技术文章

1、前言

    蒸汽作为重要的二次能源，广泛用于采暖、制冷、生产工艺用热中作载热工质，所以提高蒸汽的生产、输送及使用效率可以节约大量的能源。准确的计量是提高能源管理水平的关键。由于蒸汽的特殊性，在计量方面存在诸多困难，长期以来一直是流量测量中的老大难问题。2007年1月1日国家标准GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》已经正式实施，在通则的指导之下，逐步建立一套适合我国生产企业特点，具有科学性，经济性，实用性的蒸汽计量仪表的配备方案，是当前能源计量管理的紧迫课题。

    2、蒸汽流量计量面临的问题

    为便于讨论，我们先列出以下标准节流装置的流量方程：

                  （1）

    式中：q_m——蒸汽质量流量，单位kg/s ；
          C ——流出系数；
          d——工作条件下节流件的节流孔或喉部直径，单位 mm；
          ε——可膨胀性系数；
          β——直径比（ β=d/D ）；
          Δp——差压，单位 P_a；
          ρ——工作条件下蒸汽的密度，单位kg/m³

    2.1 关于蒸汽密度问题

    对于蒸汽的流量测量，人们都知道要进行压力和温度补偿，但是由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够，在整个一套测量系统中，往往只重视差压、温度、压力信号的准确与否，并肯花大力气尽量使用高精度的变送器，而忽略了密度在测量中的重要地位。其实这个问题只要看一看节流装置流量方程就非常清楚。

    从式（1）中可以看出差压与密度在测量中是处于同等地位的，然而在实际使用中由于忽视了密度对流量测量的影响，因此往往不重视对密度的认真研究和分析。目前流量类二次显示仪表（系统）中，蒸汽流量密度的计算，大多数采用的是简单的数学表达式或查表法，它们的计算精度是值得怀疑的。

    工程上应用的水蒸汽大多处于刚刚脱离液态或离液态较近，它的性质与理想气体大不相同，应视为实际气体。水蒸汽的物理性质较理想气体要复杂的多，故不能用简单的数学式子加以描述。我国没有制定“水蒸汽热力学性质表”的国家标准，而是采用国外出版物的水蒸汽热力学性质表。第六届水蒸汽性质会议成立的公式化委员会IFC（International Formulation Committee）制定了用于计算水和水蒸汽热力性质的IFC公式，并在此基础上不断制定新的计算公式，为大家所熟悉的就是“工业用1967年IFC公式”（简称IFC-67公式）。我国曾翻译过美国的、前苏联的、西德的水蒸汽热力学性质表，不管是哪个国家的水蒸汽性质表，凡符合IFC1967公式的数表，都是正确的。目前我国有关的规程已引用了该公式。

    随着工程技术以及科学研究水平的不断提高，对水和水蒸汽热力性质计算精度和速度要求不断提高，IFC-67公式存在的诸如计算精度低、计算迭代时间长、适用范围窄的缺陷也就越来越明显起来。因此，在1997年德国Erlangen召开的水和水蒸汽性质联合会（IAPWS）通过并发表了由德、俄、英、加等7国12位科学家组成的联合研究小组提出的一个全新的水和水蒸汽计算模型，即IAPWS-IF97公式。这两公式在使用范围、区域划分、计算精度上也有一定区别，但在工业蒸汽流量测量常用范围内（温度0℃--600℃，压力0.1MPa—5MPa）,两公式计算结果偏差极小。

    2.2 关于宽量程的问题

    我们都知道，一般仪表的准确度等级都是用引用误差表示的，而引用误差是一种简化的和实用方便的相对误差，是仪表在量程处的相对误差。因此当测量值越接近满度值，其度才越高。但在蒸汽流量计量中，尤其是蒸汽输送场合，实际的流量范围往往无法准确确定，实际上流量计往往工作在量程的下限，甚至超出量程下限，这样就造成了相对误差变大的后果。因此在设计蒸汽流量计量系统时，应考虑使用宽量程的流量计或具有宽量程补偿的系统。

    智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计算机的问世，使我们能拥有宽量程的智能化节流式流量计成为可能。归纳起来它应具备三个条件：1.智能化的宽量程差压变送器（差压范围为100：1）。2.差压变送器与流量计算机之间数字通讯（Hart协议）除能满足全量程差压信号传递的准确性，而且能够自动迁移测量范围。3.流量计算机不仅可根据温度、压力等工况参数对工况流量进行修正，还可以实时计算流出系数C、流速可膨胀性系数ε等。符合上述条件的宽量程智能化差压式流量计，在满足准确度同时，流量测量范围可真正达到10：1（或更宽），节流式流量计的这一飞跃是多项技术进步的成果，它改变着人们对节流式流量计的传统认识。

    2.3 关于能量计量问题

    热能是一个状态参数，不同状态、等质量的蒸汽含有的热能相差很大。例如：在压力为0.8Mpa、温度为200℃的条件下的过热蒸汽，每公斤所含的热能为2838.6千焦；在压力0.8Mpa温度为220℃的条件下的过热蒸汽，每公斤所含的热能为2884.2千焦，二者相差1.6%。所以，以质量为蒸汽的结算单位不能真实反映蒸汽的价值。针对上述情况，以能量作为蒸汽的结算单位，已不仅是学术界的共识，而且也得到了广大蒸汽的生产和使用单位的响应，呼吁国家出台相关标准以进一步科学的规范蒸汽计量，并考虑到人们多年使用蒸汽质量为交结单位的习惯，作为一种过渡，仍应保留以质量为蒸汽结算单位。改动贸易计量单位是一个较复杂的问题，但先在企业内部推行蒸汽的能量计量在技术层面上是可行的，在管理层面将是一项十分有益的实践。

    2.4 关于现有系统改造的问题

    目前企业的生产装置自动化水平越来越高，多数采用DCS或PLC系统作为监视和控制系统，企业的计量点也多融入到整个系统中。在这些系统中，对于蒸汽流量的补偿计算模型在软件程序上是存在不足的，如果修改这些系统的程序存在着技术力量限制和影响整个系统实时性、整体性、安全性的危险，大多数企业是不愿意动DCS的程序的。因此，在计量改造中，我们需要找到一种既能满足计量准确的要求，又不破坏整个仪表控制系统框架，与DCS或PLC有很好融合性，适合于数据上网的方案。

    3、蒸汽流量计量仪表配备方案

    3.1 我们应该有一个什么样的蒸汽计量系统？

    要做好蒸汽计量，我们首先应该回答“我们应该有一个什么样的蒸汽计量系统？”这样一个问题。我们认为，一个合理、*的蒸汽计量系统应该具有以下特征：

    （1）现场仪表符合准确度要求、免维护、故障率低，稳定性好（检定周期可以较长）。
    （2）补偿完善且补偿的算法符合相关标准。
    （3）具有能量计量的功能。
    （4）具有较宽的量程。
    （5）具有历史数据存储、事件报警等管理功能。
    （6）便于实现网络化。

    3.2 一次仪表配备方案

    我们推荐的蒸汽流量计量一次仪表是YJLB一体化喷嘴流量计，并配套温度、压力变送器进行温度、压力补偿。

    节流式流量计在蒸汽计量中占有重要的地位。节流式流量计技术成熟，特别是标准节流装置按标准（ISO5167-2003E、GB/T2624-1993）设计、制造就无须实流标定，是其它流量计*的。在蒸汽测量研究上，国内外学者用标准节流装置进行了大量的试验，给出了修正的数学模型，所以采用标准节流装置测量蒸汽有明显的*性。实际上，目前我国占蒸汽用表90%以上的仍采用标准孔板节流装置。因此我们采用标准节流装置。之所以选则喷嘴而不是孔板，原因如下：

    标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化，据悉国内有关部门曾对新装孔板进行跟踪校验，在孔板连续使用2—3个月时，钝化引起流出系数偏度在1—3%，各别严重的在4%以上，这已引起了人们的高度重视。目前，解决标准孔板钝化问题的方法是采用标准喷嘴，由于喷嘴的入口为光滑曲面，不易磨损（见图1）。它的流出系数非常稳定，所以JJG640-94规程规定ISA1932喷嘴的检定周期为4年。再者，喷嘴在相同流量和相同β值条件下，阻力损失比孔板小得多（仅为孔板的50-60%），长期运行情况表明，由于喷嘴在结构上的优势具有耐冲击抗变形的优点，适应于高温、高压、高流速介质。

    节流式流量计的系统构成比较复杂，有较长的引压管，容易阻塞，冬季运行还需对引压管、冷凝系统进行保温、伴热，稍有不慎便造成故障，且仪表的维护工作量大。YJLB一体化喷嘴（见图2）很好的解决了上述问题，一体化喷嘴是将节流件和差压变送器做成一体，并装有防冻隔离器（号：ZL200520127402.4），不仅缩短了引压管线，还省去了冷凝和排污系统，使系统构成简单，无需保温供热，在减少维护量的同时，也节省了能源。

    YJLB一体化喷嘴的特点：

    ◆ 采用标准节流件，测量准确度有依据；
    ◆ 防冻隔离技术，冬季运行无须伴热，维护量少；
    ◆ 喷嘴节流件阻力损失小（同样流量下为相同β值孔板的60%左右）；
    ◆ 没有孔口钝化的问题，耐冲击不易变形，系数稳定，检定周期长（4年）；
    ◆ 配置智能型差压变送器，流量测量范围度可达10：1或更宽；
    ◆ 安装简便。

    3.3 二次仪表及数据网络配备方案

    我们推荐的蒸汽流量计量二次仪表是FC2000-1AEG流量转换单元（见图2）。

    FC2000-IAEG流量计算转换单元是一款概念的网络化流量计量设备。其采用仪表柜架装的结构型式，对现场的流量相关信号进行采集、补偿运算后通过RS232/485串口、以太网口等接口进行网络通讯，同时还具有温度、压力、补偿流量等4-20mA信号输出功能。该流量计算转换单元可方便地实现远程监督管理、建立集散型计量管理网络，在DCS、PLC系统中植入高精度流量运算环节等功能。

    FC2000-IAEG具有以下优点：
    ◆ 依据有关标准与建议、国家与行业标准，针对不同介质和流量计类型建立了多种数学模型和相应计算软件，可以计算蒸汽能量流量。
    ◆ 对节流式流量计的流出系数C、流束可膨胀系数ε等参数作为动态量进行实时逐点运算以实现宽量程。
    ◆ 具有温度、压力、补偿流量等4-20mA信号隔离输出功能，可将温度、压力信号回送给DCS使用。
    ◆ 具有历史数据存储、报警记录、仪表断电、修改参数设置等审计记录功能，即使网络系统发生故障流量计量数据也会存储在其中不至于丢失。
    ◆ 仪表柜架装的安装方式，不用再在仪表盘开孔安装，节省仪表柜空间。
    ◆ FC2000-IAEG所使用的流量计算软件已通过国家部门认证。

    FC2000-IAEG在DCS、PLC系统中植入高精度流量运算环节的应用

    目前多数石化、化工、冶金生产装置的控制监视系统采用DCS或PLC，流量计量点也必须引入其中，但DCS和PLC功能着重于监视和控制，它们在流量高精度的运算上的功能相对欠缺，都采用简化公式进行流量补偿计算。如果让DCS或PLC进行复杂的流量补偿计算，不仅会使组态编程十分复杂，且会大大增加DCS的负担。使用FC2000-IAE（G）流量计算转换单元可以方便地将高精度流量运算环节植入到DCS、PLC系统中。FC2000-IAE（G）流量计算转换单元可以通过通讯接口（RS485、RS232或以太网）将工况温度、压力、补偿后的流量数字信号传给DCS或PLC中；也可以通过FC2000-IAE（G）的多路隔离模拟输出端口将工况温度、压力、补偿后流量的4-20mA信号传给DCS或PLC的模拟输入端口，如下图：

    4、蒸汽流量计量网络实例

    一次仪表采用YJLB一体化喷嘴流量计；二次仪表采用FC2000-1A/1AD流量计算机或FC2000-1AEG流量转换单元以独立或组合的方式构成的蒸汽计量系统在北京燕山石化、天津石化、齐鲁石化、荆门石化、石家庄炼油厂、沧州炼油厂、仪征化纤、湖北化肥厂等企业中得到了应用。

    该蒸汽计量方案还成功应用到了江苏索普（集团）公司的蒸汽能量计量网络系统。该系统实现了在公司内部的蒸汽能量计量数据网络化，蒸汽质量与能量计量并存。其系统构成如下：

    ● 流量计采用YJLB一体化喷嘴流量计，配备温度传感器、压力变送器。

    ● 二次仪表采用FC2000-1A/1AD流量计算机和FC2000-1AEG流量转换单元。FC2000-1A/1AD用在有独立计量仪表盘的计量点。FC2000-1AEG用在DCS控制系统中，再需要时，它可以将温度、压力信号再输出给DCS。它们都可以计算蒸汽能量流量。

    ● FC2000-1A/1AD流量计算机和FC2000-1AEG流量转换单元通过以太网接口接入企业的局域网。

    ● 上位机系统按照Client-Server模式构造，中心服务器中安装我公司FcLinker流量数据远程采集软件，完成对接口机数据的采集，并将数据存储于数据库中。

    ● 将采集管理服务器获得的数据以Web页的方式通过Web服务器在企业局域网（Ethernet）上进行发布，包括瞬时数据工艺网页、瞬时数据表网页、历史查询网页，每个挂载的终端都可以利用浏览器（如：Windows操作系统自带的Internet Explorer等）来查看。

    系统图：