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锅炉主蒸汽流量计在线校核方法
发布时间:2019-12-23

摘要:阐述了蒸汽计量现状以及标准节流装置的误差来源,分析了常用蒸汽流量计存在的检定或校准问题。在此基础上提出了一种锅炉主蒸汽流量计的在线校核方法,通过对工业典型燃气锅炉系统的分析建立了水汽质量平衡方程,探讨了在线校核方法的理论可行性。然后给出了校核时的锅炉运行需满足的稳定工况条件以及在线校核的步骤,分析了不确定度分量的来源。该方法实现了以更高准确度等级的水流量为标准参考量,在锅炉运行中在线校准主蒸汽流量计示值,提高饱和蒸汽流量计测量准确度。与实验室检定或校准相比,锅炉主蒸汽在线校核方法具有方便快捷、动态校准的优点,在保证仪器性能、提高经济效益方面可以发挥重要的作用。
0引言
  蒸汽作为一种重要的二次能源,是热能的重要载体,不仅可直接参与生产过程的化学反应,还可以利用其热能产生能量或做功,具有清洁环保、能效高、可传输等特点,被广泛用于当今的工业生产当中。蒸汽计量的准确可靠不仅能准确反映用户能耗、监控热能系统的运行状况,且能为实现热能的合理分配,热力系统的最佳运行,以及用汽设施的节能降耗改造提供可靠的技术依据,而且也是保证蒸汽贸易结算公平公正的基础。因此,如何确保蒸汽流量的准确计量越来越受到用能单位的重视,对蒸汽计量技术提出了更高的要求。流量仪表一直以来就是能源计量的重要基础工具,其使用状况直接影响着能源计量的有效性,如何对使用中的流量仪表进行计量性能评价,是当前能源计量工作中亟待解决的重要课题[1]。近几年,在线校核的方法经过不断的研究和推广,已经获得了越来越多的企业和计量机构认可[2-4]。而由于蒸汽状态复杂和其独特的物理特性使得蒸汽流量计现阶段很难开展在线检定和校准的工作,国内外普遍没有可行的解决办法。因此,如何提高蒸汽计量的准确度,快速获取准确可靠的测量数据,有效加强蒸汽计量管理,需要计量行业给予更多的关注。
1蒸汽计量的现状
  目前,蒸汽计量普遍使用标准节流装置,如孔板流量计涡街流量计,基本都能满足蒸汽计量和检测的要求[5-7]。虽然蒸汽计量仪表都经过出厂检验合格,但安装到管道上使用一定时间后,其计量准确性往往发生偏离。主要原因是蒸汽流量计测量介质与校准介质的物理性质不一致,且因部件磨损、电磁信号干扰或安装偏差、蒸汽密度补偿等因素影响,导致运行工况条件下的仪表系数与校准给出的仪表系数不匹配,使得蒸汽流量计在现场测量出现一定的误差[8-11]。虽然对于部分测量误差能够进行修正或估算,但偏离状况并不是容易掌握的。而涡街流量计,由于其仪表系数与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,设计及标定时的管道条件与现场管道往往不完全吻合,对仪表系数的影响较大[12]。
  目前我国已在烟台建立有国家蒸汽流量计量站,主要从附近电站引入蒸汽对蒸汽流量计进行校准,使用的方法为冷凝称重法,但是这种直接测量法也存在一定偏差。其使用的蒸汽与实际测量的蒸汽介质温度、压力都有一定的差异,譬如校准介质压力较低,一般仅达0.3MPa,与大多数蒸汽流量计的实际工作压力存在差异;蒸汽流量计需要拆卸送检,运输路途较远,一方面影响企业的正常生产,另一方面经过长途运输的颠簸后很难保证校准后的仪表性能不发生漂移。因此蒸汽直接校准法不具有很强的实际可操作性。
  基于上述现状,对蒸汽流量计进行在线校核成为一种可行的选项,特别是使用时间较长,或者使用者一直对计量值存疑的流量计更是如此。校核的目的在于用某种可行的方式在线检测实际流量,提供一种参考,从而可以对在用流量计的测量值进行对比分析。卢其伦[1]介绍了超声波流量计在线校核蒸汽流量计的方法,并对一服装洗染公司的威尔巴蒸汽流量计进行校核,其结果表明校核的示值误差在仪表标明的准确度(1.5%)范围之内,不存在计量超差的问题。超声波流量计在线校核的方法多用于液体流量,而对于物理性质特殊的蒸汽而言仅对过热蒸汽较为有效,对饱和蒸汽或湿度较大蒸汽时,便会因声能在不同介质传递中的衰减而受到严重影响,甚至不能有效读取数据。因此这种方法应用范围有限,且需要满足足够长稳流段条件。
  鉴于国内暂时没有成熟的在线检定或校准蒸汽流量计的方法,探索在线校核蒸汽流量计的方法显得尤为必要。
2水汽质量平衡方程
  本文探讨一种锅炉主蒸汽流量计的在线校核方法,基本思路是采用水汽质量平衡法,提出以更高准确度等级的水流量为标准参考量,在锅炉运行中在线校准主蒸汽流量计示值,提高饱和蒸汽流量计测量准确度。
  图1为工业常见的燃气锅炉水汽系统示意图,所有蒸汽锅炉的给水均来自一个给水水箱,使用电磁流量计计量。锅炉排污水通过汇集后由一电磁流量计计量,锅炉蒸汽汇集后由主蒸汽流量计计量。

  该类型燃气锅炉为贯流式,无汽包,给水从下集箱进入,在上升管中受热蒸发后蒸汽从上集箱流出,其蒸发示意图如图2所示。

  将水冷壁上升管中水位线与管壁围成的介质区域作为控制体!,控制体的进口介质为上升管给水Mj,出口介质为产生的蒸汽Mq。并作如下稳定工况假设:在t时间内,锅炉运行中、汽水系统各管道中流体介质连续流动;锅炉水位线保持稳定不变;锅炉上集箱内压力恒定;下集箱的给水压力、给水温度恒定。则根据控制体汽水质量变化可得如下关联式:

  式中:Mj为给水质量流量,kg/s;为控制体!内流体质量在t时间内的变化量,kg/s;Mq为进入到水位线上方,蒸汽出口管引出的带有湿度的饱和蒸汽质量流量,kg/s。
  分析产汽过程可知,锅炉运行中,汽水系统流体介质连续流动中,属定压饱和蒸汽过程,饱和蒸汽温度与饱和水的温度均不变。则t时间内,控制体!内生产的蒸汽汽泡体积和汽泡密度不变,即汽泡质量不变。水位线不变时,控制体下的总体积恒定,且控制体!内的汽泡体积不变,则控制体!内液态水体积不变。又因给水压力、给水温度、蒸汽压力恒定时,控制体!内液态水的密度是不变的,则控制体!内的液态水质量恒定。即t时间内控制体!内的液态水质量、汽泡质量均不变,即=0。则式(1)可变换为:
  式(2)反应出锅炉在某一稳定不变的给水压力、给水温度下,在水位线位置不变、蒸汽压力恒定的锅炉运行工况控制体内,给水质量流量与产生的蒸汽质量流量相等。同理可推断,若控制体扩展为包括下集箱、上升管和上集箱的控制体后,由式(2)可得:
V=G0-G1(3)
  式中:G0为给定时间t内通过给水流量计的累计质量流量,kg;G1为通过锅炉排污水流量计的累计质量流量,kg;V为锅炉主蒸汽的累计质量流量,kg。
  式(3)表示在稳定工况控制条件下,相同时间里,一个以下集箱给水质量流量为进口,以上集箱蒸汽质量流量和排污水量为出口的闭式连续流动贯流式锅炉汽水系统,系统输送出的蒸汽质量流量等于进入该系统的给水质量流量扣除流出该系统的排污水质量流量,这就是稳定工况控制条件下的锅炉水汽质量平衡方程。
3蒸汽在线校核方法
3.1在线校核可行性
  液态的水进入锅炉后经过受热蒸发变成汽态的蒸汽,仅是水的两种不同形态及不同状态参数的转变,这为利用水汽质量平衡方程测量锅炉主蒸汽流量计的质量流量提供了物质条件。因此,探讨利用较高准确度等级的给水流量和排污流量在工业现场在线校准蒸汽流量计示值的方法,在理论上是可行的。水流量测量技术成熟、操作方便、测量精度有保证,可作为校核蒸汽的标准参考。按照校准原则,锅炉给水流量计和排污流量计的准确度等级需要选择较高等级的流量计。结合锅炉现场,推荐0.5级的电磁流量计作为在线校核标准表使用,即可满足校核的需求。
3.2在线校核条件
  工业现场校核时,为了确保校核的准确性,锅炉运行需要满足以下条件[13]:
1)确保锅炉汽水系统是独立系统,停止化学取样水、加药水等操作。锅炉各阀门严密无泄漏;
2)锅炉工况参数基本稳定,避免较大的波动,如燃气供应稳定,以减少燃烧调整的影响。不允许出现干扰锅炉工况的任何操作,如安全阀启跳、锅炉负荷调整等操作。通过控制系统联动,当有排污水流出变化时,相应提高给水流量,确保上升管中汽液界面维持稳定。锅炉主要热力参数波动值不超过表1推荐的允许值。

3.3在线校核步骤
  锅炉稳定运行一段时间后,同时测量给水流量、排污水流量和蒸汽流量,得到一定参数下的给水流量与排污水流量之差(G0-G1)与蒸汽流量V之间的比例系数f,以获得蒸汽流量计的修正值V'。如此通过较高准确度等级的给水流量传递到蒸汽流量计示值,达到在线校核目的,校核量值传递示意图见图3。

锅炉主蒸汽流量计在线校核可分为以下三个步骤完成:
1)根据主蒸汽流量计的量程或常用计量范围,选取多个流量校核点i。每个流量点读取数据不少于3次,取平均值得到每个流量点的(G0-G1)和V;
2)计算各流量点i的比例系数fi:
fi=(G0i-G1i)/Vi(4)
3)修正蒸汽流量示值。用流量比例系数fi拟合修正蒸汽流量计示值。若各流量点的比例系数fi接近线性时可按权重求一个共同的流量比例系数f,修正蒸汽流量计示值。
3.4不确定度来源分析
  考虑到工况参数压力、温度的波动引起介质密度、流速的变化带来的不确定度分量,已包含在介质质量流量的重复性条件下所得测量列中,则主要不确定度分量来源如下:
1)标准表本身准确度等级带来的不确定度分量ubzb;
2)锅炉汽水系统不明泄漏带来的不确定度分量uxl;
3)仪表的测量重复性带来的不确定度分量ucfx;
4)上升管中水位计读数带来的不确定度分量uswj;
5)水位波动引起的液态水与蒸汽之间变化的不确定度分量uswb。
  示值误差的各项不确定分量通过查资料或计算可得,各不确定度分量彼此不相关,则可得相对合成标准不确定度为:

扩展因子k=2时的相对扩展不确定度:
Ur=2ur(5)
4结论
  本文针对工业燃气锅炉主蒸汽流量计现场无成熟的检定或校准方法,而实验室校准需要停产拆卸送检,企业普遍对蒸汽流量计计量准确性存疑的现象,提出了一种针对锅炉主蒸汽流量计在线校核的方法。此方法是基于稳定工况控制条件下锅炉水汽质量平衡方程,采用准确度等级较高的给水流量和排污水流量动态在线校准主蒸汽流量计示值。锅炉主蒸汽流量计示值的在线校核可以快速判断工业现场蒸汽计量的准确性,免去了拆卸送检的麻烦,在保证仪器性能、提高经济效益方面可以发挥重要的作用。

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