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    蒸汽介質分析及蒸汽計量系統綜述


    蒸汽介質分析及蒸汽計量系統綜述,本文從蒸汽介質入手,介紹了蒸汽的產生、性質、分類及用途;進而提出了蒸汽用量計量問題;重點論述了蒸汽計量系統的工作原理和校準方法;*后給出了未來蒸汽計量的主要研究方向。有助于加深行業人員對蒸汽及蒸汽計量知識的理解和應用。

    蒸汽作為一種特殊的氣體介質,是重要的能源物質(載能工質),工業上有著廣泛的利用,如圖1所示。蒸汽用量計量是由蒸汽計量系統來完成的。所謂蒸汽計量系統是指用于計量蒸汽瞬時流量或累積流量的計量器具總稱。
                  
                                                                圖1 工業蒸汽利用
    由于蒸汽介質的特殊性以及蒸汽計量系統的復雜性,很多工程技術人員面對蒸汽生產和蒸汽利用問題時感到難以把控,甚至出現錯誤的管理或錯誤的操作,給企業帶來風險和損失。為此,本文從蒸汽介質入手,詳細論述蒸汽計量系統涉及的有關問題。
    1 蒸汽介質
    1.1 蒸汽的產生
    當液體(不一定指水)在有限的密閉空間中蒸發時,液體分子可以通過液面進入上面空間,成為蒸汽分子,這個過程稱為“蒸發”。蒸汽分子相互碰撞,當與容器壁以及液面發生碰撞時,就會有部分的蒸汽分子被液體分子所吸引,重返液體中成為液體分子,這個過程稱為“凝結”。蒸發開始時,蒸發產生的分子數目多于凝結產生的分子數目,稱為“不飽和狀態”;隨著蒸發的進行,單位時間內蒸發產生的分子數目與凝結產生的分子數目相當時,蒸發與凝結處于動平衡狀態,稱為“飽和狀態“。在飽和狀態下的液體稱為“飽和液體”,其蒸汽稱為“飽和蒸汽”。*初只是“濕飽和蒸汽”,待蒸汽中的水分完全蒸發后稱為“干飽和蒸汽”。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過程溫度是不增加的。如果干飽和狀態之后繼續加熱則溫度會上升,成為“過熱蒸汽”(壓力不變、溫度升高、密度降低)。本文所論述的蒸汽介質均特指水蒸汽,工業上利用鍋爐加熱水產生。
    1.2 蒸汽的性質
    1.2.1 飽和蒸汽
    飽和蒸汽是一種無色、無味、不能燃燒又無腐蝕性的氣體。飽和蒸汽的溫度與壓力之間存在一一對應關系,二者之間只有一個獨立變量。飽和蒸汽容易凝結,在傳輸過程中如有熱量損失,蒸汽中便有液滴或液霧形成,并導致溫度與壓力的降低。含有液滴或液霧的蒸汽稱為濕蒸汽或濕飽和蒸汽,其含量多少一般用“干度”這一參數來表示。飽和蒸汽溫度較低,但傳熱系數很高,可有效降低蒸汽消耗,對設備的運轉也有很多好處,在化工生產及熱壓領域有很多應用。
    1.2.2 過熱蒸汽
    過熱蒸汽一般是由飽和蒸汽加熱升溫獲得的,其中不含液滴或液霧;當突然大幅度減壓,液體出現絕熱膨脹時飽和蒸汽也會轉變成為過熱蒸汽,這種過熱蒸汽中含有汽液兩相流。過熱蒸汽的溫度與壓力參數是兩個獨立參數,其密度由這兩個參數決定。過熱蒸汽是常見的動力能源,常用來帶動汽輪機旋轉,進而帶動發電機或離心式壓縮機工作。過熱蒸汽在經過長距離輸送后,特別是在過熱度不高的情況下,會因為熱量損失溫度降低而使其從過熱狀態進入飽和或過飽和狀態,轉變成為飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。
    1.2.3 蒸汽溫度、壓力范圍
    各種狀態蒸汽所處溫度、壓力范圍如圖2所示。
              
    圖2 蒸汽所處溫度、壓力范圍
    2 蒸汽計量
    蒸汽的用量一般通過蒸汽計量系統來實現。國家強制標準GB 17167中對企業蒸汽計量器具的準確度、配備率均有明確的要求。蒸汽計量系統一般包括流量信號測量、補償信號測量(包括溫度和壓力),以及用于接收和處理這些信號的流量積算等功能組成。
    2.1 流量信號測量
    主要使用各種流量變送器、流量傳感器等,把測量到的蒸汽流量信號轉變成標準信號輸送至積算儀中。
    2.2 補償信號測量
    壓力信號主要使用壓力變送器、壓力傳感器等壓力儀表;溫度補償信號主要使用熱電阻、熱電偶等溫度儀表,把測量到的補償信號轉化為標準信號輸送至積算儀中。
    2.3 流量積算
    蒸汽流量積算主要由流量積算儀(以下簡稱積算儀)來完成。積算儀接收系統測量到的蒸汽流量信號、壓力補償信號、溫度補償信號,通過軟件自動查詢內置的蒸汽密度(一般利用IFC1967或IAPWS-IF97公式得出),再利用一定的數學模型積算出蒸汽瞬時流量、累積流量等。積算儀可以對流量進行顯示和儲存,有些還具有輸出和定量控制的功能。
    2.4 計量單位
    蒸汽的用量計量目前一般采用質量結算,瞬時流量單位為kg/h或t/h;累積流量單位為kg或t。
    3 蒸汽流量計
    蒸汽計量系統中的流量變送器或流量傳感器為核心部分,主要包括渦街流量計、差壓式流量計、分流旋翼蒸汽流量計等,統稱為蒸汽流量計,如圖3所示。
             
    圖3 常見的蒸汽流量計
    3.1 渦街流量計
    利用卡門(Karman)渦街原理測量蒸汽的體積流量,由傳感器、轉換器、顯示儀表組成。工作時,蒸汽流體對三角柱型旋渦發生體進行沖擊,從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的卡門旋渦,旋渦頻率與蒸汽平均速度存在線性關系,從而獲知蒸汽流量。
    3.2 差壓式流量計
    以伯努力方程和流動連續性方程為依據,安裝于蒸汽管道中節流裝置產生的差壓,差壓的大小和蒸汽流量有確定的數值關系。常見的差壓式流量計有孔板流量計、噴嘴流量計、V錐流量計、平衡流量計、楔形流量計等。
    3.3 分流旋翼式蒸汽流量計
    蒸汽進入流量計節流體后,一部分通過主管道的節流孔板,一部分經分流管流經噴嘴射流到葉輪上,對葉輪形成轉矩,使葉輪帶動輪子軸旋轉,葉輪轉速與流量成正比。
    4 積算儀
    蒸汽計量系統中的積算儀決定了能否正確積算蒸汽流量,因此其內部的積算工作模式選擇問題非常重要。操作人員可以可以根據蒸汽產品特性、蒸汽計量要求等靈活選擇和配置積算儀工作模式。當積算儀中的壓力/溫度/密度參數中的一個或全部設為固定值時,理論上可以減少補償參量計量器具的安裝數量,降低儀器配置成本;但此時的蒸汽流量將不能實時反映蒸汽的壓力/溫度/密度變化情況,很可能會產生明顯的計量偏差。因此還是建議配齊蒸汽計量系統各類儀表。
    4.1 補償方式
    蒸汽的補償方式主要包括:飽和蒸汽壓力補償(密度僅由壓力參數決定)、飽和蒸汽溫度補償(密度僅由溫度參數決定)、過熱蒸汽溫度壓力補償(密度由溫度與壓力參數共同決定)、蒸汽固定密度補償(密度設為固定值)。
    4.2 信號類型
    4.2.1 流量信號類型
    流量信號主要采用頻率信號、模擬信號、差壓信號等幾種類型。頻率信號與蒸汽流量成正比例關系,如頻率輸出型渦街流量計;模擬信號也稱線性信號或比例信號,常見的有(4~20)m A、(0~10)m A、(0~5)V、(1~5)V等,模擬信號與蒸汽流量成線性比例關系。如電流輸出型渦街流量計等;差壓信號分為未開方與已開方兩種:差壓信號經差壓變送器送至積算儀,該標準信號經積算儀開方后與蒸汽流量成正比,稱為未開方;差壓信號經差壓變送器開方后再送至積算儀,直接與蒸汽流量成正比,稱為已開方。
    4.2.2 補償信號類型
    壓力信號主要采用模擬信號輸入;溫度信號主要采用模擬信號、電阻或電偶輸入的方式。
    4.3 計算模型
    4.3.1 模型1——頻率信號
    計算模型公式如下:
                          
    其中ML為蒸汽瞬時流量(kg/h);F為接收到的流量頻率(Hz);b為傳感器K系數(P/L),為固定值;ρf為蒸汽實時密度(kg/m3),是由輸入標準溫度值Tf和/或標準壓力值Pf、蒸汽相對濕度值φd、固定設置密度等因素決定的;3.6為單位轉化系數;kα為流量點非線性修正系數,時為1。
    4.3.2 模型2——模擬信號
    以(4~20)m A為例,計算模型公式如下:
                            
    其中Ms為20m A時的滿度流量值(與ML單位相同);I為接收到的流量電流(m A);ρd為蒸汽設計密度(kg/m3),根據設計溫度Td(固定值)和/或設計壓力Pd(固定值)查表確定。
    4.3.3 模型3——未開方差壓信號
    以(4~20)m A為例,計算模型公式如下:
                          
    其中Iw代表接收到的未開方流量電流(m A),用于模擬差壓變送器的輸出值。
    4.3.4 模型4——已開方差壓信號
    以(4~20)m A為例,計算模型公式如下:
                           
    其中Iy代表輸入的已開方標準電流(m A),用于模擬經過差壓變送器開方運算后的輸出電流值。
    5 蒸汽計量系統校準
    蒸汽計量系統所包含的蒸汽流量計、壓力儀表、溫度儀表、積算儀屬于依法管理的計量器具,必須進行周期溯源,這是正確使用蒸汽計量系統的前提和基礎。
    蒸汽流量計校準一般在實驗室內完成,校準介質一般為空氣,也可以為實流的蒸汽介質。校準所用的標準裝置準確度為0.2級~0.3級,類型主要包括音速噴嘴法氣體流量標準裝置、稱重法蒸汽實流標準裝置、標準表法氣體流量標準裝置、鐘罩式氣體流量標準裝置等,如圖4所示。
              
    圖4 常見的氣體流量標準裝置
    壓力儀表校準可以在實驗室或使用方現場完成。標準器主要包括0.05級數字壓力校驗儀、活塞式壓力計、浮球式壓力計等,如圖5所示。
    溫度儀表(以鉑電阻為例)校準一般在實驗室內完成。標準器主要包括二等標準鉑電阻溫度計、標準恒溫槽、低電勢轉換開關、高精度數字多用表等,如圖6所示。
    積算儀校準可以在實驗室或使用方現場完成。標準器主要為0.02級多功能過程校驗儀、標準電阻箱等,如圖7所示。多功能過程校驗儀包含了多路標準信號輸出及測量功能,滿足積算儀多通道校準要求。
              
    圖5 壓力校準裝置
            
    圖6 鉑電阻溫度校準裝置
            
    圖7 多功能過程校驗儀
    6 結束語
    蒸汽用量的準確計量是行業內的技術難點。目前待解決的主要問題有:由于飽和蒸汽的干度難以保證,如何準確計量蒸汽雙相流的問題;使用空氣標定與使用蒸汽標定的結果差異性問題;蒸汽計量系統在線校準或在線核驗問題等,隨著這類關鍵技術問題的研究和解決,有助于進一步提升行業蒸汽生產、利用和計量管理水平。

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