3106 蒸汽流量測量中溫壓補償實施方案

蒸汽流量測量中溫壓補償實施方案的討論汪里邁（上海巴斯夫染料化工有限公司200137）

紀綱（上海寶科自動化儀表研究所200940）摘要：用查表法求取蒸汽密度，進行溫壓補償，能得到較高精度。蒸汽的相變對溫壓補償有一定的影響，應(yīng)區(qū)別情況，逐一解決。關(guān)鍵詞：蒸汽流量溫壓補償實施方案相變影響一、前言蒸汽流量測量是企業(yè)中量大面廣的測量任務(wù)。在蒸汽流量測量中進行溫壓補償，也已經(jīng)是老的話題了，但是，越討論認識越深化，越能啟發(fā)人們?nèi)ラ_發(fā)價格低、精度高、功能強的儀表，越能啟發(fā)自動化專業(yè)人員選好儀表用好儀表。蒸汽流量測量中的溫壓補償?shù)哪康?，是在蒸汽的工況偏離設(shè)計工況時，將蒸汽的密度對測量結(jié)果的影響予以修正。因為蒸汽是處于氣體狀態(tài)，在其溫度、壓力變化時，其密度有很大的變化，如果不進行補償，引起的誤差是很大的。例如設(shè)計壓力為1MPa（表壓）的飽和水蒸氣，當(dāng)壓力下跌到0.8MPa時，密度下降到設(shè)計值的82%，若不進行溫壓補償，對差壓式流量計的影響是使示值升高10.4%，而對渦街流量計的影響是使示值升高21.9%。顯然，對溫度、壓力變化的流量測量對象，除直接法質(zhì)量流量計外，必須進行溫壓補償。但是自控設(shè)計人員在實施溫壓補償時遇到了一些問題，因為水蒸氣在輸送過程中難免要發(fā)生相變，例如過熱蒸汽在經(jīng)過長距離輸送后，往往因沿途損失熱量而脫離過熱狀態(tài)，進入飽和狀態(tài)，甚至變成汽液兩相，如果仍按過熱蒸汽來處理是否會有問題？飽和水蒸氣在送到生產(chǎn)裝置后往往要先減壓再使用，那么，減壓后的蒸汽是否仍然是處于飽和狀態(tài)等等。對于這些問題，如果處理不當(dāng)，就會引起額外的誤差。下面就以我們實際工作中所遇到的問題，結(jié)合具體的儀表進行分析和討論，以求收到拋磚引玉之效。二、蒸汽密度的求取流量測量中溫壓補償?shù)闹饕蝿?wù)是將蒸汽的溫度、壓力測量出來并據(jù)此求出蒸汽密度。我們所使用的流量二次表是FC6000型通用流量演算器，在該儀表中，蒸汽溫壓補償采用查表和內(nèi)插相結(jié)合的方法求取蒸汽密度，在儀表的EPROM中寫入三個蒸汽密度表1號表是過熱蒸汽密度表，另外兩個是飽和蒸汽密度表，采用的都是國際蒸汽密度表976IFC。其中，過熱蒸汽密度表有兩個自變量，即蒸汽溫度和蒸汽壓力。而飽和蒸汽密度表都只有一個自變量2號表是蒸汽壓力為自變量。3號表是蒸汽溫度為自變量。這樣，測得蒸汽溫度或測得蒸汽壓力都能通過查表求得蒸汽密度。究竟是選查p=f(p)表格還是p=f(t)表格，則在填寫組態(tài)菜單時由用戶自己選定。查表的優(yōu)先權(quán)問題對于過熱蒸汽來說，蒸汽密度隨蒸汽溫度、壓力變化的關(guān)系是三維空間中的一個曲面，有兩個自變量，因此在查密度表時就存在一個優(yōu)先權(quán)的問題。若先從壓力查起，就稱壓力優(yōu)先；若先從溫度查起，就稱溫度優(yōu)先。對于飽和蒸汽來說，若選壓力補償，則為壓力優(yōu)先；若選溫度補償，則為溫度優(yōu)先。上述三種情況優(yōu)先關(guān)系，用戶在填寫菜單時指定，如表1所示。

蒸汽溫度蒸汽壓力補償運算優(yōu)先項目13I測定值測定值壓力0測定值手動設(shè)定值溫度1豐動設(shè)定值測定值壓力2手動設(shè)定值手動設(shè)定值壓力3表1優(yōu)先權(quán)指定表蒸汽狀態(tài)判別問題FC6000蒸汽溫度蒸汽壓力補償運算優(yōu)先項目13I測定值測定值壓力0測定值手動設(shè)定值溫度1豐動設(shè)定值測定值壓力2手動設(shè)定值手動設(shè)定值壓力3表1優(yōu)先權(quán)指定表例如，t=t2則p=pf2如果溫度測定值小于q，則判p=pf1，此時，溫度信號與壓力信號不平衡，所壓力[MPaG]飽和蒸汽密度求取方法如果優(yōu)先指定欄內(nèi)填入2（壓力優(yōu)先），則“手動設(shè)定”溫度置100°C，從壓力測定值出發(fā)，查出飽和溫度。因為此時溫度信號取“手動設(shè)定”值，所以判別蒸汽狀態(tài)為“過飽和蒸汽”（如圖2所示），查2號密度表。如果優(yōu)先指定欄內(nèi)填入1（溫度優(yōu)先），則手動設(shè)定壓力一般置22MPa（密度表中壓力上限），從溫度測定值出發(fā)，查飽和壓力，因為此時壓力信號取“手動設(shè)定”值，所以判別蒸汽狀態(tài)為“過飽和蒸汽”（如圖3所示），查3號密度表。上面所談的蒸汽密度求取方法，對用戶來說，不一定都要搞清楚，因為用戶只需根據(jù)自己所用的流體參數(shù)選擇合適的補償方法，并在菜單中填入有關(guān)數(shù)據(jù)即可。但是對于飽和蒸汽來說，究竟是采用壓力補償還是溫度補償?shù)故呛苤匾?。二、飽和蒸汽?yīng)采用何種補償飽和蒸汽采用壓力補償和溫度補償，從本質(zhì)上來說是一樣的，因為飽和狀態(tài)的蒸汽壓力和溫度之間呈單值函數(shù)關(guān)系，從蒸汽壓力查出的密度同與此壓力相對應(yīng)溫度查出的密度是一致的。因此，采用壓力補償和溫度補償都是可行的。從節(jié)約投資和減少安裝工作量的角度來看，是溫度補償更合算一些，因為一支鉑熱電阻的價格只及壓力變送器的幾十分之一到幾分之一。從補償精度來看，主要取決于所選的壓力變送器的精度和熱電阻的精度。因為我們所選用的流量二次表精度較高，其壓力輸入通道最大誤差為±0.1%FS，而溫度輸入通道，當(dāng)溫度＜300C時最大誤差為±0.3C，溫度＞300C時，最大誤差0.1%rdg。下面從一實例分析不同的傳感器、變送器精度對補償誤差的影響。有一飽和蒸汽流量計，蒸汽常用壓力1.0MPa,其飽和溫度為184.1^，如果忽略溫度傳感器和壓力變送器安裝帶來的誤差，而且壓力變送器導(dǎo)壓管中的液柱對壓力測量的影響也已做了校正，況且選用的是A級鉑熱電阻，此時測溫最大誤差為±0.59°C，用這個測量結(jié)果去查密度表，密度可能產(chǎn)生的最大的誤差是±0.072kg/m3,這個誤差比選用0.5級壓力變送器效果略差，比1.0級壓力變送器效果略好。顯然，采用溫度補償方法，補償精度不如壓力補償。如果蒸汽常用壓力是其他值，上面列出的數(shù)字可能會有差異，但基本結(jié)論不會變。因此，具體儀表選型時應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求和資金承受能力，權(quán)衡利弊得失做出抉擇。四、流體相變對測量結(jié)果的影響汽相變液相過熱蒸汽在經(jīng)過長距離輸送后，往往會因為熱量損失溫度降低而脫離過熱狀態(tài)，進入飽和狀態(tài)，甚至部分蒸汽冷凝變成水滴而出現(xiàn)相變。這些水滴對流量測量結(jié)果究竟有多大影響，下面舉例說明。有一常用壓力為1.0MPa的過熱蒸汽，其流量為qm，假設(shè)經(jīng)長距離輸送后有10%qm冷凝成水滴，令其為qmL,而保持汽態(tài)的部分為qms，從定義知，此時濕蒸汽的十度為X=^m^=，m_，mL⑴q,m=90%由于采用溫壓補償，所以按照臨界飽和狀態(tài)查表，得到此時的蒸汽（干部分）密度為ps=5.6808kg/m3，查水密度表知此時水滴的密度為pL=882.47kg/m3，顯然水滴與蒸汽干部分的

體積流量為QL=qmL/pLQS=qms/Ps式中：Q—水滴的體積流量Q—蒸汽干部分的體積流量由定義知，蒸汽干部分體積流量占濕蒸汽總體積流量之比RV為R=%=-QW=1加=Qm^Ls=^±qm^±1-1體積流量為.膈v=九11可虬在該例中，Rv=99.93%，由此可見，在濕蒸汽中-，1)水滴所占的體積可忽略不計。選用渦街流量計時濕度對測量結(jié)果的影響(3)(4)(5)(3)(4)(5)⑹蒸汽計量的結(jié)果往往作為供需兩方經(jīng)濟結(jié)算的依據(jù)，如果兩方約定按蒸汽干部分結(jié)算費用，冷凝水不收費，則在本例中相變對測量的影響微不足道，可以忽略。如果冷凝水也按照蒸汽一樣收費，則渦街流量計的計量結(jié)果偏低值為(1-X)。選用孔板流量計時濕度對測量結(jié)果的影響從GB/T2624-93標(biāo)準知，孔板流量計測量蒸汽質(zhì)量流量時有下面的公式⑵。

式中：qmCPS1dApp1C式中：qmCPS1dApp1(7)—質(zhì)量流量Kg/S；-流出系數(shù)；—節(jié)流件孔徑與管道內(nèi)徑之比d/D；—流束膨脹系數(shù)；—節(jié)流件孔徑m；—差壓Pa；—節(jié)流件入口端流體密度kg/m3；當(dāng)過熱蒸汽熱量損失而脫離過熱狀態(tài)后，只可能出現(xiàn)兩種情況。一種是進入臨界飽和狀態(tài)，另一種是進入過飽和狀態(tài)。如果進入臨界飽和狀態(tài)，從理論上講，流量計不會因此而增大誤差，因為在式(7)中，根據(jù)蒸汽壓力查出的輔與實際密度是相符的。如果進入過飽和狀態(tài)，情況就復(fù)雜了。一般認為，蒸汽十度較高(X>95%)時流體可視為單相流體。溫壓補償可按通常方法進行。但出現(xiàn)一定誤差。在玫7)中,p1是實際流體濕飽和蒸汽的密度，其值比臨界飽和狀態(tài)的大，而且十度越低密度越大。而人們根據(jù)壓力查出的是臨界飽和狀態(tài)的密度，比實際密度小，所以質(zhì)量流量計算結(jié)果出現(xiàn)負誤差。在濕度不進行測量的情況下，X是未知數(shù)，因此，測量結(jié)果偏低多少也是個未知數(shù)。在蒸汽十度較低(X<95%)時，管道中的流體處于二相流狀態(tài)。情況嚴重時。流體分層流動，產(chǎn)生誤差更大。濕飽和蒸汽變成過熱蒸汽濕飽和蒸汽變成過熱蒸汽，一般發(fā)生在濕飽和蒸汽突然較大幅度減壓，流體出現(xiàn)絕熱膨脹時。相變過程濕飽和蒸汽中的水滴，其壓力和溫度處于平衡狀態(tài)，在壓力突然降低而低于平衡壓力時，水滴部分蒸發(fā)，同時從液相和汽相中吸收汽化熱，使汽液相溫度降低。如果溫度降低得不多或蒸發(fā)前濕度較高，都會使溫度迅速降低到與新的壓力所對應(yīng)的飽和溫度，建立新的平衡。這時蒸汽仍為濕飽和蒸汽。如果壓力降低得很多或蒸發(fā)前濕度較低，則因水滴蒸發(fā)而使溫度降低后仍高于新的壓力所對應(yīng)的飽和溫度，則蒸汽變?yōu)檫^熱狀態(tài)。蒸發(fā)對流量測量的影響?上述蒸發(fā)發(fā)生后得到的兩種結(jié)果，前一種對我們的補償無影響，僅僅是蒸汽中的干部分增加，十度相應(yīng)增大。?如果蒸發(fā)發(fā)生后，蒸汽變?yōu)檫^熱狀態(tài)，而流量計又恰巧安裝在減壓之后的管道上。這時對流量計的影響分三種情況。第一種情況是設(shè)計時已經(jīng)考慮到蒸汽變?yōu)檫^熱狀態(tài)或處于何種狀態(tài)難以確定或有時是過熱狀態(tài)有時是飽和狀態(tài)，所以采用溫壓補償，則上述相變對測量結(jié)果無影響。第二種情況是設(shè)計時按飽和蒸汽考慮，而且采用壓力補償，則上述相變將帶來較小的誤差，即過熱蒸汽溫度同飽和溫度之差所對應(yīng)的密度差造成的補償誤差。第三種情況是設(shè)計時按飽和蒸汽考慮，但采用溫度補償，則將過熱蒸汽溫度當(dāng)作飽和溫度去查密度表。一般會引起較大的誤差。舉例有一化工廠，鍋爐房供飽和蒸汽，并根據(jù)各用戶中蒸汽壓力要求值最高的一個決定鍋爐供汽壓力為1.0MPa多數(shù)用戶在蒸汽總管進裝置時先經(jīng)減壓閥減壓?，F(xiàn)從圖所示的一個實例著手進行分析。

P^IMPati=18^.TC遙渦流量計2P2P^IMPati=18^.TC遙渦流量計2圖4蒸汽減壓和流量測量示意圖用作進裝置蒸汽計量的渦街流量計安裝在減壓（穩(wěn)壓）閥之后。原設(shè)計按飽和蒸汽考慮，采用溫度補償。經(jīng)減壓，蒸汽總管帶入的水滴蒸發(fā)完后汽溫仍高于飽和溫度，呈過熱狀態(tài)，現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)如圖4所示。這時流量二次表按照所測量到的溫度t2=162.4°c查飽和蒸汽密度表，得p2=3.4528kg/m3，而按照t2和P2兩個測量值查過熱蒸汽密度表，得密度p2’=2.27187Kg/m3，所以質(zhì)量流量計算結(jié)果出現(xiàn)24.36%的誤差，即op—p8=^-卜=24.36%P2在本例中，如果采用壓力補償，則根據(jù)P2=0.42MPa的信號查飽和蒸汽密度表，應(yīng)得到p2‘’=2.7761Kg/m3，則補償誤差為8=P2_p2=2.1%p2（4）解決辦法?將總蒸汽流量計安裝在減壓閥之前上述蒸汽未經(jīng)減壓時，不存在相變問題，所以，將流量計安裝在減壓閥之前，按飽和蒸汽補償方法處理，可保證測量精度。?如果流量計只能安裝在減壓閥后面，則可增裝一臺壓力變送器，進行溫壓補償。如果減壓閥的穩(wěn)壓性能較好，可將流量計上游壓力值作為一個恒定值(通過面板操作)設(shè)置到二次表內(nèi)進行溫度壓力補償。五、結(jié)束語飽和蒸汽的工況補償，可以采用壓力補償，也可以采用溫度補償。但前者補償精度高一些，后者投資省一些。過熱蒸汽變成過飽和蒸汽后，對渦街流量計無大影響，但對孔板流量計影響較大。過飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，若采用的是壓力補償，引入的誤差很小；若采用的是溫度補償，引入的誤差很大。但合理選擇儀表測量點位置。選用合適的補償方式，可將此誤差消除或降到很小。參考文獻上海寶科自動化儀表研究所FC6000型通用流量演算器操作說明書。國家技術(shù)監(jiān)督局GB/T2624-93流量測量節(jié)流裝置用孔板、噴咀和文丘里管測量充滿圓管的流體流量。TheprogrammeoftempratureandpresurecompensationinsteamflowmeasurementWanglimai(ShanghaiBASFdyestulfchemicalCo.LTD200137)JiGang(ShanghaiBaokeprocessautomationinstrumentationinstitute200940)Abstract：Usetablemethodtosteamdensityandobt