一體化噴嘴蒸汽流量計量常見問題的解決措施：

蒸汽作為鋼鐵企業生產中主要的能源介質之一,其準確計量對生產能耗考核、循環經濟運行有著重要的意義。長期以來, 蒸汽流量測量中往往遇到測量范圍超出設計范圍、溫度壓力變化大、冬季運行維護量大等問題。我公司近年來逐步在蒸汽計量中使用一體化噴嘴流量計,使用效果較為理想。
冶金企業在生產過程中產生大量的蒸汽, 同時蒸汽又是鋼鐵企業生產中主要的能源介質之一, 廣泛應用于動力、 取暖 、 制冷、 生產工藝用熱等場合, 尤其是近幾年的余熱發電,為蒸汽的利用找到了新的途徑 。濟南鋼鐵股份有限公司 (以下簡稱濟鋼 )蒸汽多采用孔板計量 , 但是因為蒸汽的物理特性不同于氧氣、氮氣等介質，采用孔板計量蒸汽出現了很多問題:
(1)蒸汽用量隨季節變化范圍大，實際流量往往超出節流裝置設計使用范圍。
(2)蒸汽在輸送過程中存在相變，過熱蒸汽可能變化為飽和蒸汽 , 飽和蒸汽可能變為汽液兩態, 給計量帶來很大誤差 。
(3)由于蒸汽高溫壓很容易使孔板變形 , 或在節流裝置的密封和節流裝置與管道的焊接處泄漏 。
(4)在我國北方地區, 蒸汽在冬季需要良好的保溫伴熱措施,否則冬季容易凍壞變送器。
我公司作為冶金行業建立循環經濟的示范單位,公司能源計量工作十分重視 ,從 2005年起逐步進行了煤氣、蒸汽、氧氣、氮氣、生產用水、電等能源介質的計量完善工作。尤其是蒸汽介質的特殊性, 存在諸多問題,一直以來儀表配備率、運轉率較低。在此次蒸汽配備中, 我們多采用一體化噴嘴流量計和流量計算機，并用其配套的《流量測量節流裝置專家系統軟件》對在用的節流裝置進行管理,取得了良好的應用效果 。
1、一體化噴嘴流量計的優點：
(1)有標準, 數據溯源簡單噴嘴和孔板同屬于標準節流裝置, 都有標準,節流式流量計技術成熟, 特別是標準節流裝置按標準 (ISO5167— 2003E、GB/T2624—2006)設計、制造就無須實流標定, 是其它流量計的。在蒸汽測量研究上, 國內外學者用標準節流裝置進行了大量的試驗, 給出了修正的數學模型 , 所以采用標準節流裝置測量蒸汽有明顯的*性 。
(2)在蒸汽計量中, 噴嘴優于孔板：
標準孔板的一個缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發生鈍化, 據悉國內有關部門曾對新裝孔板進行跟蹤校驗, 在孔板連續使用 2 ～ 3個月時, 鈍化引起流出系數偏差在 1% ～ 3%,個別嚴重的在 4%以上, 這已引起了人們的高度重視。目前, 解決標準孔板鈍化問題的*好方法是采用標準噴嘴, 由于噴嘴的入口為光滑曲面 ,不易磨損 (見圖 2), 它的流出系數非常穩定, 所以JJG640—94規程規定 ISA1932噴嘴的檢定周期為4年。再者, 噴嘴在相同流量和相同β值條件下,阻力損失比孔板小得多(僅為孔板的50% ～ 60%), 長期運行情況表明，由于噴嘴在結構上的優勢具有耐沖擊抗變形的優點, 適應于高溫、 高壓、 高流速介質。
2、一體化噴嘴對蒸汽計量常見問題的解決措施：
2.1、利用流量計算機和智能變送器改善了節流裝置量程比小的問題：
在蒸汽輸送過程中, 實際的流量范圍往往無法準確確定, 在熱負荷變化大的情況下 , 使流量計長時間工作在測量范圍以外, 這樣就造成了很大的測量誤差。因此在設計蒸汽流量計量系統時 , 應考慮使用具有寬量程補償運算功能的計量系統 。對節流件流出系數 C、 可膨脹性系數 ε等中間參數的實時計算是解決寬量程的關鍵 。
節流式流量計流量計算公式為:qV=C1 -β4επ4d2 2Δpρ1(1)式中:qV為體積流量, m3/s;C為流出系數;ε為可膨脹性系數;d為節流件開孔直徑 , m;D為管道內徑 , m;β為直徑比 , β =d/D;ρ1為被測流體密度 ,kg/m3;Δp為差壓 , Pa。其中:按 GB/T2624— 2006標準孔板流出系數 C的計算式為 :C=0.5961 +0.0261β2-0.216β8+0.00052 1106βReD0.7+0.0188 +0.0063Aβ3.5 106ReD0.3+(0.043 +0.080e-10L1-0.123e-7L1)(1-0.11A)β41 -β4-0.031 (M′2-0.8M′1.12)β1.3(2)式中 :ReD為雷諾數;M′2=2L21 -β;A=19000βReD0.8;L1=l1D為孔板上游端面到上游取壓口的距離除以管道直徑得出的商;L′2=l′2D為孔板下游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑得出的商;L2=l2D為孔板上游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑得出的商 。流束可膨脹系數 ε的計算式為 :ε=1 -(0.351 +0.256β4+0.93β8) 1 -p2p11/κ(3)式中:κ為等熵指數 ;p1p2分別為節流件前后的壓力 , Pa。傳統的節流式流量計是將流出系數 C和可膨脹性系數 ε視為定值 (C和 ε由專門的節流裝置設計計算軟件計算得到 ), 置入現場的流量積算儀 。圖 1 是一臺孔板流出系數曲線 。
圖 1 曲線表明 :當 ReD=3 ×104, C=0.6101;ReD=1 ×104, C=0.6176;平均值C=0.6139, 即 ReD在 3 ×104～ 1 ×104范 圍內 (3 ： 1)其不 確定度為 0.61%。當 ReD=5 ×104, C=0.6081;ReD=5 ×103, C=0.6264;平均值 C=0.6 173, 即 ReD在 5 ×104～ 5 ×103范圍內 (10：1), 其不確定度為 1.5%, 遠不能滿足用于貿易結算的上等表對不確定度的要求 。同樣, 可膨脹性系數 ε在超測量范圍情況下 , 所引起的測量不確定度更不容忽視, 例如, 一臺角接取壓孔板流量計 (D=100mm, β =0.5)測量過熱蒸汽(壓力 p=4MPa, 溫度 t=400℃), ReD在 28 ×105～2.8 ×105(介質流速:52 ～ 5.2m/s)范圍內, 可膨脹系數 ε的不確定度為 3.0%。因此要實現寬量程, 就必須對流出系數 C和可膨脹性系數 ε進行實時計算 。由式 (2)可以看流出系數 C的計算很復雜。相關標準給出了計算流出系數 C的迭代方法, 所以流量積算儀表必須具有高速、 高精度的運算功能和比較大的存貯空間 , 以完成這些復雜的中間參數的補償運算 。

圖 1　流出系數 C與雷諾數 ReD曲線圖
智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問世, 使我們擁有寬量程的智能化節流式流量計成為可能。歸納起來它應具備三個條件:①智能化的寬量程差壓變送器 (量程比為 100：1);②差壓變送器與流量計算機之間數字通訊 (Hart協議)除能滿足全量程差壓信號傳遞的準確性, 而且能夠自動遷移測量范圍 ;③流量計算機不僅可根據溫度、 壓力等工況參數對工況流量進行修正, 還可以實時計算流出系數 C、 可膨脹性系數 ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計, 在滿足準確度同時, 流量測量范圍可真正達到 10：1 (或更寬 ), 節流式流量計的這一飛躍是多項技術進步的成果 , 它改變著人們對節流式流量計的傳統認識。
2.2、采用一體化結構方式和防凍隔離器解決冬季儀表保溫問題：
傳統的節流式流量計的系統構成比較復雜 , 有較長的引壓管, 容易阻塞, *為麻煩的是測量蒸汽冬季運行時還需對引壓管、 冷凝系統進行保溫、 伴熱, 稍有不慎便會凍壞差壓變送器 , 導致儀表故障 , 影響生產, 因此儀表的維護工作量較大。 ISA1932 化噴嘴(見圖 2)很好地解決了上述問題 , 一體化噴嘴是將節流件和差壓變送器做成一體, 不僅縮短了引壓管線 , 還省去了冷凝和排污系統, 在安裝時非常方便 ,不用敷設導壓管和安裝儀表箱 , 大大減少了安裝工時和費用 。由于其裝有防凍隔離器 , 冬季運行時再也不用進行保溫供熱 , 大大地減少儀表的故障率和儀表工的維護工作量。尤其是那些在裝置外沒有專門的儀表伴熱管線的貿易計量點, 更適合使用這種具有防凍隔離器的一體化噴嘴流量計 。

圖 2　ISA1932噴嘴圖

圖 3　YJLB一體化噴嘴流量計圖
2.3、輸送過程中的相變問題：
利用流量計算機強大的計算功能完成蒸汽密度計算 , 解決蒸汽輸送過程中的相變問題 。FC2000流量計算機是一款具有高精度補償運算 、數據顯示存儲以及運用網絡實現通訊功能的新一代量儀表, 其依據有關標準與建議 、 國家與行業標準, 針對不同介質和流量計類型建立了多種數學模型和相應計算軟件。一臺流量計算機不僅可完成溫度、 壓力、 濕度、 密度、 組分等補償運算, 對節流式流量計的流出系數 C、 流束可膨脹系數 ε、 壓縮系數 Z等參數作為動態量進行實時逐點運算, 特別是對蒸汽的密度計算按照公式組織頒布的 IFC1967公式進行計算。FC2000流量計算機具有多種網絡通訊接口, 可以采用多種通訊協議, 所以其數據可以方便地接入到企業已有的網絡中。另外 , FC2000 流量計算機已經具備了蒸汽能量計量的功能 , 在將來可以方便地以熱量為單位進行計量核算。
3、蒸汽計量的幾點體驗：
通過近幾年的實踐、摸索,我們認為用具有國家標準(GB/T2624—2006)支持的ISA1932一體化噴嘴作為蒸汽流量測量的一次元件可以很好地解決蒸汽表的周期檢定、數據溯源、保溫伴熱等問題，尤其是配套使用具有高精度、寬量程計算功能的流量計算機進行流量的溫度、壓力補償，可以解決傳統節流裝置量程比過窄的問題，大大減少了企業整個蒸汽管網的不平衡量。在一體化噴嘴測量蒸汽的實際應用與維護中，我們有以下幾點經驗和體會 :
(1)一體化噴嘴安裝應注重部分細節, 如儀表的安裝方向 、 密封墊圈材質的選擇、 焊接質量等 , 保證安裝質量達到產品的設計要求, 確保出具數據的準確可靠 。
(2)一體化噴嘴的維護要和生產信息密切結合,儀表長期停用后再次投入使用時應該對儀表進行檢查, 例如差變的零點、 隔離液的情況等, 因此要求生產單位在停用或啟用蒸汽時須通知一體化噴嘴的維護單位做相應的檢查工作。
(3)一體化噴嘴中的隔離液應定期進行檢查和補充 。
(4)蒸汽目前雖然以質量為單位進行核算 , 但是在不遠的將來 , 蒸汽必然要采用能量計量, 所以在儀表的選用上應該具有前瞻性 , 應選用同時具有質量計量和能量計量功能的儀表 , 這樣在將來采用能量計量時也不用再大規模地更換計量儀表 。