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    蒸汽流量的测量

    点击数:84132012-12-10 09:55:56 来源: 江苏万迅万博体育max首页有限公司---官方主页

     蒸汽流量的测量

     

    蒸汽流量的测量

    蒸汽流量测量方法如果按工作原理细分,可分为直接式质量万博体育手机版客户端和推导式(也称间接式)质量万博体育手机版客户端两大类。前者直接检测与质量流量成函数关系的变量求得质量流量;后者用体积万博体育手机版客户端和其他变量测量万博体育max首页,或两种不同测量原理万博体育手机版客户端组合成的万博体育max首页,经计算求得质量流量。

    现在人们广泛使用的蒸汽质量万博体育手机版客户端绝大多数仍为推导式。其中,以节流式差压万博体育手机版客户端和万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端为核心组成的蒸汽质量万博体育手机版客户端是主流,这两种方法有各自的优点和缺点,而且具有良好的互补性。在差压式万博体育手机版客户端中,线性孔板以其范围度广、稳定性好的优势占有一定市场份额,除此之外,科利奥里质量万博体育手机版客户端、均速管万博体育手机版客户端、超声万博体育手机版客户端等在蒸汽流量测量中也有应用。

     

    1 用节流式差压万博体育手机版客户端测量蒸汽质量流量

     

    节流式差压万博体育手机版客户端的一般表达式为

     

    式中 qm——质量流量, kg/s;

    C——流出系数;

    εl——节流件正端取压口平面上的可膨胀性系数;

    d——工作条件下节流件的开孔直径,m;

    Δρ——差压, Pa;

    ρ1——节流件正端取压口平面上的流体密度, kg/m3

    β——直径比,β=d/D;

    D——管道内径,m。

    在式(3.1)中,β和d为常数,C和εl在一定的流量范围之内也可看作常数,因此式(3.1)可简化为

     

    从式(3.2)可清楚看出,万博体育max首页示值同ρ1密切相关。而蒸汽工况(温度t,压力ρ)的变化,必然使ρl产生相应的变化。因此,差压式万博体育手机版客户端必须与用以求取蒸汽密度的工况测量万博体育max首页配合,并同计算部分一起组成推导式质量万博体育手机版客户端,才能保证测量精确度。

    在实际应用系统中,常用测量点附近的流体温度、压力,经计算后求得相应的密度,再经演算求得瞬时质量流量,通常称作温度、压力补偿。根据水蒸气的性质和特点,在过热状态和饱和状态时可有不同的补偿方法。

    (1)过热蒸汽质量流量测量 当流体为过热蒸汽时,ρl取决于流体压力P1和流体温度tl。图3.1所示为测量系统。

     

    (2)饱和蒸汽质量流量测量 饱和蒸汽的压力和温度是密切相关的,临界饱和状态的蒸汽从其压力查得的密度同从其温度查得的密度是相等的,所以推导式质量万博体育手机版客户端测量其流量时,既可采用压力补偿也可采用温度补偿。采用压力补偿时,是利用ρ1=f(P1)的关系获得ρ1;采用温度补偿时,是利用P1= f(tl)的关系获得ρ1。两种方法中以压力补偿较宜,详见3.1.5节分析。

    图3.2(a)所示为压力补偿法,图3.2(b)所示为温度补偿法。

     

     

    2 用双量程差压万博体育手机版客户端测量蒸汽质量流量

     

    差压式万博体育手机版客户端有它固有的缺陷,即范围度不理想,这主要是由其测量原理决定的。对流量不确寇度影响最大(也是流量测量范围度影响最大)的因素是差压测量不确定度:

     

    例如,对于0.075级精确度等级的变送器,在由式(3.3)可知,在后一种情况下,对流量测量不确定度的影响为1%。即为了获得±1%的流量测量精度,如果选用的是O.075精度等级的差压变送器,只有在差压大于3.75%FS,即流量大于19.36%FS时,才能保证精确度。

    为了提高流量量程低端的测量精确度,必须大大提高低差压段的差压测量精确度,其中最省力、最有效的方法是增设一个低量程差压变送器,组成双量程差压万博体育手机版客户端。

    (1)增设一个低量程差压变送器 一台差压变送器,其差压低端的示值误差无法进一步减小的原因是其精确度并非可以任意确定,而且受膜盒面积等因素制约,其实膜盒面积制约的不仅仅是精确度等级所对应的差压值,还有环境温度影响以及长期漂移影响所对应的差压值。

    提高相对流量较小时的差压测量精确度,另外增设一台低量程差压变送器是一个行之有效的方法。

    例如有一蒸汽流量测量对象,最大流量100t/h,最小流量3t/h,常用压力1.lMPa,常用温度250℃,公称通径DN500,高量程差压变送器选用O.075级中差压变送器,测量范围: O~ 100kPa,低量程差压变送器选用O.075级低差压变送器,测量范围设定为O~3.75kPa,这样,两台变送器在智能二次表的指挥下,自动切换,相互配合,在流量量程3~100%范围内, 为1.25%。

    ①其他因素的对策。节流式差压万博体育手机版客户端的测量不确定度不仅与差压测量的不确定度有关,而且与流量密度ρ1、流出系数C的非线性以及可膨胀性系数ε1的不确定度有关,为了消除或基本消除这些因素对流量测量不确定度的影响,可在二次表内按规定的数学模型进行密度补偿、流出系数补偿、可膨胀性系数校正等。具体方法将在本书的第8章讨论。

    ②防止差压信号的传递失真。在式(3.3)所示的差压测量不确定度同流量测量不确定度的关系中,是假定差压变送器输入的差压值与节流装置所产生的差压值一致,但是,导压管在将节流装置所产生的差压引到变送器的过程中,由于多种原因,很容易产生差压信号传递失真。在这些原因中,有根部阀选型安装不合理,导压管坡度不符合要求,冷凝器安装高度不相同,导压管太长而且管内传输介质(液体)温度不相同等问。在被测介质为干气体时,这种传递失真一般可忽略,在被测介质为温气体和蒸汽时,如果不注意就会引起传递失真。

    对于一个具体的流量测量装置,相同的差压信号传递失真,在流量为不同值时,其影响也不一定,其中相对流量较大时,影响较小,相对流量较小时,影响较大,这是因为相对流量较小时,节流装置送出的差压信号较小的缘故。所以,在双量程差压式万博体育手机版客户端的设计和安装中,要特别注意差压信号的传递失真,想方设法尽量避免这种失真。

    图3. 3所示是采用一体化方法来避免差压信号传递失真的一个实例。图中用冷凝管将代替冷凝器,导压管也很短,在节流装置和差压变送器之间没有引起传递失真的零部件,只要工艺管道的水平度较好,差压信号的传递失真就可忽略。

     

    (2)高低量程的选定对于一套双量程与差压万博体育手机版客户端,高低量程切换点的选定是设计的重要内容,不仅受范围度要求的制约、允许压损的制约、系统不确定度的制约,而且受差压变送器规格的制约。

    具体设计计算时需遵循下面的原则。

    ①在压损允许的前提下,将高量程的差压上限尽量选得大一些。这样,最小流量所对应的差压值可相应大一些,以减小各种干扰因素对小流量测量精确度的影响。

    ②系统不确定度能满足用户的要求。尤其要保证大流量时的系统不确定度。

    ③不必强调节流装置的不确定度,因此流量在很大的范围内变化,流出系数相应的变化和可膨胀性系数相应的变化都较大,但是,这些变化都可以在二次表内得到补偿和校正。最终对系统不确定度的影响仍可忽略。

    遵循这些原则,在上面的例子中,高量程差压上限取100kPa,选用中差压变送器。而低量程差压上限选3kPa,选用低差压变送器,相应的流量切换点为17.326t/h。这样,在切换点处,高量程变送器的差压不确定度为2.5%,对流量测量系统不确定的影响为1.25%。而低量程时,差压测量不确定度为2.5%所对应的差压值为0.09kPa,对应的流量值为3t/h。

    (3)讨论

    ①过范围运行问题。在双量程差压万博体育手机版客户端中,低量程差压变送器很多时候是在过范围的条件下工作的,过范围的差压值尽管不是很可观,但毕竟已使变送器内的膜盒进入过载保护状态。由于现代新型的差压变送器内的传感器特殊设计的过载保护结构,使得它具有优秀的单向过压性能,即使过压16MPa,也能完全恢复而不留痕迹。

    ②开平方运算放在差压变送器内进行较有利。在变送器和二次表中,开平方运算都是由单片机完成的,开平方运算本身都不增加误差,因为都是数字量运算。但是,差压变送器测得的差压值(数字量)经D/A转换成4~20mA,送入流量二次表后再经A/D转换成数字量的过程中,要损失二次精度。例如l%FS的流量值幅值放大了10倍,而较大幅值的模拟信号在转换和传送过程中,损失的精度相对要小些,因此,在用模拟信号传送此信号时,开平方运算放在差压变送器中完成较合理。

    如果采用数字信号传送此信号,则无上述差异。

    ?用数字信号传送差压信号。现在市场上销售的差压变送器,大多数己实现智能化。在差压变送器中,膜盒感知的未经处理的差压信号,由数字运算部分进行温度补偿、静压补偿、非线性补偿等处理之后,可以数字通信的方式输出,也可经D/A转换将此数字信号转换成4~20mA信号,然后输出。

    后级万博体育max首页流量演算器如果以数字通信的方法接受差压信号,则完全不损失精度。而如果以其模拟输入口接受差压信号,则由于D/A和A/D的两次转换,损失相应的精度。这种精度的损失,在相对流量高的区间,影响约为0.3%,但在相对流量低的区间,影响显著增大,相对流量越小,影响越小。所以推荐用数字量传送差压信号。

     

    3 用线性孔板差压万博体育手机版客户端测量蒸汽质量流量

     

    传统的孔板万博体育手机版客户端最大的不足是在被测流量相对于满量程流量较小时,差压信号很小,这一缺点大大影响其范围度和测量精确度。人们针对其不足在传统的孔板式差压万博体育手机版客户端基础上开发了可变面积可变压头孔板万博体育手机版客户端。因为其输出的差压信号与被测流量之间有线性关系,所以也称线性孔板差压万博体育手机版客户端。

    (1)线性孔板万博体育手机版客户端工作原理线性孔板又称弹性加载可变面积可变压头孔板,其环隙面积随流量大小而自动变化,曲面圆锥形塞子在差压弹簧力的作用下来回移动,环隙变化使输出信号(差压)与流量成线性关系,井大大地扩大范围度,其结构如图3.4所示。

    在孔板万博体育手机版客户端中,当流体流过开孔面积为A的孔板时,流量q与孔板前后产生的差压之间有如下关系,即

     

    式中 q——流量;

    Kl——常数;

    A——孔板开孔面积;

    Δρ——差压。

     

    在如图3.4所示的线性孔板中,于孔板处插入一个纺锤形活塞,由差压引起的活塞弹簧组件的压缩量(活塞的移动距离)为x,则式(3.5)成立,即

     

    式中 K2——弹簧系数。

    当活塞向前移动时,流通面积受活塞形状的影响而发生变化,其关系为

     

    式中 K3——常数。

    由式(3.5)和式(3.6)得

     

    将式(3.7)代入式(3.4)得

     

    式中 K——常数

    由式(3.8)可知,流量与差压成线性关系,所以取出差压信号即可得到流量。

    (2)特点

    ①范围度宽。在使用0.1%精确度的差压变送器时典型的线性孔板差压式万博体育手机版客户端可测范围为1%~100%FS,保证精确度的范围为5% ~100%FS(若使用更高精确度的差压变送器,如0.05%精确度,范围度可进一步提高),困此,对于流量变化大的测量对象,一台万博体育手机版客户端就可解决。能适应蒸汽、燃油测量的夏季、冬季负荷变化。

    ②线性差压输出。差压信号与流量成线性关系,被测流量相对于满量程流量较小时,差压信号幅值也较大,有利于提高测量精确度。

    ③直管段要求低。由于孔板的变面积设计,使其成为在高雷诺数条件下工作的测量机构,可在紧靠弯管、三通下游的部位进行测量(为了保证测量精确度,制造厂还是要求上游直管段≥6倍管径,下游直管段≥3倍管径)。

    (3)保证测量精确度的措施典型的线性孔板万博体育手机版客户端GILFLO承诺具有±1%精确度, 为了达到这一指标,采取了几项重要措施,其中包括如下几项。

    ①对线性孔板逐台用水标定。

    从式(3.5)和式(3.6)可知,只要线性孔板中的弹簧线性好,而且活塞被加工成理想形

    状,使得流通面积A与位移X的1/2次方成线性关系,就能使差压与流量之间的线性关系成立,但是,活塞的曲面加工得很理想是困难的,最终不得不用逐台标定的方法来弥补这一不足。

    Spirax-sarco公司对线性孔板进行逐台标定是以水为介质,不同口径的线性孔板均选择14个标定点,其中流量较小时,标定点排得较密,图3.5所示为一台DN200线性孔板的标定曲线。图中的差压单位为inH20,(lin H20= 249.0889Pa),表3.1所列是一台DN200的线性孔板的实际标定数据,其中从体积流量换算到质量流量是建立在水的密度ρ=998.29 kg/m3基础上的。

    而利用标定数据对线性孔板的非线性误差进行校正还需借助于流量二次表。具体做法是将标定数据写入二次表中的折线表,然后二次表根据输入的差压信号(电流值)用查表和线性内插的方法求得水流量值qmw。

     

    得到水流量值还不是最终目的,因为被测流体不一定是水,当被测流体为其他流体时,用式(3.9)进行密度校正。

     

    式中 qm——被测流体质量流量, kg/h;

    qmw——标定流体(水)流量, kg/h;

    ρf——被测流体密度, kg/m3

    ρw——标定流体(水)密度, kg/m3

    ②雷诺数校正。孔板万博体育手机版客户端的流量系数同雷诺数之间有确定的函数关系,当质量流量变化时,雷诺数成正比变化,因而引起流量系数的变化。在GILFLO型万博体育手机版客户端中,采用较简单的经验公式(3.10)进行雷诺数校正。

     

    式中 kre ——雷诺数校正系数;

    n——常数, kg/h。

    但若计算结果大于m值时,则取kre=m。n和m数值同孔板的口径DN有关,已经固化在制造商提供的流量二次表内。

    ③温度对线性孔板的影响及其校正。温度对线性孔板影响使之产生误差主要通过三条途径。

    a.流体温度变化引起流体密度变化,从而导致差压与流量之间的关系变化。

    b.流体温度变化引起管道内径、孔板开孔直径以及活塞几何尺寸的变化,温度升高, 环隙面积增大,导致万博体育手机版客户端示值有偏低趋势。

    c.流体温度变化,线性孔板中的承载弹簧温度相应变化,引起式(3.5)中的弹簧常数 K2发生变化。温度升高,K2减小,活塞位移X增大,用通俗的话来说就是温度升高,弹簧变软,在相同的差压条件下,活塞位移增大。因此,环隙面积相应增大,万博体育手机版客户端示值也有偏低趋势。

    上述三条途径对流量示值的影响都可以进行校正,其中途径a可由式(3.13)中的流体密度进行补偿。在线性孔板用来测量蒸汽流量时,流体温度作为自变量,参与查蒸汽密度表,从而可由二次表自动进行此项补偿。途径b和C流量示值的影响关系较复杂,在GIL-FLO型万博体育手机版客户端中。采用式(3.11)所示的经验公式进行校正。

     

    式中 kt——温度校正系数;

    B——系数, ℃-1(取B=0.000189℃-1) ;

    t——流体温度,℃;

    tc——标定时流体温度,℃ (tc常为20℃)。

    此项校正也是在流量二次表中完成的,其中t为来自温度传感器(变送器)的流体温度信号。

    ④可膨胀性校正。节流式差压万博体育手机版客户端用来测量蒸汽、气体流量时,必须进行流体的可膨胀性(expansibility)校正,线性孔板也不例外。传统孔板的可膨胀性系数修正请参阅本书第8章8.2节。在GILFLO型万博体育手机版客户端中用式(3.12)进行校正。

     

    式中是ε——可膨胀性系数;

    β——直径比(孔板开孔直径与管道内径之比);

    Δp——差压, Pa;

    κ——等熵指数;

    ρ1——节流件正端取压口绝压, Pa。

    可膨胀性校正也在流量二次表中完成,由二次表进行在线计算。

    ⑤蒸汽质量流量的计算。用GILFLO型万博体育手机版客户端测量蒸汽流量时,蒸汽质量流量在二次表中由式(3.13)计算得到。

     

    式中 qms——蒸汽质量流量, kg/h;

    Kre——雷诺数校正系数;

    Kε——可膨胀性系数;

    Kt——温度校正系数;

    ρf——被测流体工作状态密度, kg/m3

    ρw——标定流体(水)的密度, kg/m3

    qmw——水的质量流量, kg/h。

    在流量二次表中,先由差压输入信号查折线表得到qmw,再由蒸汽温度、压力值查蒸汽密度表得ρf,然后与校正系数kre、kε、kt一起(ρw为设置数据)计算得到蒸汽质量流量qms。

    GILFLO型万博体育手机版客户端的安装如图3.6所示。

     

     

    4 用万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端测量蒸汽质量流量

     

    万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端是体积万博体育手机版客户端,即流体雷诺数在一定范围内,其输出只与体积流量成正比。万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的输出有频率信号和模拟信号两种,模拟输出是在频率输出的基础上经f/I转换得到的。这一转换大约要损失0.1%精确度。所以用来测量蒸汽流量时,用户更爱选用频率输出。

    频率输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端更受热力公司等用户欢迎的另外几个原因如下。

    a.频率输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端价格略低(非智能型)。

    b.频率输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端满量程修改更方便,只需对可编程流量演算器面板上的按键按规定的方法进行简单的操作就可实现。

    c.由频率输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端输出的频率信号计算蒸汽质量流量,只需知道流体当前工况, 而模拟输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的温压补偿只是对当前工况偏离设计工况而引起的误差进行补偿,因此,不仅需知道当前工况,还需知道设计工况。后一种工况数据常常因为时间推移或人事变迁导致资料遗失而引起差错,相比之下,频率输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端却不会有此问题。详见本书第8章8.6节分析。

    频率输出万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端测量质量流量的表达式为

     

     

    式中 qm——质量流量, kg/h;

    f——万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端输出频率, P/s;

    Kt——工作状态下的流量系数, P/L;

    ρf——流体密度, kg/m3

    当被测流体为过热蒸汽时,可从

     

    查表求得工作状态下的流体密度。测量系统见图3.7。

    当被测流体为饱和蒸汽时,可从

     

     

    查表求得工作状态下的流体密度,其原理同前节所述。其测量系统见图3.8。

     

    在式(3.14)中,ρf应是万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端出口的流体密度,因此,ρf的测压点应取在万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端出口的规定管段上。

    有些研究成果表明,临界饱和状态蒸汽经减压后会发生相变,即从饱和状态变为过热状态,这时,将其仍作为饱和蒸汽从式(3.16)或式(3.17)的关系求取ρf,必将引入较大误差。如果出现这种情况,应进行温度压力补偿。

     

    5 蒸汽密度求取方法比较

     

    从上面的分析可知,工程上普遍使用的推导式蒸汽质量流量测量系统,关键是求取蒸汽密度。归纳起来主要是采用数学模拟法和查表法两类方法。

    (1)用数学模型求取蒸汽密度在工程设计和计算中,工程师们经常需要求取蒸汽密度数据,采用的传统方法是由蒸汽的状态数据查蒸汽密度表。但是未采用微处理器前,这种人工查表的方法还无法移植进万博体育max首页,而仍采用数学模型的方法。人们建立了多种的数学模型以满足不同的需要,下面列举使用最广泛的几种。

    ①一次函数法。这种方法的显著特点是简单,适用于饱和蒸汽,其表达式为

     

    式中 ρ——蒸汽密度, kg/m3

    P——流体绝对压力, MPa;

    A、B——系数和常数。

    式(3.18)不足之处是仅在较小的压力范围内变化适用,压力变化范围较大时,由于误差太大,就不适用了。因为对于饱和蒸汽来说,ρ=f(ρ)是一条曲线,用一条直线拟合它,范围越大,当然误差越大。

    解决这个矛盾的方法是分段拟合,即在不同的压力段采用不同的系数和常数。表3.2所示为不同压力段对应的不同密度计算式。

     

    ②用指数函数拟合密度曲线。使用较多的是

     (3.19)

    式(3.19)描述的是一条曲线,用它来拟合饱和蒸汽的ρ=f(P)曲线能得到更高的精确度,但是在压力变化范围较大的情况下,仍有千分之几的误差。

    ③状态方程法。状态方程法用于计算过热蒸汽密度,其中著名的有乌卡诺维奇状态方程:

     

    式中 ρ——压力, Pa;

    v——比体积, m3/kg;

    R——气体常数, R=461J/(kg· K);

    T——温度, K;

     

             

    (2)计算机查表法 上面所说的通过数学模型求取蒸汽密度的误差都是同人工查密度表方法相比较而言。现在智能化万博体育max首页将蒸汽密度表装入其内存中,在CPU的控制下,模仿人工查表的方法,采用计算机查表与线性内插相结合的技术,能得到与人工查表相同的精确度。

    现在国际上通用的蒸汽密度表是根据"工业用1967年IFC公式"计算出来的。1963年于纽约举行的第八届国际水蒸气性质会议上,成立了国际公式委员会(IFC)。若干年后,该委员会提出了国际公认的"工业用1967年IFC公式"及"通用和科研用1968年IFC公式"。 21年后在1984年于莫斯科举行的第十届国际蒸汽性质会议上,又废除了"通用和科研用1968年IFC公式"。因此,"工业用1967年IFC公式"仍是当前广泛使用的权威公式。

    由于这个公式十分复杂,一般使用者很难直接使用它,研究者根据这个公式编制了蒸汽性质表格,供人们查阅。本书的附录C摘录了其中部分数据。

    (3)关于IAPWS-IF97公式 IAPWS-IF97公式有很多对实际工程设计和研究很有意义的优点。

    它的适用范围更为广泛,在IFC67公式适用范围基础上,增加了在研究和生产中渐渐用到的低压高温区。IAPWS-IF97公式适用范围: 273.15K≤T≤2273.15K,ρ≤100MPa,而且在原有的水和水蒸气参数V, S,h,Cp, Cv基础上又增加了一个重要参数:声速W。

    在水和水蒸气的性质计算中有个很重要的状态判断,即临界状态的判断。在IAPWS-IF97公式中,对于临界点性质有具体的规定:

     

    但在工业蒸汽流量测量常用范围内(温度0~600℃,压力O.1~5MPa)。两个公式计算结果偏差却极小,如表3-3所示。

     

    由于这个原因,在蒸汽流量测量方面,人们仍然普遍使用大家比较熟悉的已使用多年的根据IFC67公式编制的蒸汽密度表(比容表)。

    下面以典型智能流量演算器为例说明自动查表的实施方法。

    在智能流量演算器的EPROM中写入3个蒸汽密度表,1号表是过热蒸汽密度表,另外两个是饱和蒸汽密度表(见附录C,采用的都是国际蒸汽密度表1967 IFC公式计算出来的。其中,过热蒸汽密度表有蒸汽温度和蒸汽压力两个自变量。2号表是蒸汽压力为自变量。3号表是蒸汽温度为自变量。这样,测得蒸汽温度或测得蒸汽压力都能通过查表求得蒸汽密度。究竟是选查ρ= f(P)表格还是ρ= f(t)表格,则在填写组态菜单时由用户自己选定。

    ①查表的优先权问题。过热蒸汽的密度随蒸汽温度、压力变化的关系是三维空间中的一个曲面,有两个自变量,因此在查密度表时就存在一个优先权的问题。若先从压力查起,就称压力优先;若先从温度查起,就称温度优先。

    而对于饱和蒸汽,若选压力补偿,则为压力优先;若选温度补偿,则为温度优先。

    上述三种情况优先关系由用户在填写菜单时指定,如表3.4所列。

     

    ②蒸汽状态判别问题。典型流量演算器具有蒸汽状态判别功能。根据判别结果,查不同的密度表。以过热蒸汽为例,在图3.9所示的查表示意图中,从压力测定值ρ0出发去查温度,如果温度测定值大于饱和温度t1,则判别蒸汽为"过热蒸汽",查1号密度表,例如,t=t2,则ρ=ρf2。如果温度测定值小于t1,则判别蒸汽状态为"过饱和蒸汽",查2号密度 表,ρ=Pfl,此时,温度信号与压力信号不平衡,所以,万博体育max首页自诊断显示"000800"代码,表示蒸汽状态已进入饱和区。

         

    ③饱和蒸汽密度求取方法。如果优先指定栏内填入2(压力优先),则手动设定温度置100℃,从压力测定值出发查出饱和温度。因为此时温度信号取手动设定值,所以判别蒸汽状态为"过饱和蒸汽"(如图3.10所示),查2号表。

    如果优先指定栏内填入1(温度优先),则于动设定压力一般置22MPa(密度表中压力上限),从温度测定值出发查饱和压力。因为此时压力信号取于动设定值,所以判别蒸汽状态为"过饱和蒸汽"(如图3.11所示),查3号表。

    上面所谈的蒸汽密度求取方法,用户不一定都要搞清楚,其原因在于用户只须根据自己所用的流体参数选择合适的补偿方法,并在菜单中填入有关数据即可。但是对于饱和蒸汽究竟是采用压力补偿还是温度补偿倒是很重要的。

    ④直接查表法。有的万博体育max首页制造商采用的是直接查表法,即万博体育max首页内存放的三张蒸汽密度表由编码开关指定其选用:采用压力补偿的饱和蒸汽,经编码开关选择直接查以压力为自变量的饱和蒸汽密度表;采用温度补偿的饱和蒸汽,经编码开关选择直接查以温度为自变量的饱和蒸汽密度表;对于过热蒸汽,经编码开关选择直接查以温度和压力为自变量的过热蒸汽密度表。编码开关设置完毕,长期使用。

     

    6 温度压力测口位置的合理选择

     

    实施流体温度、压力补偿时,应合理选择温度、压力测口的位置,因为蒸汽以一定流速流过流量测量万博体育max首页时,测压口选在不同的位置得到的测量值是不同的。测温口也有类似的情况。

    从万博体育手机版客户端使用现场的实际情况来看,用于温压补偿的测温口、测压口位置虽然多种多样,但大多数是测压口在前,测温口居后。即测压口开在万博体育手机版客户端上游的管道上,测温口开在万博体育手机版客户端下游的管道上。

    (1)孔板万博体育手机版客户端的测温测压口位置

    ①质量流量与各自变量的关系,除了前面所述的式(3.1)之外,也可用式(3.21)表达。

     

     

    式中 ε2——节流件负端取压口平面上的流体可膨胀性系数;

    ρ2——节流件负端取压口平面上的流体密度, kg/m3

    P2——节流件负端取压口平面上的流体压力, Pa。

    假定流体为可压缩性流体,而且在Pl、P2差别不大的情况下,流体符合理想气体定律,这时将式(3.22)代入式(3.21),就可得到式(3.1),因此,式(3.21)和式(3.1)是等价的。

    关于流体密度, GB/T 2624-2006在5.4.2条中规定,它可以直接测得,亦可根据差压取压口处的绝对静压、绝对(热力学)温度和流体成分构成相应的状态方程计算出来。5.4.3条中进一步规定,允许一个取压口同时连接差压测量装置和静压测量装置,但要保证这种双重连接不会导致差压测量出现任何差错。

    该标准中的关键数据如流出系数C和可膨胀性系数ε,都是根据大量实验数据经处理得到的,因此在采用这些实验结果进行节流装置的设计和由此设计的节流装置测量流量时,实际上是实验方法的"逆过程"。

    至于将取压口开在节流装置前一定距离的管段上测得的压力比标准规定的方法测得的压力差多少,照理可以按伯努利方程、连续性方程和热力学过程方程[4]计算出来,但具体计算时还有一些困难,而如果在现场实测,却是不困难的。

    ②测温问题 流体温度最好在一次装置下游测量。温度计套管所占空间应尽可能小。如果套管位于下游,其与一次装置之间的距离应至少为5D。

    一般可以假设差压装置上游和下游处的流体温度是相同的。然而,如果流体是非理想气体,而又需要最高的精确度,且上游取压口和一次装置下游测温处又存在较大压力损失,则假设两点之间是等焓膨胀,必须根据下游温度(距一次装置5D~15D处测量)计算上游温度。计算时,应根据一次装置相应地按照GB/T 2624计算压力损失Δω,然后采用焦耳-汤姆逊系数μJT计算上游取压口到下游测温处的相应的温度下降ΔT:

     

    焦耳汤姆逊系数(Joule Thomson Coefficent)又称等焓温度-压力系数( isenthalpictemperature-pressure coefficent),等焓下相对于压力的温度变化速率:

     

     

    式中 T——热力学瘟度;

    P——流经管线的流体静压;

    H——焓;

    R——通用气体常数;

    Cm·p ——定压摩尔热容;

    Z——压缩系数。

    (2)万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端测植测压口位置 万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端是利用流体流过旋涡发生体时产生的稳定旋涡,通过测量其旋涡产生频率,得到体积流量。

    实验指出,流过旋涡发生体的流体不论是液体、气体还是蒸气,只要雷诺数ReD在2×104~7×106范围内,就能得到稳定的流量系数。

    实验同时指出,旋涡产生的频率反映了旋涡发生体处的流体平均流速,此流速与流通截面积的乘积即为体积流量。要将蒸汽的这种体积流量换算成质量流量,必不可少的是测量出旋涡发生体处的流体静压力。此处静压力由于流体流速较高,比万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端上游管道内的流体压力低一些。若在此处准确地测量静压力,由于多种原因有一定困难,但在万博体育手机版客户端下游一定距离的管道上,测量到能与发生体后面传感器处的静压相等或接近的静压,则是一个可行的方法。横河公司要求,这个合适的距离为3.5~ 7.5倍管道内径。E+H公司要求,这个合适的距离为从流量传感器下游法兰算起3.5倍管道内径。

    若用上游压力代替下游压力会引入误差,其估算方法如下例所述。

    例如有一台DY型旋涡万博体育手机版客户端,用来测量过热蒸汽流量,从流量二次表可读出

    上游流体压力 P1 =0.9MPa(表面值)

    流体温度 tf=250℃

    瞬时流量显示值 qm=3.0t/h

    从温度、压力数据查表得到流体密度为p1=4.3060kg/m3(当地大气压以O.101325MPa计),进一步计算得到此时体积流量为696. 7m3/h,从横河公司说明书中数据可计算得到管道中流体流速约为48.8m/s,按说明书中提供万博体育max首页的压力损失公式计算可得

     

    令万博体育手机版客户端上游管道内的压力与万博体育max首页下游3.5D~7.5D处的压力相差即为万博体育max首页的压力损失,则下游压力为P1- ΔP,据此查得下游流体密度ρ2 =4.2554kg/m3,根据质量流量与流体密度的关系,可计算由于压力测点位置选择不当引入的误差为

     

    从上面的分析可清楚地看出,流速越高,由此引入的误差越大。

    7 饱和蒸汽应采用何种补偿

    (1)查表法求取密度的一致性 饱和蒸汽采用温度补偿和压力补偿,在本质上是一样的。其原因在于饱和状态的蒸汽,其压力和温度之间呈单值函数关系,从蒸汽温度查出的密度同与此温度对应的压力查出的密度是一致的。因此,采用温度补偿和压力补偿在原理上都是可行的。

    (2)投资的差异 从节约投资和减少安装工作量的角度考虑,因为一支铂热电阻的价格只及压力变送器的几十分之一到几分之一,所以采用温度补偿较经济。

    (3)补偿精确度的差异 采用温度补偿和压力补偿分别能得到多少补偿精确度,不仅同温度传感器和压力变送器的准确度有关,而且同万博体育手机版客户端类型、具体测量对象的工况和压力变送器的量程选择有关。总体来说测温对补偿精确度影响较大,具体分析如下。

    ①测温误差对流量测量结果的影响。温度测量误差同流量测量结果的关系,对于过热蒸汽来说影响并不大,例如温度为250℃的过热蒸汽,若测温误差为1℃,在作温度补偿时引起流量测量结果不确定度约为0.096%R(差压式万博体育手机版客户端)到O.19%R(万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端)。影响较大的是温度信号用于饱和蒸汽流量测量中的补偿,例如压力为0.7MPa的饱和蒸汽,其平衡温度为170.5℃,对应密度为4.132kg/m3,如果测温误差为-1℃,并据此查饱和蒸汽密度表,则查得密度为4.038kg/m3,引起流量测量误差约为-1.14%R(差压式万博体育手机版客户端)到-2.27%R(万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端)。

    ②温度传感器精确度等级的考虑。测温误差同温度传感器的精确度等级和被测温度数值有关,例如压力为0.7MPa的饱和蒸汽,用A级专自热电阻测温,其误差限为±O.49℃,如果用此测量结果查蒸汽密度表,以进行补偿,则流量补偿不确定度约为±0.56%R(差压式万博体育手机版客户端)到±1.ll%R(万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端)。而若用B级铅热电阻测温,其误差限就增为±1.15℃,则流量补偿不确定度就增为±1.31%R(差压式万博体育手机版客户端)到±2.61%R(万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端)。显然,B级铂热电阻用于此类用途可能引起的误差是可观的,所以一般不宜采用。这里仅就不同精确度等级的测温元件作相对比较。当然,这里所说的误差还仅为测温元件这一环节,至于流量测量系统的不确定度,还须计入流量二次表、流量传感器、流量变送器等的影响。

    ③压力变送器精确度等级、测压误差及其影响。压力测量误差同压力变送器的精确度等级和量程有关,例如,选用O.2级精确度、O~lMPa测量范围的压力变送器测量0.7MPa饱和蒸汽压力,其误差限为±2kPa。如果用此结果查蒸汽密度表,以进行补偿,则此误差限引起的流量补偿不确定度约为±0.13%R(差压式万博体育手机版客户端)到±0.25%R(万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端)。显然,压力补偿能得到的补偿精确度比温度补偿高。

    (4)具体实施时的困难上面所述的两种补偿方法都是可行的这一观点,仅仅是从原理上所作的讨论,在具体实施时还会出现其他问题。

    ①安装困难。如前面3.1. 6节中所述,用来测量饱和蒸汽质量流量的差压式万博体育手机版客户端,若选择温度补偿,常因测温套管距节流件太近而对流动状态造成干扰或根本就无法安装到理想部位而修改方案。

    ②由于相变而进入过热状态。对于干饱和蒸汽,以较高的流速流过万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端时,由于压损引起的绝热膨胀往往使蒸汽进入过热状态,这时仍旧将它看作饱和蒸汽,并根据蒸汽温度去查饱和蒸汽密度表,得到的数值明显偏高。

    由于上述种种原因,使得在测量饱和蒸汽质量流量时,仅仅测量温度,并据此查密度表,进而计算质量流量,在实践中应用的并不多。

     

    8 液柱高度的影响及其消除

     

    在蒸汽计量系统中,由于流体容易被压缩,为了保证计量精确度,一般引入流体压力补偿(饱和蒸汽)或流体温度压力补偿(过热蒸汽)。那么,流体压力就成为蒸汽计量的重要变量。在蒸汽压力的测量中,由于引压管内冷凝水的重力作用会使压力变送器测量到的压力同蒸汽压力之间出现一定的差值。

    (1)引压管中液柱高度对压力测量的影响在压力变送器安装现场,为了维修的方便,压力变送器安装地点与取压点往往不在同一高度,这样,引压管中的冷凝液就会对压力测量带来影响。图3.12所示为4种常见的情况。其中, Ps为蒸汽压力;P0变送器压力输入口处实际压力; h为高度差, m; g为重力加速度, m/s2;ρw为冷凝液密度, kg/m3

    在图3.12(b)中因变送器在取压点下方,如果引压管中充满冷凝液,则变送器示值偏

     

    高gpwh,在h=6m, g以9.80665m/S2计,pw以998.2kg/m3(假定液温为20℃)计,对变送器的影响值为58.7kPa。图3.12(c)因变送器在取压点上方,如果引压管充分排气,引压管中充满冷凝液,则对变送器的影响值为-gpwh。而图3.12(d)因引压管中冷凝液高度难以确定,所以变送器输出低多少也就难以确定,故不宜采用。

    (2)测压误差对流量示值的影响 测压误差如果不予校正,对流量测量系统精确度一般都有影响。而影响程度不仅同流体的常用工况有关,而且同万博体育手机版客户端的类型有关。

    以上面所举的例子为例,在流体常用压力等于0.7MPa(表面值),常用温度等于250℃的工况条件下(即为过热蒸汽),压力测量偏高58.7kPa,对于差压式万博体育手机版客户端将引入3.69% R的误差,对于万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端将引入7.52% R的误差。

    在流体的常用压力等于0.7MPa的饱和蒸汽条件下,压力测量偏高58.7kPa,对于差压式万博体育手机版客户端将引入3.42% R的误差,对于万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端将引入6.95 % R的误差。

    因此,引压管中液柱高度对压力测量影响必须予以校正。

    (3)液柱高度影响的校正压力变送器引压管中冷凝液液柱高度对压力测量的影响通常可用两种方法校正,即在变送器中校正和在二次表中校正。

    ①在压力变送器中校正。这种校正方法的实质是对变送器的零点作迁移。在上面的例子中,如果变送器的测量泡围为O~1.OMPa,零点作-58.7kPa迁移后其测量范围就变为-58.7~941.3kPa。在现场操作中,就是用于持终端将测量范围设置为58.7~941.3kPa。对于非智能型变送器,就是变送器压力输入口通大气的条件下,将输出迁移到3.0608mA。

    这种方法万博体育max首页人员往往不喜欢使用,因为要对变送器零点作迁移,需要对设计文件和设备卡片作相应的修改,于续繁琐。而且如果迁移量较大,对于非智能型变送器根本就无法实现,相比之下,在二次表中作校正就成为受欢迎的方法。

    ②在二次表中校正。这里说的二次表是广义的,不仅包括普通的二次表,也包括DCS、智能调节器等,其校正方法是相同的。以FC 6000型智能流量演算器为例,对上面的情况作校正就是将菜单的第23条(测量起始点)写入58.7kPa(或 O.0587MPa),而将第24条(测量满度)写入941.3kPa(或0.9413MPa)即可,因此省力、省时又准确。

     

    9 万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端与节流式差压万博体育手机版客户端性能比较

     

    (1)万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的优点与节流式差压万博体育手机版客户端相比,万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端有如下优点。

    ①结构简单、牢固、安装维护方便。无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和冻结等。

    ②精确度较高,一般为±(1~1.5)%R。

    ③测量范围宽,合理确定口径,范围度可达20:1。

    ④压损小,约为节流式差压万博体育手机版客户端的1/4~1/2。

    ⑤输出与流量成正比的脉冲信号,无零点漂移。

    ⑥在一定雷诺数范围内,输出频率不受流体物性(密度、黏度)和组成的影响,即万博体育max首页系数仅与旋涡发生体及管道的形状、尺寸有关。

    (2)万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的局限性

    ①对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所o

    ②口径越大,分辨率越低,一般满管式万博体育手机版客户端用于DN400以下。

    ③流体温度太高时,传感器还有困难,一般流体温度运420℃。

    ④当流体有压力脉动或流量脉动时,示值大幅度偏高,影响较大,因此不适用于脉动流。

    (3)节流式差压万博体育手机版客户端优点

    ①节流式差压万博体育手机版客户端中的标准孔板结构易于复制,简单牢固,性能稳定可靠,价格低廉。无需实流校准就可使用,这在万博体育手机版客户端中是少有的。

    ②适用范围广泛。既适用于全部单相流体,也可测量部分混相流,如气固、气液、固液等。

    ③高温高压大口径和小流量均适用。

    ④对振动不敏感,抗干扰能力特别优越。

    (4)节流式差压万博体育手机版客户端局限性

    ①测量精确度在万博体育手机版客户端中属中等水平。由于众多因素的影响错综复杂,精确度难以提高。

    ②范围度窄,由于万博体育max首页信号(差压)与流量为平方关系,一般范围度仅3:1~4:1。

    ③现场安装条件要求较高,如需较长的直管段(指孔板、喷嘴),一般难以满足。

    ④节流装置与差压显示万博体育max首页之间引压管线为薄弱环节,易产生泄漏、堵塞及冻结、信号失真等故障。

    新发展起来的一体型节流式差压万博体育手机版客户端,虽然仍有引压管线,但长度不足1m,因而减小了这方面的缺陷。

    ⑤压损大(指孔板、喷嘴)。

     

    10 蒸汽相变对流量测量的影响

     

    水蒸气顾名思义是气相,但在一定条件下会变成液相;饱和水蒸气中的水滴本是液相,但在一定条件会被蒸发变成气相。这是蒸汽质量流量测量中常常碰到的汽水相变。

    在推导式质量万博体育手机版客户端中,关键环节是蒸汽密度的求取,蒸汽相变发生后,就使得通常由蒸汽温度压力求取其密度的关系发生变化,因此必须认真对待。

    (1)气相变液相过热蒸汽在经过长距离输送后,往往会因为热量损失、温度降低,使其从过热状态进入饱和状态,甚至部分蒸汽冷凝出现相变而变成水滴。这些水滴对流量测量结果究竟有多大影响,下面举例说明。

     

    有一常用压力为1.OMPa的过热蒸汽,其流量为qm,假设经长距离输送后有10%qm冷凝成水滴,令其为qml,而保持气态的部分为qms,从定义知,此时湿蒸汽的干度为

     

    由于采用温压补偿,所以按照临界饱和状态查表,得到此时的蒸汽(干部分)密度为Ps=5.6808kg/m3,查水密度表知此时水滴的密度为ρL=882.47kg/m3,显然水滴与蒸汽干部分的体积流量为

     

     

    式中 qvl——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qv之比Rv

     

    因为

     

    所以

     

    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。

    ①选用万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端时湿度对测量结果的影响。万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的输出仅与流过测量管的流体流速成正比,在测量湿饱和蒸汽时,水滴对万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端输出的影响可忽略,故可认为万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的输出完全是由湿蒸汽的干部分所引起。而干部分的密度,无论是压力补偿或温度补偿,都可较精确地查出。

    蒸汽计量的结果往往作为供需双方经济结算的依据,如果双方约定按蒸汽干部分结算费用,冷凝水不收费,则在本例中相变对测量的影响微不足道,可以忽略。如果冷凝水也按照蒸汽一样收费,则万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端的计量结果偏低值为1-X。

    ②选用孔板万博体育手机版客户端时温度对测量结果的影响。从GB/T 2624-2006标准知,孔板万博体育手机版客户端测量蒸汽质量流量时有式(3.1)。

    当过热蒸汽热量损失而脱离过热状态后,只可能出现两种情况。一种是进入临界饱和状态,另一种是进入过饱和状态。如果进入临界饱和状态,从理论上讲,万博体育手机版客户端不会因此而增大误差,因为在式(3.1)中,根据蒸汽压力查出的ρl与实际密度是相符的。如果进入过饱和状态,情况就复杂了。

    -般认为,蒸汽干度较高(X≥95%)时流体表现为均相流动。温压补偿可按通常方法进行;但出现一定误差。在式(3.1)中,ρ1是实际流体湿饱和蒸汽的密度,其值比临界饱和状态的大,而且干度越低密度越大。而人们根据压力查出的是临界饱和状态的密度,比实际密度小,所以质量万博体育手机版客户端算结果出现负误差。在温度不进行测量的情况下,x是未知数,因此,测量结果偏低多少是个未知数。

    在蒸汽干度较低(X≤95%)时,管道中的流体出现分层流动,产生误差更大。

    (2)湿饱和蒸汽变成过热蒸汽湿饱和蒸汽变成过热蒸汽,一般发生在湿饱和蒸汽突然较大幅度减压,流体出现绝热膨胀时。

    ①相变过程。湿饱和蒸汽中的蒸汽和水滴,处于气液相平衡状态,在压力突然降低而低于平衡压力时,水滴部分蒸发,同时从液相和气相中吸收汽化热,使气液相温度降低。如果温度降低得不多或蒸发前湿度较高,都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。这时蒸汽仍为湿饱和蒸汽。如果压力降低得很多或蒸发前湿度较低,则因水滴蒸发而使温度降低后仍高于新的压力所对应的饱和温度,则蒸汽变为过热状态。

    ②蒸发对流量测量的影响

    a.上述蒸发发生后得到的两种结果,前一种对补偿无影响,仅仅是蒸汽中的干部分增加,干度相应增大。

    b.如果蒸发发生后,蒸汽变为过热状态,而万博体育手机版客户端又恰巧安装在减压之后的管道上。这时对万博体育手机版客户端的影响分以下三种情况。

    设计时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,则上述相变对测量结果无影响。

    设计时按饱和蒸汽考虑,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温度之差所对应的密度差造成的补偿误差。

    设计时按饱和蒸汽考虑,但采用温度补偿,则将过热蒸汽温度当作饱和温度去查密度表。一般会引起较大的误差。

    ③举例。有一化工厂,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.OMPa,多数用户在蒸汽总管进装置时先经减压阀减压。现从图3.13所示的一个实例着手进行分析。

     

    用作进入装置蒸汽汁量的万博娱乐网址注册万博体育手机版客户端安装在减压(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汽温仍高于饱和温度,呈过热状态,现场采集到的数据如图所示。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ρ2两个测量值查过热蒸汽密度表,得密度p'2=2.6897kg/m3,所以质量万博体育手机版客户端算结果出现28.37%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P''2=2.7761kg/m3,则补偿误差为

     

    ④解决办法

    a.将总蒸汽万博体育手机版客户端安装在减压阀之前。由于上述蒸汽未经减压时,确属饱和蒸汽,所以,将万博体育手机版客户端安装在减压阀之前,按饱和蒸汽补偿方法处理,可保证测量精确度。

    b.如果万博体育手机版客户端只能安装在减压阀后面,则可增装一台压力变送器,进行温压补偿。

     

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