基于穩定工況控制條件下鍋爐水汽質量平衡方程,采用準確度等級較高的給水流量和排污水流量動態在線校準主蒸汽流量計示值。鍋爐主蒸汽流量計示值的在線校核可以快速判斷工業現場蒸汽計量的準確性,免去了拆卸送檢的麻煩,在保證儀器性能、提高經濟效益方面可以發揮重要的作用。
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