供熱流量偏差的分析與處理 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
作者：范正勇1 蓋新華2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
單位：1.連云港市財政局 2.江蘇新海發電有限公司 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
【摘要】供熱出口端的流量與用戶進口端的流量間存在偏差，這是很多供熱企業都遇到并深受其困擾的問題。新海發電有限公司為解決供熱流量偏差的問題做了很多工作并取得了明顯效果。本文分析了供熱流量測量系統常用的孔板式流量計和渦街流量計間出現測量偏差的原因，探討了減少偏差的思路和措施，介紹了取得的成效和今后的打算，相信其中的一些看法和體會對有相同問題的企業有一定的借鑒作用。 【關鍵詞】供熱流量計 偏差 1 概況 江蘇新海發電有限公司位于江蘇省連云港市海州區，總裝機容量110MW。為了實現集中供熱，控制鍋爐灰塵排放量的目標，該公司在完成繁重的生產任務同時，還向東線發酵廠、西線啤灑廠和麥芽廠、北線雙菱和德邦集團等用戶供熱（各用戶的供熱參數見表一）。為計量對外供汽的流量，新海發電有限公司在廠內東、西、北三條供汽管線上都裝有孔板式流量計。2004年上半年按照到戶計量的要求，各用戶又在本單位供熱蒸汽管線入口端裝設了青島旭光儀表公司生產的LUGB型渦街流量計，作為用戶的結算儀表。但是當用戶端渦街流量計投用后發現，渦街流量計的指示值均低于供熱端孔板式流量計，偏差一般在25%以上。其中尤以東線和西線嚴重，有時高達40%，甚至超過50%。如此大的偏差深深地困擾著新海發電有限公司，由此造成的可觀的經濟損失更使新海發電有限公司焦慮不安。 表一 各熱用戶供熱設計參數
為查清供熱蒸汽量測量方面存在問題的根源，提高計量檢測精度，減少經濟損失，新海發電有限公司下決心解決供熱流量偏差的問題，他們與相關單位合作共同進了行攻關研究。經過一年多時間的努力取得了一定成效，目前已經將東線和西線供熱流量的偏差基本穩定在了15%左右。 2 負荷和測量裝置的特點 2.1 定義 供熱流量偏差在本文主要是指供熱端和用戶端蒸汽流量計測量數值的差值，供熱流量偏差=（出口端流量-入口端流量）/出口端流量×100%。一般情況下，該偏差應該在一個合理的范圍內，但存在于新海發電有限公司與東、西線用戶間的流量偏差明顯是不正常的。 2.2 用戶特點 為了查清偏差反常的原因，新海發電有限公司收集了東、西線大量的供熱數據，這些數據揭示出，間歇性和波動大是東、西線熱負荷的共同特點，這種特點鮮明的表現在圖一、圖二和附圖的曲線中。根據數據統計，東、西線負荷一般都在1-20t/h范圍內變化，其中東線瞬間最大用汽量能達到25t/h左右；西線麥芽廠用汽量約1-3t/h，啤酒廠用汽量約2-15t/h，西線最大用汽瞬間可達25t/h左右；東線供熱流量偏差約35%-45%左右，西線供熱流量偏差約35%-60%左右。鑒于東、西線流量偏差問題嚴重，故新海發電有限公司把東、西線作為攻關的重點。 在一年多的時間里，通過深入研究流量計誤差原理，使用數據跟蹤分析和比對試驗等措施和手段，新海發電有限公司有的放矢的對東、西線進行了整治，已經取得了成效。 圖一 2004年7月11日西線熱負荷變化曲線 圖二 2004年8月6日西線熱負荷變化曲線 2.3 流量測量裝置特點 a 孔板式流量計 當蒸汽通過孔板節流件時將產生壓差，其大小與通過孔板的蒸汽流速和蒸汽密度有關，通過孔板的質量流量與壓差和介質密度乘積的平方根成正比。因蒸汽的密度與其壓力和溫度有關，故必須檢測蒸汽的溫度和壓力，計算出對應的密度，求出對應的實際的蒸汽量。 孔板式流量計已有百余年的歷史，有技術最為成熟，在發電廠應用業績最多、使用經驗最為豐富的優勢，廣泛應用于多種介質的在線鑒定試驗或流量測量。但是受限于流量與壓差和介質密度乘積的平方根成正比的關系，孔板式流量計的量程比偏小（3:1或4:1）。 b 渦街流量計 渦街流量計是根據流體繞流阻流體后其尾流的兩側產生對渦(即卡門渦街)原理設計的，在一定雷諾數下，旋渦的釋放頻率僅與流速成正比。該流量計通過尾流脈動力或噪音等機械運動與電信號的轉換，將渦流轉變為標準頻率信號輸出，再由二次儀表將頻率信號計算出對應的流速、容積流量。對于質量流量的測量，渦街流量計必須根據來流的壓力和溫度(測點應在儀表前)，計算出對應狀態下流體的密度，容積流量與密度的乘積即得質量流量。 渦街流量計是近十多年快速發展的新型流量測量儀表，有流動阻力損失小、量程比大（10:1）、安裝方便等優點，廣泛應用于多種介質容積流量和質量流量測量。但是，由于孔板流量計的顯示值與介質密度的平方根成正比，而渦街流量計的顯示值與介質密度成正比，故渦街流量計的測量精度受密度變化的影響大于孔板流量計。 3 流量測量偏差的分析與處理 在導致流量偏差的原因中，“跑、冒、滴、漏”造成的管損（介質損耗）是一個重要因素。但是在新海發電有限公司規范的設備檢修制度的管理下，到目前為止還沒有發現影響計量的管損，故管損對流量偏差的影響應該排除。而以下因素則是造成供熱流量偏差的主要原因： 3.1 小流量因素的影響 3.1.1 分析 新海發電有限公司分析了大量數據后認為，忽視量程比（儀表或裝置能校準到規定精確度等級內的最大量程與最小量程之比）對測量精度的影響應該是造成流量測量偏差的重要原因，當流量測量裝置工作在最小量程以下時，測量誤差將明顯增大。 ａ．孔板式流量計對于壓差測量的精度不僅受限于孔板的加工和安裝精度，而且還與測量壓差設備的精度有關。據資料介紹，即使加工和安裝均符合要求，并采用高精度差壓變送器，在低于最小量程范圍工作時的相對誤差將達到10%左右。 b．渦街流量計在最小量程范圍和不穩定流動工況下工作時，盡管旋渦脫離的頻率仍與流速成正比，但因旋渦脫離所釋放的能量不等，少數旋渦達不到檢測閾值，使渦街流量計測量值低于實際值，將造成小流量時很大的測量誤差（10%左右）。 渦街流量計在不同參數下的最大量程見表二，東、西線孔板式流量計的最大量程見表三。 表二 不同管徑、參數下渦街流量計的最大流量（t/h）
表三 供熱出口端流量計的最大流量
a、東線用戶端渦街流量計的最小程是3.3--4.2t/h，東線供汽端孔板式流量計的最小量程為6—8t/h之間； b、西線麥芽廠渦街流量計最小量程為2.1—2.7t/h，啤酒廠最小量程為3.3--4.2t/h，西線供汽端孔板式流量計的最小量程為8—11t/h。 顯然，西線供熱端和用戶端的流量計有相當多的時間工作在最小量程以下，其中麥芽廠幾乎就是在最小量程以下范圍工作的。從西線瞬間用汽曲線圖（圖三）也能明顯看出西線供熱流量計工作在小量程以下范圍的時間很可觀。因此小流量對西線供熱流量偏差的影響是顯而易見的。同樣，這種影響在東線也存在。 3.1.2 處理 根據以上分析，縮小渦街流量計管徑和孔板式流量計的孔板內徑減小最大量程，是解決高精度供汽量測量的重要手段。 根據上述原則，新海發電有限公司公司決定先行改造西線的孔板式流量計，首先確定了較合理的設計參數：最大流量20t/h，常用流量12t/h，最小流量2t/h，蒸汽壓力0.8Mpa，蒸汽溫度300℃。并以唯一性的要求為原則，重新選擇了安裝孔板的位置。新孔板在04年12月中旬投入運行后，西線供熱流量的偏差逐步下降到20--25%左右，效果較為顯著。 為了進一步減小偏差，經過友好協商，在用戶的大力支持下，麥芽廠于05年4月下旬用內徑φ125的渦街流量計更換了內徑φ200的渦街流量計，此舉又使偏差下降到了15%左右。見圖三。 以上改進取得的成效說明最小量程對流量計計量誤差的影響是真實存在的，不容輕視，選擇恰當的測量范圍，對提高流量計的測量精度至關重要。 3.2 壓力測量的影響 氣體介質的密度隨溫度、壓力變化較大。由理想氣體狀態方程得知，氣體介質的密度正比于壓力(絕對壓力)，反比于絕對溫度(K)。因為絕對溫標是在攝氏溫度上加273，故溫度測量誤差對密度計算的影 圖三 05年5月份西線供熱流量偏差曲線響較小，壓力測量誤差對密度計算的影響較大。因此，測量質量流體的系統對壓力測量要求很高。 對孔板式流量計而言，引進壓力參數是對流經孔板的介質偏離設計參數時蒸汽密度出現的誤差進行修正，保證測量的準確性；對于渦街流量計，壓力測量提供的是由體積流量轉換為質量流量的蒸汽密度。因此蒸汽密度是影響孔板流量計和渦街流量計測量精度的重要因素，但是渦街流量計的測量精度受蒸汽密度變化的影響要大于孔板流量計。所以，可靠的、高性能的壓力測量裝置對渦街質量流量計絕對是關鍵性因素。 為滿足計量的要求，新海發電有限公司內所有對外供熱流量測量系統均選用了美國羅斯蒙特公司3051型電容式壓力變送器，這是一種高精度（0.075%）、高可靠性的壓力測量裝置。用戶使用的是渦街流量計廠家配套的國產擴散硅式壓力變送器，相對于3051型變送器，其可靠性和測量精度都有不小的差距。東、西線用戶數次發生壓力變送器故障并對計量造成影響的事例還說明，渦街傳感器良好的測量精度，并不能保證質量流量的正確性,只有同時保證密度測量的正確性，才能保證渦街質量流量測量的高精度。因此選擇高可靠性和高精度的壓力測量裝置同樣是減少流量測量偏差的重要手段。 除了壓力變送器性能對渦街流量計測量精度有決定性影響外，如果壓力變送器取壓閥門工作在節流狀態下，也會因為被測壓力的減小而影響對蒸汽密度的運算，此時的運算結果一定是質量流量被減少了。為加強對壓力測量裝置的管理，在用戶的配合下，新海發電有限公司對三條供熱管線上所有壓力變送器的取壓閥門都采取了封鉛加鎖措施，對可能發生的不規范行為起到了很好的防范作用。在采取封鉛加鎖措施后東線偏差明顯下降，目前已經穩定在15%左右。見圖四。 圖四 05年5月份東線供熱流量偏差曲線 4 下步打算 a．加強與東、西線用戶的協商和溝通，幫助用戶重新選擇合理的流量計量程，說服用戶更換高可靠、高性能壓力變送器。由于西線熱負荷主要由啤酒廠承擔，如果該廠也能按要求對渦街流量計進行縮徑改造，相信西線供熱流量的偏差還會進一步減小，甚至能控制在10%以內。 ｂ．在幫助東線用戶將渦街流量計最大量程降低到合理范圍的同時，把新海發電有限公司東線孔板式流量計的最大量程也減少到18-20t/h，通過這些工作有望將東線供熱偏差也控制在10%以內。 ｃ．為及時發現流量測量系統存在的故障，對供熱系統供熱端和用戶端流量計進行科學、有效的管理是非常必要的。為此，新海發電有限公司計劃對實施“供熱系統流量測量實時監控網絡系統”項目的可行性進行研究。該項目完成后，通過網絡對各流量計的流量、壓力和溫度信號進行實時的監測，由計算機軟件自動地處理供熱端和用戶端流量計的測量偏差，并由壓力、溫度信號分析偏差增大的原因，提出故障流量計的校驗、維修計劃，將大大提高分析和處理流量偏差的效率。 5 體會與看法 a．據了解，被供熱流量偏差問題困擾的不僅僅只有新海發電有限公司，全國還有相當多供熱企業在為這個問題傷腦筋。可見，供熱系統中孔板式流量計和渦街流量計間的測量存在偏差的現象是普遍存在的。這個問題不但提出了蒸汽流量測量工程應用研究的新課題，同時也提醒我們，查清供熱蒸汽量測量方面存在問題的根源，采取科學、合理方法消除測量偏差、提高計量檢測精度，減少由此造成的經濟損失，對供熱企業和熱用戶都有著重要的現實意義。 ｂ．改變選擇流量計最大流量時僅考慮瞬間最大用汽量，并過高估計最大用汽量的習慣做法。不以瞬時最大流量為基準，而以常用流量或最大概率流量做為選擇量程范圍的基準。為此，要準確掌握用戶的負荷參數，合理確定流量測量裝置的最大量程范圍。 ｃ．壓力測量裝置對渦街質量流量計的測量精度有決定性影響，因而選擇高可靠性和高精度的壓力測量裝置是減少流量測量偏差的重要手段，而加強壓力測量裝置的管理對保證流量測量的精度和減少流量偏差同樣是不可缺少的。 ｄ．為規范供熱行業的市場行為，政府主管部門應制定相應的規定和制度，定期或不定期地組織對用于結算的流量測量裝置進行抽查，加強對不規范行為的防范措施，并將結算表計納入強制檢定的范圍，最大限度地減少各方的經濟損失。 參考文獻 [1]Zaki D. Husain，Theoretical uncertainty of orifice flow measurement，www.emersonprocess.com [2]梁國偉、蔡武昌. 流量測量技術及儀表，機械工業出版社，2002年7月 . [3]蔡武昌、孫淮清、紀綱. 流量測量方法和儀表的選用，化學工業出版社，2001年 . [4] www.pc-education.mcmaster.ca/instrumentation/flow.htm，Flow measurement [5]青島青島旭光儀表公司. LUGB型渦街流量計技術規范，2002年. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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