一体化喷嘴在蒸汽计量中的应用

第５Ｏ卷第６期　石油化工自动化　ＶｏＬ　５Ｏ，Ｎｏ．６　２０１４年ｌ２月　ＡＵＴｏＭＡＴＩｏＮ　ＩＮ　ＰＥＴＲ（）－ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２Ｏ１４　一体化喷嘴在蒸汽计量中的应用　王鑫民　（中国石化股份有限公司天津分公司炼油部，天津３００２７１）　摘要：蒸汽的计量比较复杂，在采用孔板流量计测量蒸汽时，需要进行量程补偿，还需考虑密度变化带来的测量误差。介绍了一　体化喷嘴流量计成功用于某蒸汽计量的案例，采用喷嘴与差压变送器一体安装，配备防冻式隔离器，与流量计算机构共同组成了　较为完善的蒸汽计量系统，解决了蒸汽流量计量中的蒸汽流量高精度补偿、冬季防冻等问题，克服了传统蒸汽计量方法的缺点。　关键词：蒸汽计量高精度补偿一体化喷嘴流量计算机免维护　中图分类号：ＴＨ８１４＋．５　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００７—７３２４（２０１４）０６～００６２—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　Ｎｏｚｚｌｅ　ｉｎ　Ｓｔｅａｍ　Ｍｅｔｅｒｉｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｘｉｎｍｉｎ　（ＳＩＮＯＰＥＣ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００２７１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅａｍ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｐａｎ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｗｈｅｎ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｔｅａｍ　ｗｉｔｈ　ｏｒｉｆｉｃｅ　ｐｌａｔｅ　ｆｌｏｗ－ｍｅｔｅｒ．Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｅｒｒｏｒｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｃｈａｎｇｅ　ａｌｓｏ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ａ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｆｌｏｗ－ｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｚｚｌｅ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｎｔｉ—ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｉｓｏｌａｔｏｒ，ｏｎｅ　ｍｕｃｈ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ｓｔｅａｍ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｆｌｏｗ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎｔｉ—ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｉｎ　ｗｉｎｔｅｒ　ａｒｅ　ｓｏｌｖｅｄ．Ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｔｅａｍ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｑｕｅｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅａｍ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ；ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　ｎｏｚｚｌｅ；ｆｌｏｗ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ；　ｍａｊ　ｎｔｅｎａｎｃｅ　ｆｒｅｅ　节流式流量计技术成熟，在蒸汽计量中占有重　管段、安装条件等，但是都可通过设计与施工予以　要的地位。特别是标准节流装置按标准ＧＢ／Ｔ　保证。一般仪表的准确度均由测量范围内的相对　２６２４－－２００６｛用安装在圆形截面管道中的差压装置测　误差表示，当测量值越接近满度值，其准确度越高。　量满管流体流量》［１］，ＩＳＯ　５１６７－－２００３　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　但在蒸汽输送过程中，实际的流量范围往往无法准　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ　ｂｙ　Ｍｅａｎｓ　ｏＪ’Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　确确定。在热负荷变化大的情况下，流量计长时间　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｓｅｒｔｅｄ　ｉｎ　Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｄｕｉｔｓ　在测量范围以外工作，进而造成很大的测量误差。　Ｒｕｎｎｉｎｇ　Ｆｕｌｌ［　设计、制造，无须实流标定，是其他流　因此，在设计蒸汽流量计量系统时，应考虑使用具　量计无法比拟的。目前，蒸汽流量测量主要采用传　有宽量程补偿运算功能的计量系统。节流件流出　统的标准节流装置，但是孔板流量计在蒸汽测量方　系数Ｃ、可膨胀性系数￡等中问参数的实时计算是　面还存在很多不足，主要体现在测量范围小，压损　解决宽量程问题的关键。　大，现场安装、维护复杂，检定周期短等方面。一体化　节流式流量计流量计算公式如式（１）所示：　喷嘴蒸汽流量计采用喷嘴与差压变送器一体安装，还　Ｃ　７（　配备防冻式隔离器，解决了仪表冬季可靠运行的难　ｑｖ—　题，与流量计算机构成了完整的高精度免维护蒸汽流　、／／１一　量计量系统。本文对蒸汽流量计量系统的一些难点　问题以及一体化喷嘴蒸汽计量系统进行分析介绍。　１　蒸汽流量计量高精度补偿　稿件收到日期：２０１４一ｌＯ一０９。　作者简介：王鑫民（１９５８一），男，辽宁锦州人，现就职于中国石化股　１．１关于宽量程的问题　份有限公司天津分公司，主要从事仪表自动化研究工作，任高级工　虽然引起孔板流量计的误差因素很多，诸如直　程师。　第６期　王鑫民．一体化喷嘴在蒸汽计量中的应用　式中：　一体积流量，ｍ。／ｓ；　管道内径，ｍ；卜流出系数；￡——　被测流　更不容忽视，例如，１台角接取压孔板流量计（Ｄ一　可膨胀性系数；　——节流件开孔直径，ｍ；　直径比，　—ｄ／Ｄ；　１００　ｍｍ，　一０．５）Ｎ量过热蒸汽，压力为４　ＭＰａ，温　度为４００℃，流速为５２～５．２　ｍ／ｓ，Ｒ　在２８×１０　～　体密度，ｋｇ／ｍ。；△　——差压，Ｐａ。　根据文献［１］，Ｃ的计算公式如式（２）所示：　Ｃ—Ｏ．５９６　１＋０．０２６　ｌｆ１２－－０．２１６ｆｌ　＋　０．０００　５２１（　）　＋ｃ０．０１８　８＋　ｏ－ｏ　（　。＋（０．０４３＋　０．０８０ｅ　１０Ｌ１－－０．１２３ｅ一　１）（１—０．１１Ａ）　ｏ・０３１（Ｍ＇２一ｏ・８　！　’）　‘。　式中：Ｒ——雷诺数。　ｅ的计算式如式（３）所示：　ｅ一　一（。．３５　＋０．２５６ｌｆ　＋。．９３　。）［　一（鲁）ｕ　］　（３）　式中：一等熵指数；Ｐ　，Ｐｚ——分别为节流件前　后的压力，Ｐａ。　传统的节流式流量计将Ｃ和ｓ视为定值（Ｃ和ｅ　由专门的节流装置设计计算软件计算得到），输入现　场的流量积算仪。孔板的Ｃ—Ｒ曲线如图ｌ所示。　图１　Ｃ与Ｒ　曲线　注：Ｄ＝５０　ｍＩｎ，ｐ＝ｏ．５，法兰取压　从图１曲线可以看出：当Ｒ　一３×１０　，Ｃ＝＝＝　０．６１０　１；Ｒ　一１×１Ｏ　，Ｃ一０．６１７　６；平均值Ｃ一　０．６１３　９，即Ｒ　在３×１０　～１×１０　内（３：１），其不确　定度为０．６１　。　当Ｒ　一５×１０　，Ｃ一０．６０８　１；Ｒ　一５×１０。，Ｃ一　０．６２６　４；平均值Ｃ一０．６１７　３，即Ｒ在５×１０　～５×　１０。内（１０：１），其不确定度为１．５　９／６，远不能满足　用于贸易结算的一级表对不确定度的要求。同样，　ｅ在超测量范围的情况下，所引起的测量不确定度　２．８×１０　内，Ｅ的不确定度竟然为３．ｏ　．０４。因此，要　实现宽量程，就必须对Ｃ和ｅ进行实时计算。　由式（２）可知Ｃ的计算很复杂。相关标准提　供了计算ｃ的迭代方法，所以流量积算仪表必须　具有高速、高精度的运算功能和较大的存储空间，　以完成这些复杂的中间参数的补偿运算。　智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为　完善的流量计算机使宽量程的智能化节流式流量　计成为可能。它应具备３个条件：智能化的宽量　程差压变送器（差压范围为１００：１）；差压变送器　与流量计算机之间的数字通信（ＨＡＲＴ协议）不仅　能满足全量程差压信号传递的准确性，而且能够自　动迁移测量范围；流量计算机不仅可根据温度、压　力等参数对工况流量进行修正，还可以实时计数　Ｃ，ｅ等。符合上述条件的宽量程智能化差压式流　量计，在满足准确度的同时，流量测量范围可真正　达到１Ｏ：１或更宽。　１．２关于蒸汽密度问题　由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够，针对蒸　汽的流量测量在整个测量系统中，往往只重视差　压、温度、压力信号的准确与否，并尽量使用高精度　的变送器，而忽略了密度在测量中的重要性。目前　有相当数量的流量类二次显示仪表（系统）中蒸汽　流量密度的计算，采用的是简单的数学表达式或查　表法，其准确度往往不能满足要求。和一般通用气　体相比，在水蒸气流量计算时存在３个难点：　１）密度的确定。水蒸气应视为实际气体，其　物理性质较理想气体要复杂的多，故不能用简单的　数学式加以描述。因此，在以往的工程计算中，凡　涉及水蒸气的状态参数值，大部分从水蒸气参数表　中查出。把水蒸气参数表输入仪表中，数据量很大。　２）蒸汽在应用过程中会由于参数的变化发生　状态变化，如过热蒸汽与饱和蒸汽的相互转换。因　此，必须先判断蒸汽的状态，再通过不同的数表或　公式计算得出密度值。　３）湿饱和蒸汽中含有饱和水，是两相流，要准　确测量蒸汽流量还必须确定干度。而干度测量难　度很大，国外已有一些研究成果，但未见普遍推广　应用，国内目前仍处于研究阶段。　通常有查表法和计算法２种水蒸气密度的确　定方法。查表法：把水蒸气密度表输入计算机中，　根据工况的温度、压力，从表中查出相应的密度值。　计算法：自己拟合公式，或者参照其他公式；乌卡　石油化工自动化　第５０卷　诺维奇公式；ＩＦＣ１９６７公式。　中国没有制订“水蒸气热力学性质表”的国家　较长的引压管，容易阻塞，冬季运行还需对引压管、　冷凝系统进行保温、伴热，稍有不慎便造成故障。　标准，而是采用国外的水蒸气热力学性质表。中国　曾翻译过美国、前苏联、西德的水蒸气热力学性质　体化喷嘴是将节流件和差压变送器制作成一体，　并装有防冻隔离器，不仅缩短了引压管线，还省去　一表，近年来逐步统一到ＩＦＣ１９６７公式的数表。因　此，在流量测量中使用的仪表应该按照ＩＦＣ１９６７　公式进行实时的密度计算才是最理想和准确的方　法。目前中国ＪＪＧ　１００３－－２００５《流量积算仪检定　规程》¨３ｊ已引用了该公式。　文献［３］的一个重要特点是把流量积算仪表与　流量变送器、被测流体紧密结合在一起，检定的理　论值完全按有关国家标准给出的数学模型计算得　到。由于涉及的流量变送器种类、被测流体的类型　较多，计算公式各异且相当复杂。因此，中国计量　科学研究院和北京博思达新世纪测控技术有限公　司联合开发了ＦＩＭＪ一０１一ＷＩＮ版流量积算仪检定　软件以满足用户对流量积算仪（含流量计算机，　ＤＣＳ，ＰＬＣ数据采集系统等）型式检定、出厂检定、　周期检定以及对在线仪表进行现场检定的需要。　２一体化喷嘴蒸汽流量计量仪表配置方案　一套合理、先进的蒸汽计量系统应该具有以下　特征：现场仪表符合准确度要求，免维护，故障率　低，稳定性好，检定周期长；补偿功能完善且补偿的　算法符合相关标准；具有较宽的测量范围；具有历　史数据存储、事件报警等管理功能；便于实现网络　化；具有能量计量的功能。　２．１一次仪表配置方案　本文推荐的蒸汽流量计量一次仪表是一体化　喷嘴流量计，并配套温度、压力变送器进行温度、压　力补偿。　目前国内９０　以上的蒸汽计量用表仍采用标　准孔板节流装置。标准孔板的主要缺点是入口直　角锐利度在流体冲刷下易发生钝化。国内有关部　门曾对新装孔板进行跟踪校验，在孔板连续使用　２～３月时，钝化引起流出系数偏度在１　～３　，个　别严重的在４　以上，这已引起了人们的高度重　视。目前，解决标准孑Ｌ板钝化问题的最好方法是采　用标准喷嘴，喷嘴的人口为光滑曲面，不易磨损。　其流出系数非常稳定，所以ＪＪＧ　６４Ｏ一１９９４《差压　式流量计检定规程》［４　规定ＩＳＡ１９３２喷嘴的检定　周期为４　ａ（孔板检定周期是１　ａ）。另外，喷嘴在相　同流量和相同卢值条件下，阻力损失比孔板小得　多，仅为孔板的５０　～６０　，有利于降低能耗。长　期运行情况表明，由于喷嘴在结构上的优势具有耐　冲击抗变形的优点，适应于高温、高压、高流速介质。　另外，节流式流量计的系统构成比较复杂，有　了冷凝和排污系统，使系统构成简单，无需保温供　热，在减少维护量的同时，也节省了能源。　一体化喷嘴的特点：采用标准节流件，测量准　确度有依据；采用防冻隔离技术，冬季运行无须伴　热，维护量少；喷嘴节流件阻力损失小（同样流量下　阻力损失为相同　值孔板的６Ｏ　左右）；不存在孔　口钝化的问题，耐冲击不易变形，系数稳定，检定周　期长（４　ａ）；配置智能型差压变送器，流量测量范围　度可达１０：１或更宽；安装简便。　２．２二次仪表配置方案　蒸汽流量计量二次仪表推荐采用流量计算机　类产品，具有以下优点：　１）依据有关国际标准、国家与行业标准，针对　不同介质和流量计类型建立了多种数学模型和相　应计算软件，可计算蒸汽质量流量和体积流量。　２）对节流式流量计的Ｃ，ｅ等参数进行实时逐　点运算以实现宽量程。　３）具有历史数据存储、报警记录、仪表断电、　修改参数设置等审计记录功能，即使网络系统发生　故障，流量计量数据也不会丢失。　４）具有强大的通信功能，对现场仪表除可适　配４－－２０　ｍＡ信号、脉冲信号外，还可以适配　ＨＡＲＴ，Ｍｏｄｂｕｓ等数字信号；对上位机可采用包　括程控电话网、以太网等。　３结束语　由一体化喷嘴流量计和流量计算机构成的蒸　汽计量系统，克服了传统孔板流量计量程小、阻力　损失大、容易变形、检定周期短、系统安装和维护复　杂等缺点。实践表明该方案在蒸汽流量计量方面　已日趋成熟，并已在石化、化工、冶金以及城市供热　等行业中得到了广泛应用，在蒸汽流量计量方面做　了有益的探索。　参考文献：　［１］李明华，彭淑琴，龙竹霖，等．ＧＢ／Ｔ　２６２４　２００６用安装在圆　形截面管道中的差压装置测量满管流体流量［ｓ］．北京：中　国标准出版社，２００６．　［２］国际标准化组织．ＩＳＯ　５１６７：２００３（Ｅ）Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ　ｂｙ　Ｍｅａｎｓ　ｏｆ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｓｅｒｔｅｄ　ｉｎ　Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｃｒｏｓｓ－－ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｄｕｉｔｓ　Ｒｕｎｎｉｎｇ　Ｆｕｌｌ　Ｅｓ］．２００３．　［３］孔庆彦，朱永宏，崔耀华，等．ＪＪＧ　１００３－－２００５流量积算仪检　定规程［Ｓ］．北京：中国计量出版社，２００５．　［４］翟秀贞，谢纪绩，杨希文，等．ＪＪＧ　６４Ｏ～１９９４差压式流量计　检定规程Ｅｓ］．北京：中国计量出版社，１９９４．