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蒸汽测量中涡街流量计误差分析
发布时间:2018-12-03

[摘要]本文介绍了以涡街流量计测量蒸汽时的误差分析,分析了在蒸汽测量中影响涡街流量计测量精度的因素,以及解决的方法。
1.引言
  蒸汽是石化企业使用的最为广泛的二次能源,其测量的准确性对节约能源、提高经济效益等各方面都有重要意义。目前,蒸汽的测量主要有涡街流量计、差压式(孔板流量计、弯管、均速管)流量计等,我厂在蒸汽计量上选用的都是涡街流量计。本文主要讨论涡街流量计在蒸汽测量中的误差分析。
2.涡街流量计的特点
2.1输出的信号是与流速成正比的脉冲信号,便于数据处理和计算机联网。
2.2量程范围宽,精度高。
2.3无可动部件,可靠性较高,结构简单,便于安装和维修。
2.4检测元件和被测介质不直接接触,不受流体的化学性质影响,应用范围宽,寿命长。
2.5抗干扰能力强,容易进行流量计算,不受流体的物理性质的影响,给仪表的标定和使用带来了方便。
3.涡街流量计的工作原理
  涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体震荡性流量计,即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体(即旋涡发生体),就会在其下游两侧产生两列有规律的旋涡,其旋涡频率正比于流体流速:
f=Stu/d
  式中:f:旋涡频率;d:旋涡发生体的宽度;u:流体流速;St:斯特劳哈尔数。
  St的值与旋涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。当2×104〈Re〈7×104的范围内,St的值基本不变。
  上式表明,当d和St为定值时,旋涡产生的频率F与流体的平均速度u成正比,利用这一特点制成了涡街流量计。
4.蒸汽的测量
  测量蒸汽的流量计分为直接质量流量计和推导式质量流量计,涡街流量计测量蒸汽流量属于推导式质量流量计,其表达式为:

  式中:Qm:蒸汽的质量流量,Kg/h;f:涡街流量计输出频率,P/s;Kt:工作状态下的流量系数,P/L;ρf:流体密度,Kg/m3。
  从上式可知,涡街流量计测量蒸汽流量主要是蒸汽密度的求取,而蒸汽的密度可以根据温度、压力的值查表得到。由于蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽,对于过热蒸汽要进行温压补偿,对于真正意义上的饱和蒸汽只需进行温度或压力补偿即可,下面进行讨论。
4.1过热蒸汽
  在实际测量时,由于工况的变化,饱和蒸汽和过热蒸汽都有可能偏离原来的设计状态,就使得通常由蒸汽温度、压力求取密度的关系发生变化,对计量的准确性造成影响,当过热蒸汽在经过长距离的输送后,或由于管道保温措施不当,往往会因为热量的损失温度降低使其从过热状态进入临界饱和状态,甚至部分蒸汽冷凝出现相变而变成水滴。这些水滴对流量的测量究竟有多大的影响,下面举例说明。
  我厂自产蒸汽压力为1.0MPa的过热蒸汽,其流量为Qm,假设经长距离的输送后有10%Qm冷凝成水滴,令其为Qm1,而保持汽态的部分为Qms,从定义可知,此时湿蒸汽的干度X为90%。由于采用温压补偿,故依临界饱和状态查表,得到此时的蒸汽(干部分)密度ρs=5.6808kg/m3,查水密度表得水滴的密度ρL=882.47kg/m3,显然水滴和蒸汽干部分的体积流量为:
Qv1=Qm1/ρLQvs=Qms/ρs
式中:Qv1:水滴的体积流量,m3/s;
Qvs:蒸汽干部分的体积流量,m3/s。
由定义知,蒸汽干部分体积流量占湿蒸汽总体积流量之比Rv为:


  在该例中,Rv=99.93%,由此可见,在湿蒸汽中,水滴所占的体积比可忽略不计。涡街流量计的输出仅与流过测量管的流体流速成正比,在测湿的饱和蒸汽时,水滴对涡街流量计输出的影响可忽略,故可认为,涡街流量计的输出完全是由饱和蒸汽干部分所引起的,而干部分的密度无论是温度补偿或压力补偿都可以精确的查出;如果需要将冷凝水也按蒸汽一样进行计量,则涡街流量计的计算结果则偏低1-X。
4.2饱和蒸汽
  当涡街流量计安装在减压阀后,饱和蒸汽突然大幅度减压,流体出现绝热膨胀,水滴部分蒸发,同时从液相和汽相中吸收汽化热,使汽液相温度降低。如果温度降低的不多或蒸发前湿度较高,会使温度迅速降低到与新的压力所对应的饱和温度,建立新的平衡。这时蒸汽仍为饱和蒸汽,如果压力降低的很多或蒸发前湿度较低,则因水滴蒸发温度降低后仍高于新的压力所对应的饱和温度,则蒸汽变为过热蒸汽。
  上述蒸发发生后,前一种对补偿无影响,仅仅是蒸汽中干部分增加,干度相应增大,后一种情况即饱和蒸汽变为过热蒸汽,这时对流量计的影响分为以下三种情况:
(1)如果流量计已经考虑到蒸汽变为过热状态,或处于何种状态难以确定,或有时是过热状态有时是饱和状态,所以采用温压补偿,则上述的状态对测量结果无影响。
(2)如果流量计按饱和蒸汽考虑,而且采用压力补偿,则上述相变将带来较小的误差,即过热蒸汽温度同饱和蒸汽之差所对应的密度差造成的补偿误差。
(3)如果流量计按饱和蒸汽考虑,但采用的是温度补偿,即将过热蒸汽当作饱和温度去查密度表,一般会引起较大的误差。
如某化工厂锅炉房供饱和蒸汽,并根据各用户中蒸汽压力要求值最高的一个决定锅炉供汽压力为1.0MPa,多数用户在蒸汽总管进装置时先经减压阀进行减压。
  用作进入装置蒸汽计量的涡街流量计安装在减压(稳压)阀之后。原设计按饱和蒸汽考虑,采用温度补偿。经减压,蒸汽总管带入的水滴蒸发完后气温仍高于饱和温度,呈过热状态,现场采集到的数据如下表。

         减压后温度T2

162.4℃

减压后压力P2

0.42MPa

  这时流量二次表按照所测量到的温度T2=162.4℃查饱和蒸汽密度表,得ρ2=3.4528kg/m3而按照T2和P2两个测量值查过热蒸汽密度表,得密度ρ2′=2.6897kg/m3,所以质量流量计结果出现28.47%的误差,即:

  在本例中,如果采用压力补偿,则根据P2=0.42MPa的信号查饱和蒸汽密度表,应得到ρ2″=2.7761kg/m3,则补偿误差为:

5.结束语
  某化工厂在对蒸汽的性质逐一确定后,针对不同地方蒸汽的性质作相应的补偿系数,使厂内的蒸汽产出与消耗基本平衡起来了,对生产调整以及节能降耗起到了指导性的作用。涡街流量计在蒸汽测量中影响其测量精度因素有很多,但只要在日常使用中,注意以下几点,其测量精度将会很高。
(1)仪表选型时,首先清楚蒸汽的工况处于何种状态,这样能够保证仪表的测量精度。
(2)将流量计安装在减压阀之前的总管线上,由于蒸汽未经减压,一般不存在相变问题,所以将流量计安装在减压阀之前,按饱和蒸汽补偿方法处理,可保证测量精度。
(3)加强蒸汽管道的保温,减少冷凝水的产生和防止蒸汽的性质转变。

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