在石油、化工、熱電、石化等廠礦企業(yè)里,采用著大量的各種類型蒸汽流量計。由于以蒸汽作介質(zhì)對蒸汽流量計實測檢定難度大、精度低、費(fèi)用高,致使一些使用蒸汽流量計的單位,不愿送出去檢定;而有能力開展這項檢定業(yè)務(wù)的單位盡管很少,就是這很少的單位,也因檢定成本太高,難度又大,也不愿開展這項業(yè)務(wù)。造成一些企業(yè),甚至是一些技術(shù)好的大型企業(yè),對蒸汽計量管理也存在很多問題:對蒸汽計量儀表僅能修理不能檢定;蒸汽計量率低;蒸汽計量儀表精度低誤差大。這給企業(yè)的成本核算和節(jié)能降耗帶來很大影響。
為了改變這種狀況,國內(nèi)外一些有能力的有關(guān)院、所和企業(yè),都在積極投資、組織人力研究以空氣代替蒸汽,對蒸汽流量計進(jìn)行檢定的問題,并且認(rèn)定這是今后的發(fā)展方向。但是研究進(jìn)展速度不太理想,我們的蒸汽流量計檢定站從1989年建立以來至今尚未拿出滿意的數(shù)據(jù),而從聽說有研究此課題(國外)的以來,至今10多年了,與外商接觸談及此問題時,他們回答仍是說在研究。當(dāng)然是由于保密的原因吧,國內(nèi)外的一些研究進(jìn)展較快的單位,都不愿多透露半點信息。致使我們至今尚未見到真正從理論上闡述利用空氣代替蒸汽進(jìn)行蒸汽流量計檢定的任何資料,更談不上有實測或修正數(shù)據(jù)供推廣應(yīng)用。這里談點個人浮淺的看法,愿它能起到拋磚引玉和推波助瀾的作用。
能不能用壓縮空氣代替蒸汽對蒸汽流量計進(jìn)行檢定?能,有什么理論依據(jù)?又是怎樣的代替法呢?
1用壓縮空氣代替蒸汽對蒸汽流t計進(jìn)行檢定的可能性
理論依據(jù)就是從流體力學(xué)角度出發(fā),根據(jù)相似原理,兩個幾何上相似的流束,如果它們的雷諾準(zhǔn)數(shù)值相等,即流束在流體動力學(xué)上是相似的,這時其流量(出)系數(shù)也是相等的。基于這個理論,在對蒸汽流量計檢定時,設(shè)法使壓縮空氣在管道內(nèi)流動的雷諾數(shù)值,等于蒸汽在此管道內(nèi)的流動的雷諾數(shù)值時,即認(rèn)為兩個流束在流體動力學(xué)上是相似的,它們的流量(出)系數(shù)也是相等的,通過檢測設(shè)備檢測,在檢定裝置上顯示出的值也是相同的,即達(dá)到以壓縮空氣代替蒸汽的目的。
2計算分析
如何代替呢?基于上述原理,為了使空氣和蒸汽在相同管道內(nèi)的雷諾數(shù)達(dá)到相同的條件,進(jìn)行計算分析如下。
根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同,雷諾數(shù)計算可采用的計算公式形式(系數(shù))有所不同。這里不是求具體雷諾數(shù)值,而是利用其公式中的某項因子分析壓縮空氣與蒸汽之間的關(guān)系。
據(jù)公式eRD一4qm/7r產(chǎn)D知,在同一個管徑D值管道中,幾何相似的兩流束的雷諾數(shù)值相同時,可對上式分子上的質(zhì)量流量qm值和分母的動力粘度產(chǎn)值分析(二值為常數(shù)),兩者都是可變化的,但是qm值是可人為規(guī)定的數(shù),而動力粘度產(chǎn)值才是與兩種氣體固有的性質(zhì)有關(guān)的參數(shù),當(dāng)然它是隨操作條件變化而變化的,但是相同條件下,不同氣體,粘度產(chǎn)值不同,雷諾數(shù)計算值就不同,因此粘度產(chǎn)值成了分析雷諾數(shù)的關(guān)鍵。
粘度產(chǎn)值的求取方法,有查圖法和計算法。查圖法一般人為視差較大,而計算方法人為誤差較小。何況布朗利和威爾克對赫希菲爾德方程進(jìn)行修正后,提出的低壓氣體粘度方程式,正適用于我們檢定裝置,一般檢定裝置在檢定過程中,系統(tǒng)的壓力都不高,都屬于低壓范疇的,所以對于低壓氣體—壓縮空氣和蒸汽的粘度產(chǎn)值可采用該方程式進(jìn)行計算,即
由上述可知,應(yīng)先確定檢定裝置所采用的壓縮空氣和過熱蒸汽的操作溫度條件,才可計算。
根據(jù)石化流量計量檢定站的情況,確定壓縮空氣的操作溫度為20℃,即爪=20+273·15=293.15(K)。而蒸汽采用微過熱蒸汽,具體操作條件是:操作壓力為絕壓P絕=gkgfc/m名(注:可查的標(biāo)準(zhǔn)和工具書的表格中所涉及到的壓力、粘度、密度等都是舊單位制,雖然均可以換算為新單位制,考慮此文只是論證以壓縮空氣代替蒸汽進(jìn)行蒸汽流量計檢定的道理,若轉(zhuǎn)換為法定計量單位時,篇幅要加長,不利于說明間題。何況實際應(yīng)用時,在此結(jié)果的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換即可,結(jié)果是一樣的。因此,此文中均未采用法定計量單位),過熱溫度為190℃(飽和溫度為174.5℃),即
通過粘度計算結(jié)果表明,空氣和蒸汽在限定的操作溫度條件下,空氣的粘度比蒸汽的粘度大。
這里先按保持體積量相同分析—可稱等體積法。已知蒸汽的操作條件,即P絕=gkgf/cm2(Ikgf/ cm2=0.1MPa,下同),Tf=190℃，它的密度由查表得知ρ汽=4.3687kg/m3，所以空氣的密度為
即當(dāng)檢定蒸汽流量計時,本想在操作絕壓為P絕=9(kgf/ cm2),操作溫度為190℃的過熱蒸汽條件下檢定,若改用壓縮空氣代替,按等體積法計算出,當(dāng)空氣操作溫度為20℃時,其操作壓力P絕=4.3647(kgf/ cm2)。
(或?qū)⒖諝庖暈槔硐霘怏w,由理想氣體方程式pv=RT得知壓力與密度、溫度等的關(guān)系式為
兩種計算結(jié)果約有萬分之五的誤差,這是正常的,可以認(rèn)為是空氣及蒸汽數(shù)據(jù)表本身的精度及計算公式本身的精度等原因所造成的。)
若保持密度ρ值相同—可稱等密度法。為達(dá)到qm氣=ρ汽,在ρ汽=ρ汽=4.3687(kg/m3)的條件下,V氣/V汽=1.16546,即此時空氣的體積流量應(yīng)比蒸汽流量增大為1.14566倍。此時的空氣操作壓力可從空氣密度表_匕用內(nèi)插法計算求出,也可用氣體方程式求出。根據(jù)理想氣體的壓力與密度、溫度等的關(guān)系計算,此時的空氣操作壓力為
若已知蒸汽流量計的現(xiàn)場運(yùn)行條件,直接用現(xiàn)場蒸汽實際運(yùn)行條件,如其操作壓力P絕=4(kgf/cm2),操作溫度為150℃(此壓力下的飽和溫度為143℃)時,可用上述方法求出操作溫度為20℃時壓縮空氣的操作壓力,計算如下。
首先按上述方法計算出此操作條件下的蒸汽粘度。
(kgf/cm2)。在此操作狀態(tài)下,由于qm=Vρ, ρ值不變,欲想達(dá)到ReD氣=ReD汽,且qm氣/qm汽=1.2716條件,v值體積量應(yīng)增大為原來量的1.2716倍。
通過上述計算可知,蒸汽的壓力、溫度不同,所對應(yīng)的壓縮空氣的操作壓力,在操作溫度一定的前題下(室溫)是不同的。也可說,現(xiàn)場蒸汽運(yùn)行條件盡管千差萬別,只要知道被檢定的蒸汽流量計現(xiàn)場運(yùn)行的操作壓力、溫度等條件,如果以壓縮空氣作介質(zhì)檢定蒸汽流量計時,都可以求出其對應(yīng)的操作壓力和溫度條件。
無論是用蒸汽流量計現(xiàn)場運(yùn)行條件,求出壓縮空氣的操作條件,進(jìn)行蒸汽流量計的檢定,還是用蒸汽流量計檢定裝置設(shè)計的蒸汽運(yùn)行條件,求出的壓縮空氣操作條件,進(jìn)行蒸汽流量計檢定(從檢定誤差等方面分析,兩種方法各有利弊),都存在一個在實驗室條件下檢定后,如何轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場操作條件下運(yùn)行的儀表誤差問題。
3誤差的消除
為了適應(yīng)上述轉(zhuǎn)換,檢定記錄表時,應(yīng)增加如下內(nèi)容,如下表所示。
從表中可以看出,我們前面論證的計算實質(zhì)是將b值轉(zhuǎn)換為。值,檢定后得到。1一。值后還需再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。
第一步是將C值轉(zhuǎn)換為修正后的蒸汽流量d值。這個轉(zhuǎn)換過程,實際是將常溫20℃下的量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)蒸汽條件(溫度)下的量,因為這兩種狀態(tài)溫度相差較大,會給不同類型、不同材質(zhì)的蒸汽流量計,造成不同的影響,即產(chǎn)生的誤差不同。對于孔板差壓式流量計,孔板的孔徑受熱膨脹,孔徑變?yōu)镈=D20·〔1+λD(t-20)〕;而對夾裝式渦街蒸汽流量計,可采用K修=K〔1一λD(t一20)〕式。故依據(jù)此原理來進(jìn)行計算修正這部分誤差。而分流旋翼式等蒸汽流量計,應(yīng)通過大量的實踐數(shù)據(jù),找出正確的修正系數(shù)或修正公式。這項工作可以邊實踐邊積累,先找出粗的(誤差較大)系數(shù)應(yīng)用,以后再進(jìn)一步作細(xì)致工作,最后找出正確的修正因子,使理論上對應(yīng)的c值,很容易地轉(zhuǎn)換為真實條件下的蒸汽量d值。
第二步是將修正后的蒸汽量d值轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場運(yùn)行條件下的蒸汽流量qm值。
如果檢定蒸汽流量計的壓縮空氣的運(yùn)行條件,是在現(xiàn)場實際操作條件下推算出來的,流量計檢定后轉(zhuǎn)換到第一步d值即可,d值也即是現(xiàn)場運(yùn)行條件蒸汽量qm值。如果壓縮空氣運(yùn)行條件是由蒸汽流量計檢定裝置、的固定的蒸汽條件推算出來的,還需要這第二步轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換可采用密度校正系數(shù)法進(jìn)行修正。
4結(jié)論
采用壓縮空氣代替蒸汽檢定蒸汽流量計,其意義重大,難度亦大。其檢定誤差分析也是難題之一,因它涉及的因素、環(huán)節(jié)多,需作專題探討。
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