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(cái)政局 2.江蘇新海發(fā)電有限公司 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
【摘要】供熱出口端的流量與用戶進(jìn)口端的流量間存在偏差，這是很多供熱企業(yè)都遇到并深受其困擾的問題。新海發(fā)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(tǒng)常用的孔板式流量計(jì)和渦街流量計(jì)間出現(xiàn)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(huì)對(duì)有相同問題的企業(yè)有一定的借鑒作用。 【關(guān)鍵詞】供熱流量計(jì) 偏差 1 概況 江蘇新海發(fā)電有限公司位于江蘇省連云港市海州區(qū)，總裝機(jī)容量110MW。為了實(shí)現(xiàn)集中供熱，控制鍋爐灰塵排放量的目標(biāo)，該公司在完成繁重的生產(chǎn)任務(wù)同時(shí)，還向東線發(fā)酵廠、西線啤灑廠和麥芽廠、北線雙菱和德邦集團(tuán)等用戶供熱（各用戶的供熱參數(shù)見表一）。為計(jì)量對(duì)外供汽的流量，新海發(fā)電有限公司在廠內(nèi)東、西、北三條供汽管線上都裝有孔板式流量計(jì)。2004年上半年按照到戶計(jì)量的要求，各用戶又在本單位供熱蒸汽管線入口端裝設(shè)了青島旭光儀表公司生產(chǎn)的LUGB型渦街流量計(jì)，作為用戶的結(jié)算儀表。但是當(dāng)用戶端渦街流量計(jì)投用后發(fā)現(xiàn)，渦街流量計(jì)的指示值均低于供熱端孔板式流量計(jì)，偏差一般在25%以上。其中尤以東線和西線嚴(yán)重，有時(shí)高達(dá)40%，甚至超過50%。如此大的偏差深深地困擾著新海發(fā)電有限公司，由此造成的可觀的經(jīng)濟(jì)損失更使新海發(fā)電有限公司焦慮不安。 表一 各熱用戶供熱設(shè)計(jì)參數(shù)
為查清供熱蒸汽量測量方面存在問題的根源，提高計(jì)量檢測精度，減少經(jīng)濟(jì)損失，新海發(fā)電有限公司下決心解決供熱流量偏差的問題，他們與相關(guān)單位合作共同進(jìn)了行攻關(guān)研究。經(jīng)過一年多時(shí)間的努力取得了一定成效，目前已經(jīng)將東線和西線供熱流量的偏差基本穩(wěn)定在了15%左右。 2 負(fù)荷和測量裝置的特點(diǎn) 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(jì)測量數(shù)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(yīng)該在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，但存在于新海發(fā)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(diǎn) 為了查清偏差反常的原因，新海發(fā)電有限公司收集了東、西線大量的供熱數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)揭示出，間歇性和波動(dòng)大是東、西線熱負(fù)荷的共同特點(diǎn)，這種特點(diǎn)鮮明的表現(xiàn)在圖一、圖二和附圖的曲線中。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，東、西線負(fù)荷一般都在1-20t/h范圍內(nèi)變化，其中東線瞬間最大用汽量能達(dá)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(dá)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(yán)重，故新海發(fā)電有限公司把東、西線作為攻關(guān)的重點(diǎn)。 在一年多的時(shí)間里，通過深入研究流量計(jì)誤差原理，使用數(shù)據(jù)跟蹤分析和比對(duì)試驗(yàn)等措施和手段，新海發(fā)電有限公司有的放矢的對(duì)東、西線進(jìn)行了整治，已經(jīng)取得了成效。 圖一 2004年7月11日西線熱負(fù)荷變化曲線 圖二 2004年8月6日西線熱負(fù)荷變化曲線 2.3 流量測量裝置特點(diǎn) a 孔板式流量計(jì) 當(dāng)蒸汽通過孔板節(jié)流件時(shí)將產(chǎn)生壓差，其大小與通過孔板的蒸汽流速和蒸汽密度有關(guān)，通過孔板的質(zhì)量流量與壓差和介質(zhì)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(guān)，故必須檢測蒸汽的溫度和壓力，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的密度，求出對(duì)應(yīng)的實(shí)際的蒸汽量。 孔板式流量計(jì)已有百余年的歷史，有技術(shù)最為成熟，在發(fā)電廠應(yīng)用業(yè)績最多、使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于多種介質(zhì)的在線鑒定試驗(yàn)或流量測量。但是受限于流量與壓差和介質(zhì)密度乘積的平方根成正比的關(guān)系，孔板式流量計(jì)的量程比偏?。?:1或4:1）。 b 渦街流量計(jì) 渦街流量計(jì)是根據(jù)流體繞流阻流體后其尾流的兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)渦(即卡門渦街)原理設(shè)計(jì)的，在一定雷諾數(shù)下，旋渦的釋放頻率僅與流速成正比。該流量計(jì)通過尾流脈動(dòng)力或噪音等機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將渦流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸出，再由二次儀表將頻率信號(hào)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的流速、容積流量。對(duì)于質(zhì)量流量的測量，渦街流量計(jì)必須根據(jù)來流的壓力和溫度(測點(diǎn)應(yīng)在儀表前)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)狀態(tài)下流體的密度，容積流量與密度的乘積即得質(zhì)量流量。 渦街流量計(jì)是近十多年快速發(fā)展的新型流量測量儀表，有流動(dòng)阻力損失小、量程比大（10:1）、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多種介質(zhì)容積流量和質(zhì)量流量測量。但是，由于孔板流量計(jì)的顯示值與介質(zhì)密度的平方根成正比，而渦街流量計(jì)的顯示值與介質(zhì)密度成正比，故渦街流量計(jì)的測量精度受密度變化的影響大于孔板流量計(jì)。 3 流量測量偏差的分析與處理 在導(dǎo)致流量偏差的原因中，“跑、冒、滴、漏”造成的管損（介質(zhì)損耗）是一個(gè)重要因素。但是在新海發(fā)電有限公司規(guī)范的設(shè)備檢修制度的管理下，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)影響計(jì)量的管損，故管損對(duì)流量偏差的影響應(yīng)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(fā)電有限公司分析了大量數(shù)據(jù)后認(rèn)為，忽視量程比（儀表或裝置能校準(zhǔn)到規(guī)定精確度等級(jí)內(nèi)的最大量程與最小量程之比）對(duì)測量精度的影響應(yīng)該是造成流量測量偏差的重要原因，當(dāng)流量測量裝置工作在最小量程以下時(shí)，測量誤差將明顯增大。 ａ．孔板式流量計(jì)對(duì)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(shè)備的精度有關(guān)。據(jù)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(shí)的相對(duì)誤差將達(dá)到10%左右。 b．渦街流量計(jì)在最小量程范圍和不穩(wěn)定流動(dòng)工況下工作時(shí)，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(shù)旋渦達(dá)不到檢測閾值，使渦街流量計(jì)測量值低于實(shí)際值，將造成小流量時(shí)很大的測量誤差（10%左右）。 渦街流量計(jì)在不同參數(shù)下的最大量程見表二，東、西線孔板式流量計(jì)的最大量程見表三。 表二 不同管徑、參數(shù)下渦街流量計(jì)的最大流量（t/h）
表三 供熱出口端流量計(jì)的最大流量
a、東線用戶端渦街流量計(jì)的最小程是3.3--4.2t/h，東線供汽端孔板式流量計(jì)的最小量程為6—8t/h之間； b、西線麥芽廠渦街流量計(jì)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(jì)的最小量程為8—11t/h。 顯然，西線供熱端和用戶端的流量計(jì)有相當(dāng)多的時(shí)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(jì)工作在小量程以下范圍的時(shí)間很可觀。因此小流量對(duì)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(jù)以上分析，縮小渦街流量計(jì)管徑和孔板式流量計(jì)的孔板內(nèi)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(jù)上述原則，新海發(fā)電有限公司公司決定先行改造西線的孔板式流量計(jì)，首先確定了較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)：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(yùn)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(jìn)一步減小偏差，經(jīng)過友好協(xié)商，在用戶的大力支持下，麥芽廠于05年4月下旬用內(nèi)徑φ125的渦街流量計(jì)更換了內(nèi)徑φ200的渦街流量計(jì)，此舉又使偏差下降到了15%左右。見圖三。 以上改進(jìn)取得的成效說明最小量程對(duì)流量計(jì)計(jì)量誤差的影響是真實(shí)存在的，不容輕視，選擇恰當(dāng)?shù)臏y量范圍，對(duì)提高流量計(jì)的測量精度至關(guān)重要。 3.2 壓力測量的影響 氣體介質(zhì)的密度隨溫度、壓力變化較大。由理想氣體狀態(tài)方程得知，氣體介質(zhì)的密度正比于壓力(絕對(duì)壓力)，反比于絕對(duì)溫度(K)。因?yàn)榻^對(duì)溫標(biāo)是在攝氏溫度上加273，故溫度測量誤差對(duì)密度計(jì)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(duì)密度計(jì)算的影響較大。因此，測量質(zhì)量流體的系統(tǒng)對(duì)壓力測量要求很高。 對(duì)孔板式流量計(jì)而言，引進(jìn)壓力參數(shù)是對(duì)流經(jīng)孔板的介質(zhì)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)蒸汽密度出現(xiàn)的誤差進(jìn)行修正，保證測量的準(zhǔn)確性；對(duì)于渦街流量計(jì)，壓力測量提供的是由體積流量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量的蒸汽密度。因此蒸汽密度是影響孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)測量精度的重要因素，但是渦街流量計(jì)的測量精度受蒸汽密度變化的影響要大于孔板流量計(jì)。所以，可靠的、高性能的壓力測量裝置對(duì)渦街質(zhì)量流量計(jì)絕對(duì)是關(guān)鍵性因素。 為滿足計(jì)量的要求，新海發(fā)電有限公司內(nèi)所有對(duì)外供熱流量測量系統(tǒng)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(jì)廠家配套的國產(chǎn)擴(kuò)散硅式壓力變送器，相對(duì)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(shù)次發(fā)生壓力變送器故障并對(duì)計(jì)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(zhì)量流量的正確性,只有同時(shí)保證密度測量的正確性，才能保證渦街質(zhì)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(duì)渦街流量計(jì)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(jié)流狀態(tài)下，也會(huì)因?yàn)楸粶y壓力的減小而影響對(duì)蒸汽密度的運(yùn)算，此時(shí)的運(yùn)算結(jié)果一定是質(zhì)量流量被減少了。為加強(qiáng)對(duì)壓力測量裝置的管理，在用戶的配合下，新海發(fā)電有限公司對(duì)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(duì)可能發(fā)生的不規(guī)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(jīng)穩(wěn)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(qiáng)與東、西線用戶的協(xié)商和溝通，幫助用戶重新選擇合理的流量計(jì)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(fù)荷主要由啤酒廠承擔(dān)，如果該廠也能按要求對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行縮徑改造，相信西線供熱流量的偏差還會(huì)進(jìn)一步減小，甚至能控制在10%以內(nèi)。 ｂ．在幫助東線用戶將渦街流量計(jì)最大量程降低到合理范圍的同時(shí)，把新海發(fā)電有限公司東線孔板式流量計(jì)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(nèi)。 ｃ．為及時(shí)發(fā)現(xiàn)流量測量系統(tǒng)存在的故障，對(duì)供熱系統(tǒng)供熱端和用戶端流量計(jì)進(jìn)行科學(xué)、有效的管理是非常必要的。為此，新海發(fā)電有限公司計(jì)劃對(duì)實(shí)施“供熱系統(tǒng)流量測量實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”項(xiàng)目的可行性進(jìn)行研究。該項(xiàng)目完成后，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)各流量計(jì)的流量、壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)地處理供熱端和用戶端流量計(jì)的測量偏差，并由壓力、溫度信號(hào)分析偏差增大的原因，提出故障流量計(jì)的校驗(yàn)、維修計(jì)劃，將大大提高分析和處理流量偏差的效率。 5 體會(huì)與看法 a．據(jù)了解，被供熱流量偏差問題困擾的不僅僅只有新海發(fā)電有限公司，全國還有相當(dāng)多供熱企業(yè)在為這個(gè)問題傷腦筋?？梢?，供熱系統(tǒng)中孔板式流量計(jì)和渦街流量計(jì)間的測量存在偏差的現(xiàn)象是普遍存在的。這個(gè)問題不但提出了蒸汽流量測量工程應(yīng)用研究的新課題，同時(shí)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(xué)、合理方法消除測量偏差、提高計(jì)量檢測精度，減少由此造成的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)供熱企業(yè)和熱用戶都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 ｂ．改變選擇流量計(jì)最大流量時(shí)僅考慮瞬間最大用汽量，并過高估計(jì)最大用汽量的習(xí)慣做法。不以瞬時(shí)最大流量為基準(zhǔn)，而以常用流量或最大概率流量做為選擇量程范圍的基準(zhǔn)。為此，要準(zhǔn)確掌握用戶的負(fù)荷參數(shù)，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(duì)渦街質(zhì)量流量計(jì)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(qiáng)壓力測量裝置的管理對(duì)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(guī)范供熱行業(yè)的市場行為，政府主管部門應(yīng)制定相應(yīng)的規(guī)定和制度，定期或不定期地組織對(duì)用于結(jié)算的流量測量裝置進(jìn)行抽查，加強(qiáng)對(duì)不規(guī)范行為的防范措施，并將結(jié)算表計(jì)納入強(qiáng)制檢定的范圍，最大限度地減少各方的經(jīng)濟(jì)損失。 參考文獻(xiàn) [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(shù)及儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，2002年7月 . [3]蔡武昌、孫淮清、紀(jì)綱. 流量測量方法和儀表的選用，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年 . [4] www.pc-education.mcmaster.ca/instrumentation/flow.htm，F(xiàn)low measurement [5]青島青島旭光儀表公司. LUGB型渦街流量計(jì)技術(shù)規(guī)范，2002年. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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