一體化噴嘴蒸汽流量計(jì)量常見(jiàn)問(wèn)題的解決措施：

蒸汽作為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中主要的能源介質(zhì)之一,其準(zhǔn)確計(jì)量對(duì)生產(chǎn)能耗考核、循環(huán)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái), 蒸汽流量測(cè)量中往往遇到測(cè)量范圍超出設(shè)計(jì)范圍、溫度壓力變化大、冬季運(yùn)行維護(hù)量大等問(wèn)題。我公司近年來(lái)逐步在蒸汽計(jì)量中使用一體化噴嘴流量計(jì),使用效果較為理想。
冶金企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的蒸汽, 同時(shí)蒸汽又是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中主要的能源介質(zhì)之一, 廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、 取暖 、 制冷、 生產(chǎn)工藝用熱等場(chǎng)合, 尤其是近幾年的余熱發(fā)電,為蒸汽的利用找到了新的途徑 。濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 (以下簡(jiǎn)稱濟(jì)鋼 )蒸汽多采用孔板計(jì)量 , 但是因?yàn)檎羝奈锢硖匦圆煌谘鯕?、氮?dú)獾冉橘|(zhì)，采用孔板計(jì)量蒸汽出現(xiàn)了很多問(wèn)題:
(1)蒸汽用量隨季節(jié)變化范圍大，實(shí)際流量往往超出節(jié)流裝置設(shè)計(jì)使用范圍。
(2)蒸汽在輸送過(guò)程中存在相變，過(guò)熱蒸汽可能變化為飽和蒸汽 , 飽和蒸汽可能變?yōu)槠簝蓱B(tài), 給計(jì)量帶來(lái)很大誤差 。
(3)由于蒸汽高溫壓很容易使孔板變形 , 或在節(jié)流裝置的密封和節(jié)流裝置與管道的焊接處泄漏 。
(4)在我國(guó)北方地區(qū), 蒸汽在冬季需要良好的保溫伴熱措施,否則冬季容易凍壞變送器。
我公司作為冶金行業(yè)建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)的示范單位,公司能源計(jì)量工作十分重視 ,從 2005年起逐步進(jìn)行了煤氣、蒸汽、氧氣、氮?dú)?、生產(chǎn)用水、電等能源介質(zhì)的計(jì)量完善工作。尤其是蒸汽介質(zhì)的特殊性, 存在諸多問(wèn)題,一直以來(lái)儀表配備率、運(yùn)轉(zhuǎn)率較低。在此次蒸汽配備中, 我們多采用一體化噴嘴流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)，并用其配套的《流量測(cè)量節(jié)流裝置專家系統(tǒng)軟件》對(duì)在用的節(jié)流裝置進(jìn)行管理,取得了良好的應(yīng)用效果 。
1、一體化噴嘴流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：
(1)有標(biāo)準(zhǔn), 數(shù)據(jù)溯源簡(jiǎn)單噴嘴和孔板同屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置, 都有標(biāo)準(zhǔn),節(jié)流式流量計(jì)技術(shù)成熟, 特別是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn) (ISO5167— 2003E、GB/T2624—2006)設(shè)計(jì)、制造就無(wú)須實(shí)流標(biāo)定, 是其它流量計(jì)的。在蒸汽測(cè)量研究上, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行了大量的試驗(yàn), 給出了修正的數(shù)學(xué)模型 , 所以采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量蒸汽有明顯的*性 。
(2)在蒸汽計(jì)量中, 噴嘴優(yōu)于孔板：
標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個(gè)缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化, 據(jù)悉國(guó)內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn), 在孔板連續(xù)使用 2 ～ 3個(gè)月時(shí), 鈍化引起流出系數(shù)偏差在 1% ～ 3%,個(gè)別嚴(yán)重的在 4%以上, 這已引起了人們的高度重視。目前, 解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問(wèn)題的*好方法是采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴, 由于噴嘴的入口為光滑曲面 ,不易磨損 (見(jiàn)圖 2), 它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定, 所以JJG640—94規(guī)程規(guī)定 ISA1932噴嘴的檢定周期為4年。再者, 噴嘴在相同流量和相同β值條件下,阻力損失比孔板小得多(僅為孔板的50% ～ 60%), 長(zhǎng)期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn), 適應(yīng)于高溫、 高壓、 高流速介質(zhì)。
2、一體化噴嘴對(duì)蒸汽計(jì)量常見(jiàn)問(wèn)題的解決措施：
2.1、利用流量計(jì)算機(jī)和智能變送器改善了節(jié)流裝置量程比小的問(wèn)題：
在蒸汽輸送過(guò)程中, 實(shí)際的流量范圍往往無(wú)法準(zhǔn)確確定, 在熱負(fù)荷變化大的情況下 , 使流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間工作在測(cè)量范圍以外, 這樣就造成了很大的測(cè)量誤差。因此在設(shè)計(jì)蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)時(shí) , 應(yīng)考慮使用具有寬量程補(bǔ)償運(yùn)算功能的計(jì)量系統(tǒng) 。對(duì)節(jié)流件流出系數(shù) C、 可膨脹性系數(shù) ε等中間參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算是解決寬量程的關(guān)鍵 。
節(jié)流式流量計(jì)流量計(jì)算公式為:qV=C1 -β4επ4d2 2Δpρ1(1)式中:qV為體積流量, m3/s;C為流出系數(shù);ε為可膨脹性系數(shù);d為節(jié)流件開(kāi)孔直徑 , m;D為管道內(nèi)徑 , m;β為直徑比 , β =d/D;ρ1為被測(cè)流體密度 ,kg/m3;Δp為差壓 , Pa。其中:按 GB/T2624— 2006標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù) C的計(jì)算式為 :C=0.5961 +0.0261β2-0.216β8+0.00052 1106βReD0.7+0.0188 +0.0063Aβ3.5 106ReD0.3+(0.043 +0.080e-10L1-0.123e-7L1)(1-0.11A)β41 -β4-0.031 (M′2-0.8M′1.12)β1.3(2)式中 :ReD為雷諾數(shù);M′2=2L21 -β;A=19000βReD0.8;L1=l1D為孔板上游端面到上游取壓口的距離除以管道直徑得出的商;L′2=l′2D為孔板下游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑得出的商;L2=l2D為孔板上游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑得出的商 。流束可膨脹系數(shù) ε的計(jì)算式為 :ε=1 -(0.351 +0.256β4+0.93β8) 1 -p2p11/κ(3)式中:κ為等熵指數(shù) ;p1p2分別為節(jié)流件前后的壓力 , Pa。傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計(jì)是將流出系數(shù) C和可膨脹性系數(shù) ε視為定值 (C和 ε由專門的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算得到 ), 置入現(xiàn)場(chǎng)的流量積算儀 。圖 1 是一臺(tái)孔板流出系數(shù)曲線 。
圖 1 曲線表明 :當(dāng) ReD=3 ×104, C=0.6101;ReD=1 ×104, C=0.6176;平均值C=0.6139, 即 ReD在 3 ×104～ 1 ×104范 圍內(nèi) (3 ： 1)其不 確定度為 0.61%。當(dāng) ReD=5 ×104, C=0.6081;ReD=5 ×103, C=0.6264;平均值 C=0.6 173, 即 ReD在 5 ×104～ 5 ×103范圍內(nèi) (10：1), 其不確定度為 1.5%, 遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的上等表對(duì)不確定度的要求 。同樣, 可膨脹性系數(shù) ε在超測(cè)量范圍情況下 , 所引起的測(cè)量不確定度更不容忽視, 例如, 一臺(tái)角接取壓孔板流量計(jì) (D=100mm, β =0.5)測(cè)量過(guò)熱蒸汽(壓力 p=4MPa, 溫度 t=400℃), ReD在 28 ×105～2.8 ×105(介質(zhì)流速:52 ～ 5.2m/s)范圍內(nèi), 可膨脹系數(shù) ε的不確定度為 3.0%。因此要實(shí)現(xiàn)寬量程, 就必須對(duì)流出系數(shù) C和可膨脹性系數(shù) ε進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算 。由式 (2)可以看流出系數(shù) C的計(jì)算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了計(jì)算流出系數(shù) C的迭代方法, 所以流量積算儀表必須具有高速、 高精度的運(yùn)算功能和比較大的存貯空間 , 以完成這些復(fù)雜的中間參數(shù)的補(bǔ)償運(yùn)算 。

圖 1　流出系數(shù) C與雷諾數(shù) ReD曲線圖
智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計(jì)算機(jī)的問(wèn)世, 使我們擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計(jì)成為可能。歸納起來(lái)它應(yīng)具備三個(gè)條件:①智能化的寬量程差壓變送器 (量程比為 100：1);②差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間數(shù)字通訊 (Hart協(xié)議)除能滿足全量程差壓信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性, 而且能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍 ;③流量計(jì)算機(jī)不僅可根據(jù)溫度、 壓力等工況參數(shù)對(duì)工況流量進(jìn)行修正, 還可以實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù) C、 可膨脹性系數(shù) ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計(jì), 在滿足準(zhǔn)確度同時(shí), 流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到 10：1 (或更寬 ), 節(jié)流式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果 , 它改變著人們對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。
2.2、采用一體化結(jié)構(gòu)方式和防凍隔離器解決冬季儀表保溫問(wèn)題：
傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜 , 有較長(zhǎng)的引壓管, 容易阻塞, *為麻煩的是測(cè)量蒸汽冬季運(yùn)行時(shí)還需對(duì)引壓管、 冷凝系統(tǒng)進(jìn)行保溫、 伴熱, 稍有不慎便會(huì)凍壞差壓變送器 , 導(dǎo)致儀表故障 , 影響生產(chǎn), 因此儀表的維護(hù)工作量較大。 ISA1932 化噴嘴(見(jiàn)圖 2)很好地解決了上述問(wèn)題 , 一體化噴嘴是將節(jié)流件和差壓變送器做成一體, 不僅縮短了引壓管線 , 還省去了冷凝和排污系統(tǒng), 在安裝時(shí)非常方便 ,不用敷設(shè)導(dǎo)壓管和安裝儀表箱 , 大大減少了安裝工時(shí)和費(fèi)用 。由于其裝有防凍隔離器 , 冬季運(yùn)行時(shí)再也不用進(jìn)行保溫供熱 , 大大地減少儀表的故障率和儀表工的維護(hù)工作量。尤其是那些在裝置外沒(méi)有專門的儀表伴熱管線的貿(mào)易計(jì)量點(diǎn), 更適合使用這種具有防凍隔離器的一體化噴嘴流量計(jì) 。

圖 2　ISA1932噴嘴圖

圖 3　YJLB一體化噴嘴流量計(jì)圖
2.3、輸送過(guò)程中的相變問(wèn)題：
利用流量計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能完成蒸汽密度計(jì)算 , 解決蒸汽輸送過(guò)程中的相變問(wèn)題 。FC2000流量計(jì)算機(jī)是一款具有高精度補(bǔ)償運(yùn)算 、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)以及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊功能的新一代量?jī)x表, 其依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與建議 、 國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 針對(duì)不同介質(zhì)和流量計(jì)類型建立了多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計(jì)算軟件。一臺(tái)流量計(jì)算機(jī)不僅可完成溫度、 壓力、 濕度、 密度、 組分等補(bǔ)償運(yùn)算, 對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù) C、 流束可膨脹系數(shù) ε、 壓縮系數(shù) Z等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算, 特別是對(duì)蒸汽的密度計(jì)算按照公式組織頒布的 IFC1967公式進(jìn)行計(jì)算。FC2000流量計(jì)算機(jī)具有多種網(wǎng)絡(luò)通訊接口, 可以采用多種通訊協(xié)議, 所以其數(shù)據(jù)可以方便地接入到企業(yè)已有的網(wǎng)絡(luò)中。另外 , FC2000 流量計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了蒸汽能量計(jì)量的功能 , 在將來(lái)可以方便地以熱量為單位進(jìn)行計(jì)量核算。
3、蒸汽計(jì)量的幾點(diǎn)體驗(yàn)：
通過(guò)近幾年的實(shí)踐、摸索,我們認(rèn)為用具有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2624—2006)支持的ISA1932一體化噴嘴作為蒸汽流量測(cè)量的一次元件可以很好地解決蒸汽表的周期檢定、數(shù)據(jù)溯源、保溫伴熱等問(wèn)題，尤其是配套使用具有高精度、寬量程計(jì)算功能的流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行流量的溫度、壓力補(bǔ)償，可以解決傳統(tǒng)節(jié)流裝置量程比過(guò)窄的問(wèn)題，大大減少了企業(yè)整個(gè)蒸汽管網(wǎng)的不平衡量。在一體化噴嘴測(cè)量蒸汽的實(shí)際應(yīng)用與維護(hù)中，我們有以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì) :
(1)一體化噴嘴安裝應(yīng)注重部分細(xì)節(jié), 如儀表的安裝方向 、 密封墊圈材質(zhì)的選擇、 焊接質(zhì)量等 , 保證安裝質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求, 確保出具數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠 。
(2)一體化噴嘴的維護(hù)要和生產(chǎn)信息密切結(jié)合,儀表長(zhǎng)期停用后再次投入使用時(shí)應(yīng)該對(duì)儀表進(jìn)行檢查, 例如差變的零點(diǎn)、 隔離液的情況等, 因此要求生產(chǎn)單位在停用或啟用蒸汽時(shí)須通知一體化噴嘴的維護(hù)單位做相應(yīng)的檢查工作。
(3)一體化噴嘴中的隔離液應(yīng)定期進(jìn)行檢查和補(bǔ)充 。
(4)蒸汽目前雖然以質(zhì)量為單位進(jìn)行核算 , 但是在不遠(yuǎn)的將來(lái) , 蒸汽必然要采用能量計(jì)量, 所以在儀表的選用上應(yīng)該具有前瞻性 , 應(yīng)選用同時(shí)具有質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量功能的儀表 , 這樣在將來(lái)采用能量計(jì)量時(shí)也不用再大規(guī)模地更換計(jì)量?jī)x表 。