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摘要:闡述了蒸汽計量現(xiàn)狀以及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的誤差來源，分析了常用蒸汽流量計存在的檢定或校準(zhǔn)問題。在此基礎(chǔ)上提出了一種鍋爐主蒸汽流量計的在線校核方法，通過對工業(yè)典型燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的分析建立了水汽質(zhì)量平衡方程，探討了在線校核方法的理論可行性。然后給出了校核時的鍋爐運行需滿足的穩(wěn)定工況條件以及在線校核的步驟，分析了不確定度分量的來源。該方法實現(xiàn)了以精度等級的水流量為標(biāo)準(zhǔn)參考量，在鍋爐運行中在線校準(zhǔn)主蒸汽流量計示值，提高飽和蒸汽流量計測量精度。與實驗室檢定或校準(zhǔn)相比，鍋爐主蒸汽在線校核方法具有方便快捷、動態(tài)校準(zhǔn)的優(yōu)點，在保證儀器性能、提高經(jīng)濟(jì)效益方面可以發(fā)揮重要的作用。
0引言
　　蒸汽作為一種重要的二次能源，是熱能的重要載體，不僅可直接參與生產(chǎn)過程的化學(xué)反應(yīng)，還可以利用其熱能產(chǎn)生能量或做功，具有清潔環(huán)保、能效高、可傳輸?shù)忍攸c，被廣泛用于當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。蒸汽計量的準(zhǔn)確可靠不僅能準(zhǔn)確反映用戶能耗、監(jiān)控?zé)崮芟到y(tǒng)的運行狀況，且能為實現(xiàn)熱能的合理分配，熱力系統(tǒng)的最佳運行，以及用汽設(shè)施的節(jié)能降耗改造提供可靠的技術(shù)依據(jù)，而且也是保證蒸汽貿(mào)易結(jié)算公平公正的基礎(chǔ)。因此，如何確保蒸汽流量的準(zhǔn)確計量越來越受到用能單位的重視，對蒸汽計量技術(shù)提出了更高的要求。流量儀表一直以來就是能源計量的重要基礎(chǔ)工具，其使用狀況直接影響著能源計量的有效性，如何對使用中的流量儀表進(jìn)行計量性能評價，是當(dāng)前能源計量工作中亟待解決的重要課題［1］。近幾年，在線校核的方法經(jīng)過不斷的研究和推廣，已經(jīng)獲得了越來越多的企業(yè)和計量機構(gòu)認(rèn)可［2－4］。而由于蒸汽狀態(tài)復(fù)雜和其獨特的物理特性使得蒸汽流量計現(xiàn)階段很難開展在線檢定和校準(zhǔn)的工作，國內(nèi)外普遍沒有可行的解決辦法。因此，如何提高蒸汽計量的精度，快速獲取準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù)，有效加強蒸汽計量管理，需要計量行業(yè)給予更多的關(guān)注。
1蒸汽計量的現(xiàn)狀
　　目前，蒸汽計量普遍使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，如孔板流量計或渦街流量計，基本都能滿足蒸汽計量和檢測的要求［5－7］。雖然蒸汽計量儀表都經(jīng)過出廠檢驗合格，但安裝到管道上使用一定時間后，其計量準(zhǔn)確性往往發(fā)生偏離。主要原因是蒸汽流量計測量介質(zhì)與校準(zhǔn)介質(zhì)的物理性質(zhì)不一致，且因部件磨損、電磁信號干擾或安裝偏差、蒸汽密度補償?shù)纫蛩赜绊�，�?dǎo)致運行工況條件下的儀表系數(shù)與校準(zhǔn)給出的儀表系數(shù)不匹配，使得蒸汽流量計在現(xiàn)場測量出現(xiàn)一定的誤差［8－11］。雖然對于部分測量誤差能夠進(jìn)行修正或估算，但偏離狀況并不是容易掌握的。而渦街流量計，由于其儀表系數(shù)與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān)，設(shè)計及標(biāo)定時的管道條件與現(xiàn)場管道往往不完全吻合，對儀表系數(shù)的影響較大［12］。
　　目前我國已在煙臺建立有國家蒸汽流量計量站，主要從附近電站引入蒸汽對蒸汽流量計進(jìn)行校準(zhǔn)，使用的方法為冷凝稱重法，但是這種直接測量法也存在一定偏差。其使用的蒸汽與實際測量的蒸汽介質(zhì)溫度、壓力都有一定的差異，譬如校準(zhǔn)介質(zhì)壓力較低，一般僅達(dá)0.3MPa，與大多數(shù)蒸汽流量計的實際工作壓力存在差異;蒸汽流量計需要拆卸送檢，運輸路途較遠(yuǎn)，一方面影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，另一方面經(jīng)過長途運輸?shù)念嶔ず蠛茈y保證校準(zhǔn)后的儀表性能不發(fā)生漂移。因此蒸汽直接校準(zhǔn)法不具有很強的實際可操作性。
　　基于上述現(xiàn)狀，對蒸汽流量計進(jìn)行在線校核成為一種可行的選項，特別是使用時間較長，或者使用者一直對計量值存疑的流量計更是如此。校核的目的在于用某種可行的方式在線檢測實際流量，提供一種參考，從而可以對在用流量計的測量值進(jìn)行對比分析。介紹了超聲波流量計在線校核蒸汽流量計的方法，并對一服裝洗染公司的威爾巴蒸汽流量計進(jìn)行校核，其結(jié)果表明校核的示值誤差在儀表標(biāo)明的精度(1.5%)范圍之內(nèi)，不存在計量超差的問題。超聲波流量計在線校核的方法多用于液體流量，而對于物理性質(zhì)特殊的蒸汽而言僅對過熱蒸汽較為有效，對飽和蒸汽或濕度較大蒸汽時，便會因聲能在不同介質(zhì)傳遞中的衰減而受到嚴(yán)重影響，甚至不能有效讀取數(shù)據(jù)。因此這種方法應(yīng)用范圍有限，且需要滿足足夠長穩(wěn)流段條件。
　　鑒于國內(nèi)暫時沒有成熟的在線檢定或校準(zhǔn)蒸汽流量計的方法，探索在線校核蒸汽流量計的方法顯得尤為必要。
2水汽質(zhì)量平衡方程
　　一種鍋爐主蒸汽流量計的在線校核方法，基本思路是采用水汽質(zhì)量平衡法，提出以更高精度等級的水流量為標(biāo)準(zhǔn)參考量，在鍋爐運行中在線校準(zhǔn)主蒸汽流量計示值，提高飽和蒸汽流量計測量精度。
　　圖1為工業(yè)常見的燃?xì)忮仩t水汽系統(tǒng)示意圖，所有蒸汽鍋爐的給水均來自一個給水水箱，使用電磁流量計計量。鍋爐排污水通過匯集后由一電磁流量計計量，鍋爐蒸汽匯集后由主蒸汽流量計計量。

　　該類型燃?xì)忮仩t為貫流式，無汽包，給水從下集箱進(jìn)入，在上升管中受熱蒸發(fā)后蒸汽從上集箱流出，其蒸發(fā)示意圖如圖2所示。

　　將水冷壁上升管中水位線與管壁圍成的介質(zhì)區(qū)域作為控制體!，控制體的進(jìn)口介質(zhì)為上升管給水Mj，出口介質(zhì)為產(chǎn)生的蒸汽Mq。并作如下穩(wěn)定工況假設(shè):在t時間內(nèi)，鍋爐運行中、汽水系統(tǒng)各管道中流體介質(zhì)連續(xù)流動;鍋爐水位線保持穩(wěn)定不變;鍋爐上集箱內(nèi)壓力恒定;下集箱的給水壓力、給水溫度恒定。則根據(jù)控制體汽水質(zhì)量變化可得如下關(guān)聯(lián)式:

　　式中:Mj為給水質(zhì)量流量，kg/s;為控制體!內(nèi)流體質(zhì)量在t時間內(nèi)的變化量，kg/s;Mq為進(jìn)入到水位線上方，蒸汽出口管引出的帶有濕度的飽和蒸汽質(zhì)量流量，kg/s。
　　分析產(chǎn)汽過程可知，鍋爐運行中，汽水系統(tǒng)流體介質(zhì)連續(xù)流動中，屬定壓飽和蒸汽過程，飽和蒸汽溫度與飽和水的溫度均不變。則t時間內(nèi)，控制體!內(nèi)生產(chǎn)的蒸汽汽泡體積和汽泡密度不變，即汽泡質(zhì)量不變。水位線不變時，控制體下的總體積恒定，且控制體!內(nèi)的汽泡體積不變，則控制體!內(nèi)液態(tài)水體積不變。又因給水壓力、給水溫度、蒸汽壓力恒定時，控制體!內(nèi)液態(tài)水的密度是不變的，則控制體!內(nèi)的液態(tài)水質(zhì)量恒定。即t時間內(nèi)控制體!內(nèi)的液態(tài)水質(zhì)量、汽泡質(zhì)量均不變，即=0。則式(1)可變換為:
　　式(2)反應(yīng)出鍋爐在某一穩(wěn)定不變的給水壓力、給水溫度下，在水位線位置不變、蒸汽壓力恒定的鍋爐運行工況控制體內(nèi)，給水質(zhì)量流量與產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量流量相等。同理可推斷，若控制體擴(kuò)展為包括下集箱、上升管和上集箱的控制體后，由式(2)可得:
V=G0－G1(3)
　　式中:G0為給定時間t內(nèi)通過給水流量計的累計質(zhì)量流量，kg;G1為通過鍋爐排污水流量計的累計質(zhì)量流量，kg;V為鍋爐主蒸汽的累計質(zhì)量流量，kg。
　　式(3)表示在穩(wěn)定工況控制條件下，相同時間里，一個以下集箱給水質(zhì)量流量為進(jìn)口，以上集箱蒸汽質(zhì)量流量和排污水量為出口的閉式連續(xù)流動貫流式鍋爐汽水系統(tǒng)，系統(tǒng)輸送出的蒸汽質(zhì)量流量等于進(jìn)入該系統(tǒng)的給水質(zhì)量流量扣除流出該系統(tǒng)的排污水質(zhì)量流量，這就是穩(wěn)定工況控制條件下的鍋爐水汽質(zhì)量平衡方程。
3蒸汽在線校核方法
3.1在線校核可行性
　　液態(tài)的水進(jìn)入鍋爐后經(jīng)過受熱蒸發(fā)變成汽態(tài)的蒸汽，僅是水的兩種不同形態(tài)及不同狀態(tài)參數(shù)的轉(zhuǎn)變，這為利用水汽質(zhì)量平衡方程測量鍋爐主蒸汽流量計的質(zhì)量流量提供了物質(zhì)條件。因此，探討利用較高精度等級的給水流量和排污流量在工業(yè)現(xiàn)場在線校準(zhǔn)蒸汽流量計示值的方法，在理論上是可行的。水流量測量技術(shù)成熟、操作方便、測量精度有保證，可作為校核蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)參考。按照校準(zhǔn)原則，鍋爐給水流量計和排污流量計的精度等級需要選擇較高等級的流量計。結(jié)合鍋爐現(xiàn)場，推薦0.5級的電磁流量計作為在線校核標(biāo)準(zhǔn)表使用，即可滿足校核的需求。
3.2在線校核條件
　　工業(yè)現(xiàn)場校核時，為了確保校核的準(zhǔn)確性，鍋爐運行需要滿足以下條件［13］:
1)確保鍋爐汽水系統(tǒng)是獨立系統(tǒng)，停止化學(xué)取樣水、加藥水等操作。鍋爐各閥門嚴(yán)密無泄漏;
2)鍋爐工況參數(shù)基本穩(wěn)定，避免較大的波動，如燃?xì)夤��?yīng)穩(wěn)定，以減少燃燒調(diào)整的影響。不允許出現(xiàn)干擾鍋爐工況的任何操作，如安全閥啟跳、鍋爐負(fù)荷調(diào)整等操作。通過控制系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)有排污水流出變化時，相應(yīng)提高給水流量，確保上升管中汽液界面維持穩(wěn)定。鍋爐主要熱力參數(shù)波動值不超過表1推薦的允許值。

3.3在線校核步驟
　　鍋爐穩(wěn)定運行一段時間后，同時測量給水流量、排污水流量和蒸汽流量，得到一定參數(shù)下的給水流量與排污水流量之差(G0－G1)與蒸汽流量V之間的比例系數(shù)f，以獲得蒸汽流量計的修正值V'。如此通過較高精度等級的給水流量傳遞到蒸汽流量計示值，達(dá)到在線校核目的，校核量值傳遞示意圖見圖3。

鍋爐主蒸汽流量計在線校核可分為以下三個步驟完成:
1)根據(jù)主蒸汽流量計的量程或常用計量范圍，選取多個流量校核點i。每個流量點讀取數(shù)據(jù)不少于3次，取平均值得到每個流量點的(G0－G1)和V;
2)計算各流量點i的比例系數(shù)fi:
fi=(G0i－G1i)/Vi(4)
3)修正蒸汽流量示值。用流量比例系數(shù)fi擬合修正蒸汽流量計示值。若各流量點的比例系數(shù)fi接近線性時可按權(quán)重求一個共同的流量比例系數(shù)f，修正蒸汽流量計示值。
3.4不確定度來源分析
　　考慮到工況參數(shù)壓力、溫度的波動引起介質(zhì)密度、流速的變化帶來的不確定度分量，已包含在介質(zhì)質(zhì)量流量的重復(fù)性條件下所得測量列中，則主要不確定度分量來源如下:
1)標(biāo)準(zhǔn)表本身精度等級帶來的不確定度分量ubzb;
2)鍋爐汽水系統(tǒng)不明泄漏帶來的不確定度分量uxl;
3)儀表的測量重復(fù)性帶來的不確定度分量ucfx;
4)上升管中水位計讀數(shù)帶來的不確定度分量uswj;
5)水位波動引起的液態(tài)水與蒸汽之間變化的不確定度分量uswb。
　　示值誤差的各項不確定分量通過查資料或計算可得，各不確定度分量彼此不相關(guān)，則可得相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

擴(kuò)展因子k=2時的相對擴(kuò)展不確定度:
Ur=2ur(5)
4結(jié)論
　　針對工業(yè)燃?xì)忮仩t主蒸汽流量計現(xiàn)場無成熟的檢定或校準(zhǔn)方法，而實驗室校準(zhǔn)需要停產(chǎn)拆卸送檢，企業(yè)普遍對蒸汽流量計計量準(zhǔn)確性存疑的現(xiàn)象，提出了一種針對鍋爐主蒸汽流量計在線校核的方法。此方法是基于穩(wěn)定工況控制條件下鍋爐水汽質(zhì)量平衡方程，采用精度等級較高的給水流量和排污水流量動態(tài)在線校準(zhǔn)主蒸汽流量計示值。鍋爐主蒸汽流量計示值的在線校核可以快速判斷工業(yè)現(xiàn)場蒸汽計量的正確率，免去了拆卸送檢的麻煩，在保證儀器性能、提高經(jīng)濟(jì)效益方面可以發(fā)揮重要的作用。

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