蒸汽流量计选型遇到的两大难点
摘要:介绍了蒸汽计量的现状和存在的两大难题:一个是蒸汽流量计属于强制检定计量器具,但是,目前国家尚无有对其实施强检的标准装置,无法溯源;另一个是国家没有统一的“水蒸汽密度表”标准!致使蒸汽计量器具无法溯源。这两大难题严重地制约着中国蒸汽计量水平,各企业产品成本计算中对“蒸汽量”仍是按“摊派量”计算的为多。为此,呼吁国家有关部门,为适应中国强化能源计量管理的形势,尽快组织有关单位和专家,积极投资,投入人力和物力,早日攻克“蒸汽计量”中的两大难题。

蒸汽是各生产企业重要的二次能源,有的直接参与生产过程化学反应,但多数是用其热能。企业在谈论节能降耗,一般首先会想到“蒸汽”。从眼前本单位利益出发,降低生产成本需要降低蒸汽损耗;从大处想,中国能源短缺,更需要降低各种能耗。谈论节能降耗,应首先想到是能源的“计量”,只有有了准确计量,才有资格说节约了多少能源。在蒸汽计量方面,现状如何?存在什么问题?

1 蒸汽计量的现状

由于蒸汽计量系统,压力和温度都是较高的,饱和蒸汽又易变为汽、液两相流,相比之下测量难度较大。从处理北京燕山石化集团公司这个特大型企业,蒸汽计量纠纷情况看,从1993年4月至1995年4月两年时间内收到“申请仲裁书”12件,其中蒸汽计量纠纷有5件,占整个公司计量纠纷的41.7%,占的比重很大。如果统计到1998年4月,5年内共收到25件计量纠纷,蒸汽计量纠纷仍为上述5件(这3年出现的蒸汽差量均在下边协商解决了),所占比例为20%,此数据也不小。产生计量纠纷的原因是什么呢?通过数十次对现场调查分析,最主要的是计量器具方面的原因。

根据该公司蒸汽计量采用孔板差压式流量计为多,特别是20世纪70年代建的老装置中,可以说绝大多数为此类仪表。该类计量器具的优势是,标准节流装置有国标支持不用检定(所以?用得多),但是它存有一定的弱点:它的量程比小,一般为3∶1;若运行在30%流量刻度以下时,其精度下降较大;运行工况条件离开原设计条件时,测量误差会增大;再如孔板检测系统中部件多,引压管系统易堵、易漏、易冻、易汽化等特点,造成仪表一次安装工程量大,费用高;维修工作量亦大;孔板为节流型,压力损失大,长期运行耗能大,费用高;长期运行中孔板几何尺寸变化,锐角变钝(锐角要求r=0.000 4d,而有关专家试验后公布,运行的头二三年中每年磨损半径r增加0.04 mm,而五六年之后才趋向稳定。由于锐角变钝,孔板流量系数会变);甚至有的孔板在开停车过程中,由于蒸汽管道中易存冷凝水,开停蒸汽管道过程中产生水垂,致使孔板变形,甚至变成喇叭口。所有这些都说明,孔板差压式蒸汽流量计很难保证其原设计测量精度。虽然目前已出现孔板、变送器一体化产品,二次仪表也已微机化、智能化,使孔板量程比可提高到10∶1。但是孔板本身锐角会变钝造成流出系数变化,使测量误差增大尚不能克服改善。尽管已有钝化的孔板产品出现,但其相应的钝化标准及其检测器具配套尚待完善,再者它属于非标准孔板,与其他非标准型检测件———如耐高温的涡街流量计、弯管流量计、阿丑巴(均速管之类)流量计等一样,均应经过逐台检定,才可用于蒸汽计量。标准孔板运行、磨损几年后,应检定测出新的流出系数,才可保证其测量准确度。但是目前还没有这方面的要求和标准。

随着仪表制造技术的提高,耐高温的涡街流量计、弯管流量计、阿丑巴(均速管之类)流量计等在蒸汽系统测量中应用越来越多,但是它们也各有各的弱点,像涡街流量计它耐高温只能达到200℃,对320℃以上的蒸汽系统使用涡街流量计尚缺乏经验,何况它测量要求的雷诺数比孔板差压式流量计高出一倍,其更大的弱点是抗振性能差。阿丑巴、弯管等之类的流量计所产生的差压信号值较低,给差压信号检测带来一定难度。总之适用蒸汽计量的检测仪表的性能还有待提高和改进,适用蒸汽计量的计量器具的选择余地还有待拓宽。衡量蒸汽计量器的优劣或精度等级还存在两大难题。

1.1 蒸汽流量计量器具无处送检

“蒸汽流量计的检定”手段不完备,是制约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”在烟台、广州、兰州等地都出现过,由于这种装置浪费能源、难以操作、检定精度低、费用高,没有发展前途,没有坚持下来。正因蒸汽流量计无处检定,应走周检的涡街、弯管、阿丑巴、分流旋翼式等用于蒸汽流量测量的流量计,也难以实现。这里提到蒸汽计量检定装置有它的不足之处,已陆续退出历史舞台。代之兴起的是用压缩空气代替蒸汽进行蒸汽流量计的检定。但是,这方面还有待研究完善。从目前看,包括国外,这方面的资料、数据还太少,更无什么标准可依。无论是从理论上还是实践数据上,还应作大量的实践工作,以达到实用化、标准化。

就用压缩空气代替蒸汽进行蒸汽流量计检定的问题,查一段该公司在这方面做的工作:笔者1982年参加化工部系统流量测量技术交流会,会上交流一篇“浅谈蒸汽流量计的标定”[4](后改为“介绍一种蒸汽流量计的标定方法”刊登在“炼油化工自动化”杂志上)[3]。1989年该公司计控处自己设计一套蒸汽流量计量检定装置,是利用中压过热蒸汽(名义上压力为1.5 mpa,温度为250℃),经过检定装置后,降为0.3~0.5 mpa的低压蒸汽作为罐区装置伴热和采暖用。同时引进工艺杂用风(即压缩空气)。标准是音速喷嘴。拟对dn150 mm口径以下的各种蒸汽流量计实施实流标定,方法是对同一台蒸汽流量计,分别用蒸汽和压缩空气介质进行检定,找出空气代蒸汽的规律,最终成为气(汽)体流量计量检定装置。设计完后,首先请国家计量院等单位的专家审核,定案后于1990年开工兴建,建成后试压、吹扫,送汽试运行完成后,即将试验、测试数据,以便请计量院专家做技术性能测试检定和请市局授权。然而,因300 kt/a乙烯改造为450 kt/a用地,立即拆除。由于各种原因至今未能建成投用。1994年笔者完成一篇“浅议以压缩空气代替蒸汽对蒸汽流量计进行标定”的文章,1995年在大庆全国流量专业技术交流会上交流,并被推荐到1996国际流量专业委员会召开的流量技术研讨会上,文章被收录到“96’国际流量专业技术研讨会论文集”内。该文从流体力学角度出发,利用其相似原理,即两种流体的流束几何相似、雷诺准数相同、流量系数相等的原理,并以等体积法或等密度法,推算出空气和蒸汽二者量的关系,说明以压缩空气代替蒸汽检定蒸汽流量计是有理论依据的。

国外在以空气代替蒸汽进行蒸汽流量计标定进行到什么程度,问过不少权威及商社,均说“在研究”。直到今天笔者仍是有机会就向诸位专家、权威和国外大的蒸汽流量计仪表厂商咨询,“有没有同1台流量计分别用空气和蒸汽检定的数据”?“用空气检定某流量计误差为x,用来测量不同压力和不同温度蒸汽时误差会是多少”等问题,均没有得到肯定的回答。

插入上一段内容的目的,是想说明,目前蒸汽流量计无法检定是阻碍蒸汽准确计量的主要障碍!目前距用空气代替蒸汽进行蒸汽流量计检定,还有一段距离!国内,现实中也听说有用空气作介质检定蒸汽流量计的,如某分流旋翼式蒸汽流量计制造厂,称其产品是请某检定站逐台检定,精度准确可靠,问其流量计安装到不同压力和不同温度蒸汽管道上应用,误差是多少?回答是在空气装置上优于4%,测量蒸汽也在这个误差范围之内。后来笔者了解到这家检定站是用微压———几十毫米水柱(1 mm h2o=9.806 5 pa)压力的空气做介质给检定的。试想分流旋翼式蒸汽流量计一路走高温高压汽;一路(小孔)走冷凝水的,而在常温下用微压空气检定的误差就是走蒸汽的误差能说得通吗?

根据笔者参加两次“蒸汽计量研讨”会———仪表学会节能应用技术分会举办的“全国蒸汽流量计量研讨会”和计量协会能源计控委员会与中石化化工事业部联合举办的“蒸汽准确计量技术研讨会”的体会,前者会中大谈蒸汽流量计无法检定是影响蒸汽计量的主要问题。

为了搞好蒸汽的计量,建议国家有关部门投资搞好此项研究开发和建标工作。具体做法是国家有关部门投资、立项,筹建蒸汽计量标准装置(不能再搞浪费型蒸汽标准装置),与有条件的企业合作,利用企业富裕的中压蒸汽和压缩空气,选用数种类型、数种规格的蒸汽流量计,利用蒸汽和空气两种介质进行检定对比。在掌握有一定数量(当然越多越好)的实践数据基础上,统计、归纳出某种公式或某系数及其误差范围后,召开具有一定级别的鉴定会进行鉴定,成熟的话就可推广应用,直至建立成节能型的以空气代替蒸汽检定蒸汽流量计的标准装置。

1.2 没有统一的“水蒸汽密度表”标准

据权威专家介绍,iso国际标准委员会还没有制定或确认统一的“水蒸汽密度表”。中国在“gb2624281”国标中推荐过一种“水蒸汽密度表”(表中所涉及的压力单位为非法定计量单位kgf/cm2) , 到1993年修订时,将其删除了。至今在任何国家或行业标准中,再也没有出现过“标准”的水蒸汽密度表[2]。目前国内流行的水蒸汽密度表或水蒸汽密度计算公式有多种,如:

a) gb2624281推荐的水蒸汽密度表[1];

b)孙准清、王建中两位高级工程师编著“流量测量节流装置设计手册”中的水蒸汽密度表(来源于赵兆颐教授翻译的德国资料,与1967ifc公式基本相符);

c)孙延祚教授翻译美国r.w.米勒编著“流量测量工程手册”中的水蒸汽密度表;

d)从台湾传到上海的,据说是美国某协会的“具有‘火用’参数的水和水蒸汽性质参数手册(密度表)”等。

至于计算水蒸汽密度的计算公式就更多了,单位选用1967ifc公式较多,现择录如下。

蒸汽是工矿企业应用最广的二次能源之一,虽然知道其密度是温度和压力的函数,但它们之间的关系很难用简单的函数关系式表示。图省事,宁愿降低计量精度,根据本单位蒸汽压力、温度等条件,选用简单的密度公式,如:

饱和蒸汽密度与压力之间关系如下。

(上述密度计算公式的精度约为: 0.2~4,但它们依据的标准是什么,不知。)

试想国内流行这么多水蒸汽密度表和求水蒸汽密度的公式,国家没有统一的“水蒸汽密度表”标准,各企业和各蒸汽流量计制造厂,各行其是,同一个流量值,用不同企业的计量器具测量,显示值肯定不一样,以哪家计量器具显示的为准?!计量精确度又以什么为标准?

因此呼请国家有关管理部门,尽快组织有关专家制定中国的“水蒸汽密度表”标准,以适应中国强化能源计量管理的形势,推动和提高中国蒸汽计量的水平。

上述两大难题严重地制约着中国蒸汽计量水平(当然也影响到进口的蒸汽计量器具的型式批准工作)。各企业产品成本计算中对“蒸汽量”仍是按“摊派量”计算的为多。为此再次呼吁国家有关部门尽快组织有关单位和专家,积极投资,投入人力和物力早日攻克“蒸汽计量”中的两大难题。