蒸汽流量（共8篇）
蒸汽流量 篇1
1、蒸汽的特点
供热行业中, 蒸汽流量测不准是普遍问题, 其中主要原因分析如下:
蒸汽是比较特殊的介质, 随着工况 (如温度、压力) 的变化, 过热蒸汽经常会转变成为饱和蒸汽, 形成汽液两相流介质。对于相流的经常变化的蒸汽, 使用目前流量仪表测量气流量, 肯定会存在测不准的问题。这个问题的解决方法是保持蒸汽的过热度, 尽量减少蒸汽的含水量, 例如加强蒸汽管道的保温措施, 减少蒸汽的压力损失等, 以提高测量的准确度。
2、流量仪表的选型
至今为止, 工业用流量仪表种类多达60余种, 之所以这样, 因为史上还没有一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都使用的流量仪表, 流量仪表都有它特定的适用性, 也有其局限性。如果流量仪表选择不当, 流量肯定测量不准。但流量测量是一复杂的技术, 而流量仪表种类繁多, 即使针对某一确定的应用, 选择一合适的流量仪表也就变成一项技术性很强的工作, 需要在作出最终选择之前仔细而深入地考虑和权衡许多与测量问题有关的因素。
在选择流量仪表时应考虑5个主要因素:被测流体特性、生产工艺情况、安装条件、维护需求以及流量仪表的特性。目前, 测量蒸汽流量的仪表主要有涡街流量计、差压式 (孔板、均速管、弯管) 流量计、分流旋翼式流量计、阿牛巴流量计, 浮子式流量计等, 这里主要讨论涡街流量计、孔板流量计和弯管流量计。
2.1 涡街流量计
涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种新型流量计, 由于它具有其它流量计不可兼得的优点, 70年代以来得到了迅速发展。据介绍, 现在日本、欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅度上升, 已经广泛用于各个领域, 将在未来流量仪表中占主导地位, 是孔板流量计的理想替代产品。它具有以下特点:
(1) 结构简单牢固, 无可动部件, 长期运行十分可靠;
(2) 维护十分方便, 安装费用低;
(3) 传感器不直接接触介质, 性能稳定, 寿命长;
(4) 输出是与流量成正比的脉冲信号, 无零点漂移, 精度高, 并方便与计算机联网;
(5) 测量范围宽, 量程比可达1:10
(6) 压力损失小, 运行费用低, 更具节能意义;
(7) 在一定的雷诺数范围内, 输出信号频率不受流体物理性质和组分变化影响, 仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关, 测量流体的体积流量无需补偿, 调换配件后无需重新标定仪表的系数;
(8) 应用范围广, 气体、液体的流量均可测量;
(9) 检定周期为2-4年。
同时涡街流量计也存在以下一定的局限性:
(1) 涡街流量计是一种速度式流量计, 旋涡分离的稳定性受流速影响, 故它对直管段有一定的要求, 一般是前10D、后5D;
(2) 测量液体时, 上限流速受压损和气蚀现象限制, 一般是0.5-8m/s;
(3) 测量气体是, 上限流速受介质可压缩性变化的限制, 下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制, 蒸汽是
8-25m/s;
(4) 应力式涡街流量计对振动较为敏感, 故在振动较大的管道安装流量计时, 管道要有一定的减震措施;
(5) 应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器, 故其受温度的限制, 一般为-40-+300℃。
2.2 孔板流量计
孔板流量计应用历史悠久, 有国际标准, 理论精度高, 应用十分普遍, 但经过几十年的应用, 发现孔板流量计有以下不足:
(1) 应用中许多因素 (设计参数与工况参数不符, 上游直管段不足, 孔板和管道不同心, 孔板A面受污, 锐角磨损等) 对其测量精度有非常大的影响, 使其测量误差增大;
(2) 安装较为麻烦, 维护及拆洗的工作量较大;
(3) 需配差压变送器使用, 增加了维护的工作量, 另需敷设导压管, 且在冬季需对导压管进行保温, 不可以安装在室外;
(4) 流量量程比为1:3, 局限性大;
(5) 若安装不正确, 容易发生蒸汽泄漏;
(6) 压力损失较大, 运行费用高。
2.3 弯管流量计
(1) 结构简单, 价格低廉。弯管传感器实际上是一个90度标准弯头, 没有比它结构更简单的流量传感器了。随着机械加工工业的发展和行业标准化及规范化管理的不断完善, 用作弯管传感器的标准机制弯头其质量越来越好, 价格也越来越低;
(2) 无任何附加节流件或插入件, 可大大降低流体在管道内输送的动力消耗, 节约能源, 尤其对那些大系统、大管径、低压头的测量对象好处更加明显。
(3) 弯管流量计传感器耐磨损, 对微量磨损不敏感;
(4) 可采用直接焊接法进行安装, 使现场跑冒滴漏的麻烦得到彻底的解决;
(5) 适应性强, 量程范围宽, 直管段要求不严。只要是可以用孔板、涡街、均速管流量计来测量的管道内流体流量都可以用弯管流量计进行测量, 而且在耐高温、耐高压、耐冲击、耐振动、耐潮湿、耐粉尘等方面, 弯管流量计远优于其它流量计。
如高温、高压、冲击、振动, 对于涡街流量计来说其使用性是十分有限的, 这与其测量原理有关, 实测测量结果产生较大的附加误差影响了测量精度, 造成测量不准。所有这些问题对弯管流量计来说都不存在。
弯管流量计的量程比可达1:10, 对于蒸汽, 它的适用范围为0-70m/s, 可以较好地满足蒸汽流量测量的要求。弯管流量计由于其特殊的测量原理, 使其在实际应用时对直管段的要求不严格, 一般只要求前5D、后2D即可, 远远低于其他流量测量装置的要求;
(6) 弯管流量计精度高, 重现性好, 测量精度可达1.14%, 重现性精度可达0.2%, 一次安装后, 不再需要重复拆装, 因此, 其安装精度也能得到最佳保证。
综上所述, 蒸汽流量仪表的选用是非常重要的, 准确测量蒸汽流量是生产部门都需要和普遍关心的问题。随着经济的发展, 提高测量水平的呼声越来越高。因此, 应针对生产实际情况, 做一些细致的技术工作, 切实探索出一条蒸汽流量测量的成功之路。
蒸汽流量 篇2
摘 要：大亚湾核电基地历史上曾发生因一二回路功率变化导致GRE上位机的蒸汽流量限制起作用，汽轮机功率被套住无法进行改变的事件，针对这些事件的背景及原理进行分析，以寻求解决该问题的方案。
关键词：GRE上位机；蒸汽流量限制；压力模式；解套
中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0070-03
1 背景介绍
2012-4-10因为发生电网事故，岭澳核电站开启降负荷。降至约940 MW，因为“压力控制”未退出导致“压力控制-反应堆模式”生效，GRE上位机被套住，机组停止降功率，其后按解套预案，点动下位机降汽机功率，逐步降低压力值，解套后，GRE上位机将目标负荷设定为当前值，并通过G棒匹配功率和冷热，“压力控制-反应堆模式”生效及处理期间停留约5 min。
2002年5月10日00：59大亚湾1号主控突然出现一系列报警，高压缸四个调节阀开大，汽机高压缸入口压力上升为60.2巴，大于操纵员设定压力60巴，正常压力模式起作用导致高压缸调节阀不能自动关小所致。考虑到反应堆长时间处于超功率状态违反核安全要求，决定退出压力模式后降低反应堆功率。为防止退出压力模式瞬间功率波动，首先将G棒置手动，退出压力模式，降负荷至950 MW。
1999年9月26日，台风过后，机组从760 MW开始升功率，目标负荷设在800 MW，操纵员蒸汽流量限制为72%。当上位机显示蒸汽流量定值达到77%时，调节器上位机由自动负荷控制转为手动控制。操纵员发现情况后，重新设置操纵员蒸汽流量限制为80%，并切回到自动负荷控制，造成发电机功率陡升到800兆瓦引起5%功率阶跃，因G棒在堆顶，致使R棒提出，引起I右预警线报警，随后在自动方式下，机组稳定在800 MW。
2 知识点介绍
2.1 操纵员蒸汽需求限制原理
操纵员通过上位机对蒸汽需求量给出的限值。该值可以设定（通过上位机Steam Demand Limit按键），在开始升负荷以前应根据目标负荷设定合适的蒸汽流量限值以防升负荷过程中蒸汽流量限值起作作用。
当蒸汽流量限值起作用后，实际蒸汽流量不再上升，GRE就会马上由自动转到手动状态。、
操纵员可通过上位机对蒸汽需求量给出一个限值，可在-50%～105%之间。若不设置，默认为105%。机组稳态时，SD LIMIT设置比ACTUAL SD高13%。蒸汽需求限制原理图，如图1所示。
2.2 高压缸入口压力控制原理
压力控制模式与其说是一种控制功能不如说是一种保护功能，它的原理是在系统同期状态下（并网），采集压力信号与压力参考值比较，通过PI调節器产生压力限制，与操纵员蒸汽流量限制，超速限制，超加速限制一起（小选），产生蒸汽流量限制，将汽轮机高压缸进气压力控制在设定值上。目的是限制汽机进汽压力或限制汽机进汽压力的增长速率，防止一回路超功率。
压力控制两种模式：正常模式（Normal Mode ）和反应堆模式（Reator Mode）。 压力控制方框图，如图2所示。
正常模式（Normal Mode ）：正常模式的压力定值来源于系统的设定Pmax以及操纵员终端设定Operator Pressure reference，当高压缸入口压力上升超过设定值时，PI调节器计算产出与此压力相对应的蒸汽流量限值（小于105%SD），如果压力限制小于蒸汽需求指令则压力模式投入运行，阀门受压力控制产生的限值进行调节（入列，显示" HP INLET PRESSURE CONTROL-NORMAL”）。
在系统压力小于压力定值，压力控制计算的限值逐渐增长并大于蒸汽需求指令，高压缸入口压力控制解除，微型调节器恢复到高压缸入口压力控制投入以前的状态（手动或自动）（出列）。为避免PI调节器的积分作用使阀门过度关闭产生蒸汽锁效应，系统对压力模式设置了限制，由可调参数“Pressure Control M in SD Limit”进行限制（通过工程师终端设定），若低于该值，则输出“Pressure Control M in SD Limit”。同时为了避免频繁的出入列，软件上设置了死区，同时需要将压力参考值调大一些，以补偿设置死区而降低的出力。
反应堆模式：当反应堆功率小于96%Pn时，开关K1～K5的位置如图1所示。当反应堆功率上升到96%Pn时，核功率测量系统RPN向汽机调节系统发出一个逻辑信号，汽机调节系统即转为反应堆压力控制模式。该信号将开关K3置向右方，开关K2、K4闭合，并将与开关K4联动的开关K5置向下方。比较及存贮环节记忆并输出当时汽机进汽压力PR。PR经开关K3输至加法器。预先设置的汽机进汽允许压力Pmax（一般设置为105%SD）与PR的差值经开关K4输至开关K1。开关K1受上位机键盘上的压力释放按键控制。在操纵员按这个按键之前，K1是断开的，此时Pmax-PR不能输至加法器，加法器的输出仅为PR。低选门在操纵员设置的汽机进汽压力限值Pr2与PR值中选出一个最低值，汽机进汽压力与它比较。比例积分调节器维持汽机进汽压力不变，汽机功率及反应堆功率也维持不变。 反应堆模式生效逻辑图，如图3所示。
待反应堆功率稳定下来以后，操纵员可按“压力释放”键，使开关K1闭合。速率限值比较器的输出即以操纵员设置的很小的升压速率向终值（Pmax-PR）过渡。该输出通过开关K2加到加法器。加法器输出Pr1即从原来的PR逐渐增加，最终引起汽机进汽压力缓慢上升，汽机功率和反应堆功率也缓慢上升。这个压力上升速率可以用压力控制栏的速率键设定，最大值为0.003 Pmax/min。
通过先维持汽机进汽压力不变，再以缓慢速率上升的方法，防止了反应堆在接近满功率时产生超调。通过压力控制栏的参考值按键和数字键用人机对话方式设置压力限值Pr2，用投入键投入压力控制。当Pr1增加到Pmax后，比较器输出逻辑信号，使各开关恢复原位。 反应堆模式信号示意图，如图4所示。
图4中（a）是正常情况，反应堆功率超过96%后没有波动，持续保持96%以上，这种情况该信号存在10 s后消失。图（b）是另一种特殊情况，信号在96%附近波动时就会反复产生触发信号。由于RPN堆外中子测量的随机性会造成测量值在一个较小幅度频繁波动，且RPN424/448/460/472XU设计中没有回差，实际运行过程中也遇到过这种情况，当出现这种情况特别是反复出现间隔较短，这时会导致相当触发的信号一直不能消除，此时操纵员不能实施“释放”，不能“释放”意味着二回路功率不能升高，同样由于采用“堆跟机”的控制模式，反应堆功率也就不能上升，这就落入死循环，功率永远“稳定”在96%附近。这需要操纵员手动升降功率，尽快使反应堆触发信号消除，这样才能打破死循环。
出现图4中（b）情况下，则需手动退出反应堆模式。
3 模拟机操作
为了验证操纵员蒸汽需求限制、压力控制-正常模式、压力控制-反应堆模式三种蒸汽流量限制生效后对机组的影响及如何退出限制才能对机组的扰动最小，对此进行了探究。
3.1 操纵员蒸汽需求限制生效后的退出
操纵员蒸汽需求限制生效后，按照S程序或者瞬态干预导则方法可解除限制。解除后电功率无自动波动，但在解除过程中因G棒在手动位置，需关注一回路核热功率及冷热变化。
方法一：用下位机减小蒸汽流量设定值。
①将G棒放手动控制；
②调整目标负荷为实际负荷值；
③用数字键输入实际负荷值；
④触摸“ENTER”按钮；
⑤按下LOWER和PERMIT键使；
⑥SDSetPt与OpSDLim一致；
⑦选择自动负荷控制方式；
⑧提高OpSDLi 值。
方法二：增加操纵员蒸汽流量设定值。
①将G棒放手动控制；
②调整目标负荷为实际负荷值；
③用数字键输入实际负荷值；
④触摸“ENTER”按钮；
⑤触摸“RATE”按钮，并用数字；
⑥键输入负荷速率数值为0.5MW/Min；
⑦触摸“ENTER”按钮；
⑧选择自动负荷控制方式，若不成功，将操纵员蒸汽流量限制改大0.1（%），再投自动。重复该步，直到上位机在自动负荷控制下将蒸汽流量设定值降到实际负荷值；
⑨提高OpSDLim值。
3.2 高压缸入口压力模式
压力控制两种模式：正常模式（Normal Mode）和反应堆模式（Reator Mode）。
3.2.1 高压缸入口压力模式（正常模式）
我们试验了四种退出正常高压缸入口压力模式的方法。
①直接修改高压缸入口设定值REF。
把REF直接改為当前压力加上3bar，改完以后电功率将快速向load set point 变化，速率RATE不起作用，此时即使改变上位机target load ，load set point仍然保持不变，电功率直至达到load set point才开始以设定速率向target load变化。
所以直接改变REF会造成电功率的波动，波动的大小与压力模式中电功率的变化大小相关，压力模式中电功率变化越大，退出压力模式后电功率的瞬间变化也大。
②用下位机减负荷减小高压缸入口压力。
根据机组实际经验：利用下位机减电负荷从而使实际高压缸入口压力减小，当压力低于REF一定值后，高压缸入口压力模式可退出。
但是在模拟机的操作过程中，发现高压缸入口压力模式生效后，无法操作下位机来减负荷。此种方法验证失败。
③利用上位机直接退出高压缸入口压力模式。
在上位机上直接利用OUT退出高压缸入口压力模式时，上位机将直接转手动，电功率维持在波动的那一瞬间的电功率不再变化，波动小，退出之后可正常操作上位机升负荷。
需要注意的是若果上位机还没有显示“HP INLET PRESSURE CONTROL-NORMAL”，只是HPpressurelimit 开始下降时就退出高压缸入口压力模式，负荷将同直接修改REF一样，向load set point 变化，速率RATE不起作用，此时即使改变上位机target load ，load set point仍然保持不变，电功率直至达到load set point才开始以设定速率向target load变化。
④利用操纵员蒸汽需求限制。
在上位机上改变操纵员蒸汽需求限制至比Actual load小1%，这样操纵员蒸汽需求限制将生效，此时在将高压缸入口压力模式直接OUT，因为有SD的限制，电功率仍然处于SD限制的波动中。在高压缸入口压力模式退出以后，再利用操纵员蒸汽需求限制的解套方法将其解除。
这种方法解除限制之后电功率波动小，之后可在上位机上重新设置。
3.2.2 高压缸入口压力模式（反应堆模式）
对于高压缸入口压力模式（反应堆模式），我们实验了三种解套方法。
①直接退出。
直接退出反应堆模式与直接退出正常压力模式效果相似
波动也较小。
②用下位机降负荷。
与正常压力模式相同，在反应堆模式生效时，模拟机上也不利用下位机改变电负荷。
③利用操纵员蒸汽需求限制。
这种方法的效果与正常压力模式也相似，在实际机组上也应用过，对机组的影响较小。
4 模拟机操作小结
在验证操纵员蒸汽需求限制退出时，根据S*GRE程序或者瞬态导则即可。
在正常高压缸入口压力模式生效退出时，四种方法种直接退出法、利用操纵员蒸汽需求限制法解套之后的电功率波动较小，而直接修改REF退出之后电功率波动较大，利用下位机降负荷因为模拟机模拟失败，没有得到验证。需要特别注意的是，在正常高压缸入口压力模式刚开始降HP pressure limit时就采用直接退出法的话，电功率将有较大波动。
参考文献：
[1] 濮继龙.大亚湾核电站运行教程（上下）精装[M].北京：原子能出版社，
蒸汽流量 篇3
1 涡街流量计工作原理
1911年世界著名流体专家卡门教授的涡街理论应用是涡街流量计的基本理论,但它的前提是必须在无穷大均匀流场中才能在阻流件后形成稳定的两排交错排列的旋涡。
旋涡有以下规律:
式中:h为旋涡之间的横向间隔;a为旋涡的前后间隔[1]。那么在封闭管道中流场的速度是非同速的,按照流体力学知识,在水力光滑管中,V为流体的流速,Vmax为管道中最大流速,层深状态时:
即在层深时,流速呈现抛物线形状。
在紊流状态中:
式中:n为一个与雷诺数有关的参数,在现实管道中还与管壁粗糙度有关,r为管中心到管壁的距离[2]。
所以在管道中要插入的阻流件就有以下任务:
(1)通过三角柱对流体的阻塞作用,使流体流过两侧弓形面时几乎使三角柱两侧上下流通速度达到一致。
(2)产生稳定、强烈、规则的旋涡。
(3)使形成的旋涡频率在较大的流速范围内呈线性关系,即尽量宽量程范围。
经过多年的应用对比及与有关流量计生产单位的实验探讨,得知三角柱宽度与管道直径比d/D控制在0.28时效果较好,三角板的尾角在38 o~42 o均可以,38 o时在空气中标定线性好,42 o在水中标定线性好。
在三角柱具体安装时,对于测尾流振动频率的探头外置型涡街,三角柱与管壁必须紧密连接,缝隙尽量小,并且两侧不能有焊点,否则旋涡会有噪声干扰。此时通过敏感元件所测检漏信号并给电路处理即能获得旋涡频率f:
由式(4)可见f与管流流速成正比。
通过在气体标定装置或水的标定装置上检定可以获得仪表系数K,K是单位工况体积介质流过流量计时产生的脉冲数(即旋涡个数),即一个脉冲反过来代表多少工况体积的流体介质(注意是工况体积)。所以涡街流量计类似于没有活动部件的容积式流量计,是先天的数字流量计。
2 涡街流量计现场安装及注意事项
流量仪表一经选定,其安装的正确与否便成为非常重要的问题。确保流速分布稳定是涡街计正确安装保证仪表正常工作的最关键条件之一,而仪表通径与管道内径是否匹配就是其中非常重要的一个因素。实际使用中钢管的标准根据工艺参数要求不同有很大的区别,如D 273钢管,现场使用的钢管壁厚有区别,具体规格有D 273×6、D 273×7、D 273×8等,这样同样D273管实际钢管的内径就有区别。而涡街流量计的通径则一般都比较标准,有D N50、D N100、D N150、D N200、D N300等,这样必然就存在一个匹配的问题,而这一点在现场使用中恰恰没有得到足够的重视。
涡街流量计仪表与管道内径相等是最为理想的,如果流量仪表通径与管道内径存在差异,就可能产生附加误差,具体可分以下几种情况:
(1)管道实际内径大于仪表通径,但两者之差不超过后者的3%,这时所产生的误差很小,仍在仪表的精度范围内,对测量无影响,不需要任何修正;
(2)管道实际内径小于仪表通径,但两者之差在一定的范围内,即通径DN15至DN100小于等于3%,DN150及以上小于等于1%,则产生的误差较小,这时可以通过对仪表系数K进行修正来补偿,消除影响;
(3)管道内径与仪表通径之差较大,超过上述允许范围,这时所产生的误差也较大,即使修正仪表系数K也无法满足测量精度及稳定性的要求。其原因是这种工况下相当于涡街流量计前已无直管段,由于管道的突变使流体流速的分布受到扰动发生畸变,这种干扰随着流速等参数的变化而变化,并非固定不变,是无法修正的变量。由此造成涡街流量计工作不稳定,输出频率信号与流速的比例关系失真,严重影响使用精度,甚至引起波动导致仪表无法正常工作。
据此在工程设计和仪表安装时应考虑尽可能选用管道内径略大于仪表通径,但是两者之差不超过后者的3%,同时尽量保证流量计与管道安装时的同心度,以免产生台阶影响流场分布而影响使用效果。
除此之外还有以下一些安装时应注意的细节问题,如有不慎也将影响使用效果,甚至使涡街不能正常工作:
(1)涡街流量计安装前后直管段的要求:要注意调节阀在小流量时易产生射流,阀后安装流量计直管段过短会造成涡衔流量计工作不稳定[3]。
(2)上游如果有插入式测温元件,也会产生频率很高的旋涡,类似阀门干扰,距离也必须远离,或者尽量安装在流量计后,因为流量计前后基本不会有多大的温差,完全能满足温度测量的要求。
(3)在焊接法兰切割管子时,焊口要磨平整,不能有焊渣升入到管道中,不平整光滑的焊缝也会影响流场的均匀分布。
(4)上游安装测压口时孔不必开得很大,也不能有焊渣探入到管边中,更不允许取压管有伸入管内的情况发生。
(5)安装涡街流量计的管道处应尽量避免振动,振动可能会产生干扰信号,等。
3 涡街流量计在蒸汽流量计量应用中应注意的问题
国内在工业较发达的地区热电联产,区域供汽供热的现象已很普遍,为工业供热贸易结算提供准确可靠的计量数据也就显得非常的重要。
首先应注意一个常识,在很多地方计量技术监督部门有明文规定,所有用于贸易结算的计量表计都是计量技术监督部门强制鉴定的仪表,也就是说用于贸易结算的计量表计在安装前都应送计量监督部门或计量监督部门授权认可的计量鉴定机构鉴定合格。出厂前生产厂家出厂检定报告不具有法律效力,一旦产生贸易纠纷未经计量鉴定部门鉴定合格的仪表将得不到计量技术监督部门的支持,将直接认定为计量不合格并承担主要责任。这一点经常会被忽视。
其次涡街流量计在蒸汽流量测量中还应注意温压补偿问题,涡街流量计检测的是流体在工作状态下的体积流量,而在日常贸易结算中蒸汽流量计量习惯用质量流量表示,计量单位主要为t,kg等。
因此就必然存在一个体积流量到质量流量的折算过程,折算系数中就包括流体密度的因素,而蒸汽密度又因温度压力的不同而不同,所以涡街流量计在蒸汽流量测量中引入温度压力补偿的目的就是在蒸汽实际工况偏离设计工况时,将根据实测温度压力参数计算蒸汽密度,将蒸汽密度对质量流量测量结果的影响予以修正。
蒸汽流量的温压补偿修正公式是一个比较复杂的数学公式,一般是由智能二次仪表如流量积算仪或DCS流量累积功能模块等来完成复杂的计算过程,在平时的工作中可以用简化的人工计算公式进行复核,具体如下[4]:
饱和蒸汽流量计算修正公式为
过热蒸汽流量计算修正公式为
式(5,6)中:Ms为流体质量流量,kg/h;Md为仪表指示流量,kg/h;ρx为刻度流量时蒸汽的密度,kg/m3;ρ=a p+b,为饱和蒸汽的密度表达式;a,b为常数,取值与压力p有关;p为液体的工作压力,MPa(绝压);ρ=f(p、t),为过热蒸汽的密度表达式;t为过热蒸汽温度,℃。
式中:Mm为在标准状态下流量标尺上限,kg/h;Vg,Vd为仪表的信号制上、下限电压信号,V;VL为流量计输出信号,V。
表1列出了a,b与p的关系,表2列出了ρ与p,t的关系。
4 结束语
深入了解涡街流量计原理,了解现场安装及应用的基本知识及相关经验,可以在现场得到很好的使用,发挥涡街流量计的优势,更好地服务于工业测量与控制领域。
参考文献
[1]姜仲霞,姜川涛,刘桂芳.流体力学[M].陕西:西安交通大学出版社,2006.
[2]苏彦勋,梁国伟,盛健.涡街流量计[M].北京:中国石化出版社,2006.
[3]苏焰勋.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社,2007.
关于热电企业蒸汽流量测量的探索 篇4
泰州梅兰热电有限公司现有二个热电厂,第一热电厂有5台35吨/小时的锅炉,第二热电厂有3台130吨/小时锅炉,两厂日产汽量13639吨,对外供热量6843吨/日。供热用户达80家,如何准确计量蒸汽流量,直接关系到全厂及热网用户经济效益。
2 主蒸汽流量测量装置的选择比较
第一热电厂是1985年建设的热电厂,现场蒸汽流量都采用喷嘴和孔板流量一次表。
标准孔板和喷嘴节流件世界通用、并得到了国际标准组织认可,无需实流校准,即可投用。由于它们结构简单、牢固、性能稳定可靠、价格低廉,所以应用范围广,适合测量全部单相流体(液、气、蒸汽)及部分混相流。其原理结构如图1、图2、图3[4]。
目前我国蒸汽流量测量用表90%以上采用标准孔板节流装置。但孔板流量计的缺点也是显而易见,即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个月时,钝化引起流量系数偏差1-3%,个别严重的在4%以上,这已引起了业界高度重视。目前,解决标准孔板钝化问题的最好方法是采用标准喷嘴,由于喷嘴的入口为光滑曲面,不易磨损,它的流量系数非常稳定,所以JJG640-94规程规定ISA1932喷嘴的检定周期为4年。再者,喷嘴在相同流量和相同β值条件下,阻力损失比孔板小得多(仅为孔板的50-60%),长期运行情况表明,由于喷嘴结构上具有耐冲击抗变形的优点,适应于高温、高压、高流速介质。所以我公司第二热电厂高压高温主蒸管道上都安装喷嘴流量计,实践表明,长期使用计量可靠稳定。
3 供热蒸汽流量测量装置的选择及流量计未来选型方向
由于孔板和喷嘴流量计在测量的重复性、精确度上,在众多类型流量计中属于中等水平,加之安装问题,精确度难于提高。此外范围度窄,由于流量系数与雷诺数有关,一般范围度仅3:1,且有较长的直管段长度要求,对小热用户测量误差大,特别是孔板流量计压力损失大,造成对外供热管损很大。
我厂对外供热部分使用涡街流量计测量蒸汽流量。涡街流量计基于卡门涡街原理,原理如图4[1]。
70年代以来得到了迅速发展。据介绍现在日本欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅度上升,广泛用于各个领域,未来是孔板流量计的理想替代产品。由于它具有其它流量计不可兼得的优点:涡街流量计结构简单牢固,安装维护方便,适用流体种类多,如液体、气体、蒸汽和部分混相流体。整体式结构精确度一般能达到测量值的(±1%~±2%),而插入式结构精度较低,此外范围度较宽,量程比达到10∶1,压损较小,约为孔板的1/4~1/2,涡街流量计输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量。
同样,涡街流量计不适用于低雷诺数测量(雷诺数Re≥20000),故在高粘度、低流速、小口径环境下使用受到限制。测量精度受到管道流速不均因素影响较大,插入式结构精度更低,易受安装对称性及管道截面积不确定因素的影响。稳定性差,且受多种因素干扰,准确调定困难。由于采用频率信号,受环境电磁干扰严重。抗震性能差,不适用于高速冲击和强震动场所,例如:对蒸汽测量,当流速超过40m/s时,管道产生的附加振动会引起较大的测量误差,而40~60m/s正是蒸汽的经济流速。直管段要求高,对测量脏污介质适应性差。耐温性能差,理论上工作在3 0 0℃以下,实际一般建议在2 0 0℃以下使用,虽然有耐高温型涡街,但检测元件长期在高温环境工作,使用寿命也会大打折扣。仪表系数较小,分辨率低,口径越大越低,一般用于DN300以下的管径。
考虑到蒸汽流量计的精度、稳定性和管道压力损失问题,未来我厂在供热蒸汽流量测量上有如下两款流量计选型,以替换涡街流量计:
(1)V锥流量计:V锥流量计(V-cone flowmeter)是美国富沃得公司在20世纪80年代开始研发的一种差压流量计,它的开发成功是差压式流量测量质的飞跃。它利用V锥体在流场中产生的节流效应,通过检测上下游压差来测量流量。与普通节流件相比,它改变了节流布局,从中心孔节流改为环状节流,工作原理如图5[1]。实践证明,V锥流量计与其他流量仪表相比,具有长期精度高、稳定性好、受安装条件局限小、耐磨损、测量范围宽、压损小、适合脏污介质等优点。而且V锥体本身作为流场的整流器而成为一种具有独特性能的优异的新型流量计。由V锥传感器和差压变送器组合而成的V锥流量计,可精确测量宽雷诺数(8000≤Re≤5E+7)范围内各种介质的流量。新型V锥流量计主要技术参数:精度等级,0.5级;重复性好,优于0.1%;工作压力,0~40MPa(有多个压力等级可供选择);工作温度,-40~850℃;安装直管段要求,前0-3D直管道,后0-1D直管段;量程比宽,通常为10∶1,选择合适的参数可达到50∶1;压损小,同样的β值,压损是孔板1/3~1/5。
(2)弯管流量计:弯管流量计实际上是一个90度标准弯头(如图6[1]),没有比它结构更简单的流量传感器了。随着机械加工工业的发展和行业标准化及规范化管理不断完善,弯管传感器的标准机制弯头性价比越来越高,它的特点是结构简单价格低廉;弯管流量计传感器耐磨损,对微量磨损不敏感;安装简单可采用直接焊接法进行安装,现场跑冒滴漏问题得到彻底的解决;适应性强;量程范围宽;直管段要求不严,只要是可以用孔板涡街均速管流量计来测量的管道内流体流量都可以用弯管流量计进行测量,而且在耐高温耐高压耐冲击耐振动耐潮湿耐粉尘等方面弯管流量计远优于其它流量计。弯管流量计的量程比可达1:10,对于蒸汽它的适用范围为5-70m/s,可以较好地满足蒸汽流量测量的要求[2]。弯管流量计由于其特殊的测量原理,使其在实际应用时对直管段的要求不严格,一般只要求前5D(D为蒸汽管道内径)后2D即可,远远低于其他流量测量装置的要求,弯管流量计精度高、重现性好,测量精度可达1.0%;重现性精度可达0.2%。一次安装后不再需要重复拆装,因此其安装精度也能得到最佳保证,弯管流量计的最突出特点是无任何附加节流件或插入件,可大大降低流体在管道内输送的动力消耗节约能源。在节能降耗的背景下,为优选流量计产品。
4 关于蒸汽流量测量装置使用的几个问题
1.蒸汽密度问题。目前对蒸汽流量测量使用的质量流量,测量介质都是指单相的过热蒸汽或饱和蒸汽,对于混相蒸汽肯定存在测量不准确的问题。
对于蒸汽的流量测量,一般都要进行压力和温度补偿,只重视差压、温度、压力信号的准确是不够的,不能忽略密度在测量中的重要地位,因为质量流量与密度有关,蒸汽流动产生的差压与密度在测量中是处于同等地位的,然而在实际使用中由于忽视了密度对流量测量的影响,蒸汽流量密度的计算,大多数采用的是简单的数学表达式或查表法,造成蒸汽流量计量不准确。
2.差压信号传送失真及引入的误差。在差压式流量计的标准规范中,对导压管的敷设和仪表的安装一般只简单地提到一句,即差压信号不应有传送失真。实际上要真正做到差压信号的不失真传送是非常不容易的。例如流过流量计的流量已降到零了,但从流量计读数来看,真正示值零的并不多。其中零点漂移的主要原因多半为差压传送过程中的失真。差压信号的传送失真使得差压变送器上接收倒的差压信号与节流装置所产生的差压信号不相等,从而引起附加误差。差压信号传送失真包括稳态值失真和动态失真。在稳定流条件下只存在稳态值失真,在脉动流条件下,既可能存在稳态值失真又会有动态失真。影响差压信号传送失真的因素主要有以下五个方面:(1)导压管引向不合理和切断阀设置不当引起的误差。差压式蒸汽流量计中导压管引向不合理和切断阀设置不当引入的误差已在前面论述。(2)冷凝器高度不相等引起的误差。正负压管上两只冷凝器结构应对称,安装高度应相等,从而有可能使得两只冷凝器内液位高度相等,因为液位高度相差lmm就会引入10Pa的差压失真。(3)隔离液液位高度不相等引起的误差。(4)引压管线引起的传送失真。保证导压管线合理的坡度是为了使管内可能出现的气泡较快地升到气体收集器内或母管内,使管内可能出现的凝液较快地下沉到沉降器、排污阀或母管内。(5)三阀组可能引入的传送失真。三阀组的通径很小,在测量干燥气体、蒸汽和液体时,一般不会有大问题,但在测量有可能析出凝液的低压气体时,往往会因一滴冷凝液堵在水平放置的三阀组流路中,引起很大误差。解决此问题的简单方法是改变差压变送器的安装方向,将三阀组的流路从水平改为垂直,并将差压变送器安装在高处等[3]。
5 结束语
综上所述,在选择蒸汽流量测量装置时,应按测量的介质、环境选用合适的测量装置。随着技术的发展,V锥流量计和弯管流量计将在更广领域得到更大的应用发展。
参考文献
[1]蔡武昌,孙淮清.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2001,4.
[2]何岳,张金锋,李志合编.弯管流量计在蒸汽计量中的应用[J].《工业计量》,2001,(2):36-38.
[3]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京:化学工业出版社,2003,8.
蒸汽流量 篇5
关键词：流量计量,存在问题,总结优化,蒸汽,准确性
一、关于蒸汽流量计量的分析
工作环节中, 很多用户都进行了饱和蒸汽的应用, 这需要进行干度的应用, 以此来衡量饱和蒸汽的质量问题。在该环节中, 我们称敢饱和蒸汽为过热饱和蒸汽, 其内部的含水量是比较低的。在其蒸汽常用质量流量计算过程中, 需要进行特殊单位的应用, 从而实现蒸汽密度的优化, 以满足蒸汽质量流量的控制, 保证蒸汽密度的优化, 根据蒸汽的压力及其温度展开控制。在实际工作过程中, 受到内外因素的影响。在其蒸汽计量模块中, 随着外界温度及其蒸汽状况的改变, 其密度也会发生改变, 也就影响了其质量及其流量。在蒸汽计量过程中, 一般都是通过压力及温度传感器跟踪蒸汽压力及温度变化来达到密度补偿目的。饱和蒸汽的密度变化与其压力或温度成正比关系, 因而单独通过测压力或测温度都可以对饱和蒸汽进行密度补偿。过热蒸汽的密度与其压力、温度成函数关系, 而不是正比关系。
二、蒸汽流量计量方案的优化
1 在当下蒸汽测量中, 依旧存在某些方面的缺陷, 比如蒸汽测量过程中, 有些使用者进行了高质量的流量计的应用, 但这不一定能进行准确的计量结果的呈现。相对于其他的流体计算模式, 蒸汽的计量更加具备难度, 影响其测量精确测量的因素是非常多的。经常会出现流量计本身检定合格, 而实际却感觉计量“不准”的现象。选择蒸汽流量计量仪表, 应重点考虑两个因素。一是量程问题。蒸汽流量计量仪表计量不正常, 主要是由于选型时量程不正确造成的。
在蒸汽需求量比较大的时间里, 其蒸汽计量仪表的控制范围要比较广泛, 相反在蒸汽需求量比较少的时间里, 其蒸汽计量仪表的控制范围不需要太大, 受到其用气量的差异, 其蒸汽计量表的流量控制范围也不能得到有效固定。这就需要进行流量测量范围的控制, 进行蒸汽计量仪表运行参数的优化, 保证其自身功能的应用。通过管道直径的优化, 可以满足蒸汽流量计算模块的相关问题, 这需要进行公称名义管径的优化, 当然, 在工作模块中, 我们必须明确到。其实公称名义管径值与实际管径值还是有误差的。国标规定:用来计算节流件直径比的管道直径D值应为上游取压口的上游0.5D长度范围内的内径平均值。该内径平均值应是至少在垂直轴线的二个横截面内所测得内径的平均值, 内径的数值应达到±0.3%。设计前最好实测管径, 以减少计算误差.
2 为了满足现实工作的需要, 展开蒸汽流量计量仪表的优化是非常必要的, 这需要进行蒸汽计量仪表的安装模块及其管理的优化, 保证其有效的工作。这需要在锅炉出汽口处进行蒸汽计量仪表的应用, 保证其管道的最低处的蒸汽计量仪表的避免, 保证其正确的蒸汽流量仪表的安装, 进行安装模块的循序渐进。在所安装仪表前后必须留有足够长的直管段。蒸汽计量仪表不能安装在整套管路最低处。必须高度重视冷凝器的安装。两个冷凝器亦须处于同一水平上, 两个冷凝器的作用是使导压管中被测蒸汽冷凝并使正、负导压管中冷凝液面有相等高度及保持长期稳定。
在泠凝器应用过程中, 受到其泠凝液面波动情况的影响, 其测量也容易出现误差, 这就需要进行差压变送器的工作模块的优化, 以满足实际工作的需要。进行其水平方向的横截面积的控制, 以满足当下差压变送器的工作需要, 保证其系统的密封严密性, 避免其出现泄漏的情况, 保证其维修、维护等的协调, 实现其导压管长度的优化。内径最好选用Φ10-16mm以防堵塞为好。导压管全程保温并确保正、负管处于同等温度以免密度变化引起误差。装测温元件地方最好在节流件下游侧10D以外处, 在管道或正压管上取压时, 如压力变送器装在节流装置下方, 必须对压力变送器的管路液柱值进行修正, 以提高计量准确度。
3 在蒸汽流量计操作中, 进行其运作顺序的优化是必要的。在蒸汽流量计运作过程中, 要进行其闭差压变送器的控制, 进行不同功能阀门的工作协调, 要保证阀门的严密性, 避免其导压管等出席泄漏的情况。要保证阀门及其管道的及时排污, 保证蒸汽的有效排放, 要保证冷凝器及其导压管的正常工作。缓慢开启负压阀门;随即开启正压阀门;稍停片刻后同时关闭正、负阀门;待冷凝器内液面一致平衡时才可进行, 否则将带来液柱静压误差;再开启正、负阀门;关闭平衡阀, 仪表启动。注意在向差压变送器的正、负容室充灌液体时, 应先旋开容器上的排气螺钉, 使气体排出后再进行充灌。
通过对仪表运行体系的健全, 可以满足管道后期工作的需要。在其应用模块中, 随着时间的推移, 其管道及其节流装置都会产生变化, 比如出现磨损、结垢及其腐蚀的情况。在工作模块中影响其节流件工作的因素是非常多的, 比如其结构的形状及其信号的准确性, 这就影响了测量工作的开展, 不利于其测量误差的控制, 而测量误差的变化并不能从信号中觉察到, 因此对节流件定期检查是必须的。由于企业的连续生产性质, 一般是与检修同步进行。如果几何尺寸变化不大仍可继续使用, 但应根据实测数据对设计数据进行修正, 以保证测量的准确。
4 通过对仪表维护体系的健全, 可以满足仪表工作的需要。受到其工作环境的影响, 其仪表长期处于高温环境, 比较容易出现表件的损坏情况, 这需要进行维护模块及其检修模块中的问题, 这就需要进行积极保养, 以满足工作需要。孔板差压式蒸汽流量计特别要检查孔板开口的圆面是否锈蚀, 有没有附着脏物, 要定期清洗, 对锈蚀严重的孔板要更换。涡街流量传感器在使用中要注意检查三角柱缝隙是否有杂物阻塞、检测元件是否失灵等。
结语
通过对蒸汽流量计量准确性方案的优化, 可以满足当下工作的需要, 提升其蒸汽流量计量的准确性, 保证工作难题的解决。
参考文献
[1]宋徐辉.影响蒸汽流量正确测量的因素和解决方法[J].上海计量测试, 2002 (01) .
汽轮机入口蒸汽流量测量解决方案 篇6
1 一次仪表配备方案
本装置配备的蒸汽流量计量一次仪表是标准喷嘴流量计,并配套温度、压力变送器进行温度、压力补偿。
节流式流量计在蒸汽计量中占有重要的地位。节流式流量计技术成熟,特别是标准节流装置按标准(ISO5167-2003E、GB/T2624-2006)设计、制造就无须实流标定,是其它流量计无法比拟的。实际上,目前我国蒸汽计量用表有90%以上仍采用标准孔板节流装置。大力推荐采用标准喷嘴而不是孔板的原因如下:
标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化,据悉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个月时,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,解决标准孔板钝化问题的最好方法是采用标准喷嘴。由于喷嘴的入口为光滑曲面,不易磨损。它的流出系数非常稳定,所以JJG640-94规程规定ISA1932喷嘴的检定周期为4年(孔板检定周期是1年)。再者,喷嘴在相同流量和相同β值条件下,阻力损失比孔板小得多(仅为孔板的50%~60%),有利于减小能耗。长期运行情况表明,由于喷嘴具有耐冲击抗变形的优点,适应于高温、高压、高流速介质。
标准喷嘴的主要计算数据如下:
工艺管线材质 12Cr1MoVG
工艺管线外径/内径/mm 273/223
工艺介质 高压蒸汽
操作温度/℃ 535
操作压力/MPa 8.1
操作密度/kg·m-3 22.9797
动力粘度/mPa·s 0.0307
等熵指数 1.2776
最大流量/kg·h-1 169300
正常流量/kg·h-1 160200
最小流量/kg·h-1 125600
流量计刻度/kg·h-1 200000
仪表差压/kPa 160
流量系数α 1.073876
直径比(缺孔板为面积比)β 0.6972653
型号及图号 BZ160-250
节流件形式 标准喷嘴
节流装置标准 ISO/GB
公称压力/kPa 16000
公称直径/mm 250
节流件材质 304
节流件孔径(圆缺高度)/mm 155.21
2 密度的确定
在蒸汽的计量上,密度虽然也是温度、压力的函数,但不再遵循理想气体状态方程,且在不同压力、温度区间,函数关系不同,很难用一个简单的函数关系式表示,因此着重论述一下常用水蒸汽密度的确定方法。
2.1 查表法
把水蒸汽密度表装入计算机中,根据工况的温度、压力,从表中查出相应的密度值。
2.2 计算法
(1)自己拟合公式(或者出版物给出的公式);
(2)乌卡诺维奇公式;
(3)IFC1967公式。
2.2.1 IFC1967公式
根据“IFC1967公式”制定的数表,考虑了各个不同区域的特性,是最完整的、最全面的。但它数据量大,占用了大量的空间,应用数表要首先判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽,再查不同的数表,另外数表的变量是有一定步长的非连续量,对于两点之间的数据,需经过数学内插处理获得,该公式非常繁杂,实际应用起来有一定难度。
2.2.2 密度拟合公式
本装置中,我们采用了密度拟合公式:
式中:t为补偿温度,℃;P为补偿压力(表压),MPa。
3 流量公式的确定
在蒸汽计量中用节流元件作为传感元件时用计算法进行补偿,其流量公式为:
式中:
Qm-补偿后质量流量,kg·s-1;
C-流出系数;
ε-流束膨胀系数;
ΔPCh-常用状态下的差压,即被补偿量,Pa;
ΔP-刻度差压,Pa(见数据表);
P1-设计压力,Pa(见数据表);
K-等熵指数(见数据表);
τ-单位面积内磨擦力;
Red-管道雷诺数;
Dt-常用状态下管道内径;
β-节流件孔径与直管段内径之比,β=d/Dt;
η-动力粘度(见数据表);
qm-刻度流量,kg·s-1(见数据表)。
(1)根据公式(6),将qm=200000 kg·h-1≈55.56kg·s-1,Dt=0.223m,η=0.0307×10-3Pa·S代入,计算得出Red=10.3374×106。
根据公式(5),将ΔP=160kPa=160000Pa,P1=16000kPa=160000000Pa代入,计算得出τ=0.99。
根据公式(4),将β=0.6972653,k=1.2776,τ=0.99代入,计算得出ε=0.991726。
根据公式(3),将β=0.6972653,Red=10.3374×106代入,计算得出C=0.99152。
根据公式(2),将β=0.6972653,Dt=0.223m,ε=0.991726代入,计算得出:
将公式(1)代入(7)式中,计算得出:
(2)该透平压缩机组采用ITCC控制,本文中的补偿计算过程已被组态到程序中执行,只需采集现场实时补偿压力值、补偿温度值、高压喷嘴二次仪表的差压值,将这3个变量组态进上述我们经过计算得到的式(8)中,通过程序计算我们得到最终经过补偿后的实际流量。
4 结语
蒸汽作为重要的二次能源,广泛用于采暖、制冷、生产工艺用热中作载热工质,所以提高蒸汽的生产、输送及使用效率可以节约大量的能源。准确的计量是提高能源管理水平的关键。由于蒸汽的特殊性,在计量方面存在诸多困难,长期以来一直是流量测量中的老大难问题。选择合适的温度、压力补偿公式,就必须全面地了解流量测量的方式。在测量介质,测量装置,液体工况,流量单位均不同的场合,采用正确的温度、压力补偿方式,才能获得准确的流量。
参考文献
[1]GB/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].
[2]蔡武昌,孙淮清.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2001.
蒸汽流量 篇7
蒸汽是重要的二次能源。在工业生产以及城市公共事业中, 都涉及蒸汽生产和输送。蒸汽在输送和利用过程中, 常见的形态是湿饱和蒸汽, 湿饱和蒸汽简称为湿蒸汽, 它是气液两相流。为了能有效、经济地对其进行技术管理、监视、控制、成本核算和贸易结算, 需要对湿蒸汽流量进行计量, 计量湿蒸汽流量的仪器称作湿蒸汽流量计。
但是目前国内外生产的蒸汽流量计, 如涡街流量计、孔板流量计、靶式流量计、涡轮流量计等, 仅当蒸汽为单相流, 即为干饱和蒸汽时, 其精度才较高。而现实情况是, 蒸汽往往是以湿蒸汽——气液两相流的形态出现, 随着蒸汽干度或流量的变化, 湿蒸汽呈现不同的流态, 上述的流量计在测量汽液两相流时其误差很大, 可达40%乃至更高, 因此对汽液两相流的计量, 仍为一个公认的难题。
造成多相流计量困难的主要原因有: (1) 两相流是在流体力学和传热学基础上发展起来的, 这一学科虽然引起各国学者的重视, 开展了广泛的理论研究和实验研究, 也取得了很多研究成果, 但毕竟是一门新兴学科, 还未获得完善的数学模型, 用于指导生产实践; (2) 更重要的是“蒸汽流量计的检定”手段不完备, 这是制约湿蒸汽计量工作的重要环节。以蒸汽为工作介质的“蒸汽流量计量检定装置”其设备昂贵、能耗很大、操作复杂、费用颇高, 目前国内只有少数研究多相流的院校具备多相流实验室。这导致了蒸汽流量计无处检定, 给蒸汽流量计的研制和生产带来了很大的不便。前期, 业内人士提出采用单相压缩空气、水或二者的混合流对蒸汽流量计进行检定的方案, 很多仪表生产厂家也采用此方案, 但由于多相流比单向流复杂得多、以及湿蒸汽的载热量大, 易发生相变, 因此, 用这种方案仍远不能对湿蒸汽流量计进行精确检定。
随着科学技术与计算机应用的发展, 近年来多相流基础理论研究得到持续发展, 内容主要涉及到多相流流型、流型图、压力降、截面含气率、截面含液率、特种管件内的多相流、液汽、喷汽及数值计算等, 这必将推进多相流在现代工程中的广泛应用, 而且也促使这些工程设备的发展和创新。多相流基础理论研究的发展和现代工业生产或管理对流体的精确计量提出了更高的要求, 推动着气液两相流流量计的研究和生产, 因此, 对湿蒸汽流量仪的检测与标定装置的需求, 就显得尤为迫切。
本文的目的就是针对目前仪表行业与测试技术的发展, 研制一种能够被仪表生产厂家接受并采用的湿蒸汽流量仪检测标定系统。
2 检测标定系统介绍
该系统分为两部分:硬件部分和软件部分。其中软件部分主要包括数据采集与处理程序。
2.1 硬件部分
检测标定系统硬件部分主要包括蒸汽发生器、干度调节装置、蒸汽冷凝装置、蒸汽计量装置, 以及附属连接管道和阀门, 该系统在西安某仪表公司得到建设和采用, 其主要流程示意图如图1所示。
该系统工艺流程如下, 由蒸汽锅炉1产生连续稳定的干饱和蒸汽, 通过调节阀1控制所需的蒸汽流量;干饱和蒸汽流经板式换热器3时, 调节阀3控制换热器的冷却水量, 以调节蒸汽干度;此时可由蒸汽流态可视窗4观察不同流量和干度下湿蒸汽在管道中的各种流态。
由于多相流流型对气液两相流的测量和计算有很大影响, 若忽视气液两相流流型, 则会对气液两相流的测量和计算造成很大的误差, 因此很有必要在研究气液两相流时, 仔细观察气液两相流的流型和流态。文献以及本实验可视窗观察表明:湿蒸汽在管道内流动, 干度与流量发生变化, 流型也随之改变, 一般而言, 随着湿蒸汽含气率的增加, 气体流量增大, 其流型的变化趋势为:泡状流——塞状流——分层流——波状流——弹状流——环状流, 其中, 环状流是工程中最常见的蒸汽流态, 是在气流速很高, 并且含气率较高的情况下发生的, 液相被气相冲得环绕在管壁上, 形成一层液膜。
湿蒸汽流经试验段5 (即被检仪表安置处) , 仪表测量计算湿蒸汽参数, 温度传感器①测得此处蒸汽温度值;蒸汽在混合式冷凝器7中与冷却水混合成冷凝水, 一起流出冷凝器, 由温度传感器②、压力传感器②测得冷凝水的温度值、压力值, 并由高精度电磁流量计①计量其体积流量。混合式冷凝器冷却水的进水量、温度、压力值分别由电磁流量计②、温度传感器③、压力传感器③测得。依据混合式冷凝器的能量平衡原理, 确定准确的蒸汽干度, 同时确定来自锅炉的蒸汽准确流量。
为保证系统精度, 电磁流量计均为0.5级, 温度测量采用误差限为±0.5 ℃的Pt100铂电阻, 压力测量采用Rosemount3051型压力变送器。所有设备中, 混合式冷凝器必须得到良好的保温。
注:1——蒸汽发生器 (锅炉) ;2——压力传感器①;3——板式换热器;4——流态可视窗;5——试验段 (被检仪表) ;6——温度传感器①;7——混合式冷凝器;8——温度传感器②;9——压力传感器②;10——电磁流量计①;11——电磁流量计②;12——电磁流量计③;13——温度传感器③;14——压力传感器③;15——供水泵;16——大水箱
2.2 软件部分
软件部分分为数据采集系统和数据处理程序。
2.2.1 数据采集系统
由于VB界面友好, 也很容易利用采集卡的驱动程序进行采集系统的设计, 数据采集模块主要由VB设计, 被检表以及所有温度传感器、压力传感器、电磁流量计的4～20 mA电流模拟信号, 通过4117数据采集模块传输给计算机接口, 计算机实时显示实验数据。
2.2.2 数据处理程序
湿蒸汽的计量和控制主要指标是质量流量和蒸汽干度, 故本文所研究的湿蒸汽流量仪检测系统主要针对这两项指标编制相应数据处理程序, 以对被测仪表进行检测或标定。依据质量守恒原理、能量守恒原理和水和水蒸汽性质国际联合会于1997年通过的新型水和水蒸汽热力性质工业公式 (IAPWS-IF97) , 以C语言为工具, 开发数据计算处理软件包。
作为流量仪检测标定平台, 本系统能够提供标准质量流量 (kg/h) , 标准体积流量 (m3/h) ;还可以提供可供参考的湿蒸汽干度 (目前测量蒸汽干度的方法主要有热力学法、分离法、光学法、化学法、电学法、全息摄形法等, 但没有一种方法能够完成对蒸汽干度的准确实时在线计量, 故通过权衡设备投资、试验运行、实时显示等因素, 本系统采用一种比较简便的测量蒸汽干度的方法——水、蒸汽混合测量, 该方法无运动部件、无辐射、成本低、精度高) 。
下面以某公司生产的涡街-V锥组合双流式蒸汽流量仪在本文研究的标定系统标定的数据处理为例 (本文不对该组合表的合理性进行论述) , 扼要介绍该系统工作原理以及数据处理程序流程。
(1) 由于IAPWS-IF97公式计算速度快、精度高、适用范围广、边界一致性好、不需要占用大量的内存空间, 适用于以单片机为核心的智能仪表, 故本文在涉及水蒸气性质的计算与引用时, 均应用IAPWS-IF97公式进行编程。以1区公式为例, 示意根据压力和温度求焓值h与比体积v的计算过程。
先通过1区的基本方程求吉布斯自由焓:
undefined
式中:无量纲参数undefined;undefined; (P*=16.53 MPa;T*=1 386 K) ;ni, Ii, Ji——方程中的常系数, 其值可参照水和水蒸汽性质国际联合会发布的《Properties of Water and Steam》。
然后对吉布斯自由焓求偏导, 可得过冷水焓与比体积:
undefined
undefined
式中:γ的下脚标表示对其求导。
(2) 数据采集系统采集得电磁流量计体积流量 (m3/h) 、温度传感器温度值 (℃) 、压力传感器压力值 (MPa) , 以及被检仪表组件:V锥流量计压差 (Pa) 和涡街表体积流量 (m3/h) 。
温度传感器①、②、③的数值分别用T1、T2、T3表示;压力传感器①、②、③的数值分别用P1、P2、P3表示;电磁流量计①、②的数值分别用Q1、Q2表示。假定被测管路中, 湿蒸汽温度为T1, 干度为x, 热力学焓为h, 质量流量为Qm。由混合式冷凝器原理 (如图2) , 根据质量守恒:
由IAPWS-IF97过冷水区 (1区) 公式, 由所测得冷却水T3、P3值和出口混合物T2、P2值, 可分别求其密度ρ2和ρ1, 故此系统标准质量流量可由式 (5) 求得:
整个混合式冷凝器得到良好保温, 可视为与外界绝热, 根据能量守恒定律:
则:
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由IAPWS-IF97公式的4区 (饱和线区) 、1区、2区公式, 根据水蒸气性质参数边界一致性, 编程求得T1温度下, 饱和水点的焓值h′与比体积v′, 饱和蒸汽点的焓值h″与比体积v″, 由干度定义, 此系统参考干度可由式 (7) 算得:
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前期研究表明, 当Q1与Q2以及T1与T2均为同向反比误差时, 它们各自测量误差的叠加引起的干度测量误差仅在1.5%之内。
(3) 采集模块采集得涡街表的体积流量信号Qv (m3/h) 与内锥流量计的差压信号ΔP, 根据质量守恒定律, 可组合两表计算公式计算得该被检表所测量的湿蒸汽质量流量Q′m (kg/h) 与蒸汽干度x′, 该测量值与系统标准质量流量Qm与系统参考干度x比较, 可以对被检表的精度进行检定, 并对被测表的仪表系数进行标定。
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式中:K——V锥流量计的水标定系数。
(4) 数据处理系统根据被检表信号所计算的质量流量和干度分别与系统标准质量流量和参照干度比较, 得出被检表精度, 并按指定精度对被检表标定, 重新计算仪表系数。
上述数据处理原理示意图如图3所示, 其中虚线框中部分为检测系统标准质量流量与参考干度的计算原理。
该系统检测或标定仪表时, 各仪表数据通过采集控制界面实时显示, 同时, 内置计算程序对采集的数据按组进行处理, 将所需数据保存为实验报表和参数变化曲线图。表1是应用该数据处理程序对某次实验其中一组数据的处理结果。
3 小 结
蒸汽流量 篇8
在SAGD生产阶段,注入蒸汽中只有潜热部分用于油层的加热,而注入蒸汽的凝积水部分则以几乎相同的温度从生产井中采出,对地层的加热不起任何作用。因此,SAGD阶段要求的蒸汽干度相当高,有利于蒸汽腔的扩展,有效地加热油层,提高洗油效率,增大泄油速度。模拟研究表明,随着蒸汽干度的提高,SAGD生产效果明显提高。兴Ⅵ组油层当井底干度大于70%时,采出程度维持较高水平,现场操作时应当尽可能提高井底干度,通常要求井口干度大于95%。
因此,为保证井口干度达到油藏开发方案的需求,地面配套系统的设计中需要对注汽锅炉出口增加汽水分离装置,装置出口的水蒸汽干度能达到99%以上。考虑到注汽管网沿程损失和干度降,注汽系统中水蒸汽的平均干度一般也超过95%。
湿蒸汽的计量方式较复杂,目前蒸汽流量和干度的测量方法国家没有标准、统一的测试方法,国内一些油田和科研机构纷纷研制了各自的两相流流量计,其功能、原理及现场应用情况各不相同。而单相流气体的计量相对简单,流量计和检定装置标准比较完善。
根据《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)规定“汽液混合物中,气相体积(体积含气率)在6%~98%范围内时,宜采用两相流方法计算管道压力损失”,规范没有对流量计量方法提出建议,但对两相流的定义可供参考。
当蒸汽干度大于0.9时,管内流体呈雾状流,汽水不会在管内明显分层,水滴分布均匀,流体接近单相流。水蒸汽在不同干度(X=99%、95%、90%)三种情况下,体积含量见表1。
从表1中数据可以看出,蒸汽干度在90%以上时,气体组份的体积占比均超过98%,液体组份的体积含量小于2%,工程上可以忽略其对流态的影响。
当体积含气率超过98%时,可以将高干度水蒸汽按单相流计算。不同压力下,体积含气率为98%时对应的蒸汽干度见表2。
从表2中数据可以看出,当蒸汽压力P=10MPa时,蒸汽体积百分含量在98%时对应的蒸汽干度在79.8%,可见干度在80%以上时,两相流的特征已不明显,可以近似看作单相流。
地面注汽系统设计中,SAGD注汽参数通常为压力8MPa~14MPa,温度为相应压力下的饱和温度,干度为95%以上。综上所述,将SAGD注汽系统的高干度蒸汽简化为单相流计量流量可以大大的简化设备,对注汽井特别多的工程尤其显得意义重大。
摘要：SAGD注汽系统的湿蒸汽干度通常较高,注汽锅炉出口需要加装汽水分离装置,装置出口的水蒸汽干度能达到99%以上。考虑到沿程损失和干度降,注汽系统中水蒸汽的平均干度一般也超过95%。本文针对如此高干度的水蒸汽分析,当蒸汽体积占比通常达到98%以上时,可以简化计量,按照单相流体来设置流量计,既能降低工程投资,也能基本满足生产需求。
关键词：高干度蒸汽,干度,体积占比,简化计量
参考文献
[1]《石油和化工工程设计工作手册》编委会.石油和化工工程设计工作手册(第七册)油气田与管道公用工程设计(下)[M].北京:中国石油大学出版社,2010.