摘要:闡述了蒸汽計(jì)量現(xiàn)狀以及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的誤差來(lái)源，分析了常用蒸汽流量計(jì)存在的檢定或校準(zhǔn)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上提出了一種鍋爐主蒸汽流量計(jì)的在線校核方法，通過(guò)對(duì)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(shí)的鍋爐運(yùn)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(lái)源。該方法實(shí)現(xiàn)了以精度等級(jí)的水流量為標(biāo)準(zhǔn)參考量，在鍋爐運(yùn)行中在線校準(zhǔn)主蒸汽流量計(jì)示值，提高飽和蒸汽流量計(jì)測(cè)量精度。與實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)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(diǎn)，被廣泛用于當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。蒸汽計(jì)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(yùn)行狀況，且能為實(shí)現(xiàn)熱能的合理分配，熱力系統(tǒng)的最佳運(yùn)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(jì)量越來(lái)越受到用能單位的重視，對(duì)蒸汽計(jì)量技術(shù)提出了更高的要求。流量?jī)x表一直以來(lái)就是能源計(jì)量的重要基礎(chǔ)工具，其使用狀況直接影響著能源計(jì)量的有效性，如何對(duì)使用中的流量?jī)x表進(jìn)行計(jì)量性能評(píng)價(jià)，是當(dāng)前能源計(jì)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(guò)不斷的研究和推廣，已經(jīng)獲得了越來(lái)越多的企業(yè)和計(jì)量機(jī)構(gòu)認(rèn)可［2－4］。而由于蒸汽狀態(tài)復(fù)雜和其獨(dú)特的物理特性使得蒸汽流量計(jì)現(xiàn)階段很難開展在線檢定和校準(zhǔn)的工作，國(guó)內(nèi)外普遍沒(méi)有可行的解決辦法。因此，如何提高蒸汽計(jì)量的精度，快速獲取準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，有效加強(qiáng)蒸汽計(jì)量管理，需要計(jì)量行業(yè)給予更多的關(guān)注。
1蒸汽計(jì)量的現(xiàn)狀
　　目前，蒸汽計(jì)量普遍使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，如孔板流量計(jì)或渦街流量計(jì)，基本都能滿足蒸汽計(jì)量和檢測(cè)的要求［5－7］。雖然蒸汽計(jì)量?jī)x表都經(jīng)過(guò)出廠檢驗(yàn)合格，但安裝到管道上使用一定時(shí)間后，其計(jì)量準(zhǔn)確性往往發(fā)生偏離。主要原因是蒸汽流量計(jì)測(cè)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(hào)干擾或安裝偏差、蒸汽密度補(bǔ)償?shù)纫蛩赜绊�，�?dǎo)致運(yùn)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(jì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出現(xiàn)一定的誤差［8－11］。雖然對(duì)于部分測(cè)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(jì)，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(jì)及標(biāo)定時(shí)的管道條件與現(xiàn)場(chǎng)管道往往不完全吻合，對(duì)儀表系數(shù)的影響較大［12］。
　　目前我國(guó)已在煙臺(tái)建立有國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站，主要從附近電站引入蒸汽對(duì)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用的方法為冷凝稱重法，但是這種直接測(cè)量法也存在一定偏差。其使用的蒸汽與實(shí)際測(cè)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(jì)的實(shí)際工作壓力存在差異;蒸汽流量計(jì)需要拆卸送檢，運(yùn)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(guò)長(zhǎng)途運(yùn)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(qiáng)的實(shí)際可操作性。
　　基于上述現(xiàn)狀，對(duì)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行在線校核成為一種可行的選項(xiàng)，特別是使用時(shí)間較長(zhǎng)，或者使用者一直對(duì)計(jì)量值存疑的流量計(jì)更是如此。校核的目的在于用某種可行的方式在線檢測(cè)實(shí)際流量，提供一種參考，從而可以對(duì)在用流量計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析。介紹了超聲波流量計(jì)在線校核蒸汽流量計(jì)的方法，并對(duì)一服裝洗染公司的威爾巴蒸汽流量計(jì)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(jì)量超差的問(wèn)題。超聲波流量計(jì)在線校核的方法多用于液體流量，而對(duì)于物理性質(zhì)特殊的蒸汽而言僅對(duì)過(guò)熱蒸汽較為有效，對(duì)飽和蒸汽或濕度較大蒸汽時(shí)，便會(huì)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(zhǎng)穩(wěn)流段條件。
　　鑒于國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有成熟的在線檢定或校準(zhǔn)蒸汽流量計(jì)的方法，探索在線校核蒸汽流量計(jì)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(jì)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(jí)的水流量為標(biāo)準(zhǔn)參考量，在鍋爐運(yùn)行中在線校準(zhǔn)主蒸汽流量計(jì)示值，提高飽和蒸汽流量計(jì)測(cè)量精度。
　　圖1為工業(yè)常見(jiàn)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(lái)自一個(gè)給水水箱，使用電磁流量計(jì)計(jì)量。鍋爐排污水通過(guò)匯集后由一電磁流量計(jì)計(jì)量，鍋爐蒸汽匯集后由主蒸汽流量計(jì)計(jì)量。

　　該類型燃?xì)忮仩t為貫流式，無(wú)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(shí)間內(nèi)，鍋爐運(yùn)行中、汽水系統(tǒng)各管道中流體介質(zhì)連續(xù)流動(dòng);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(shí)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(guò)程可知，鍋爐運(yùn)行中，汽水系統(tǒng)流體介質(zhì)連續(xù)流動(dòng)中，屬定壓飽和蒸汽過(guò)程，飽和蒸汽溫度與飽和水的溫度均不變。則t時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(yùn)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(shí)間t內(nèi)通過(guò)給水流量計(jì)的累計(jì)質(zhì)量流量，kg;G1為通過(guò)鍋爐排污水流量計(jì)的累計(jì)質(zhì)量流量，kg;V為鍋爐主蒸汽的累計(jì)質(zhì)量流量，kg。
　　式(3)表示在穩(wěn)定工況控制條件下，相同時(shí)間里，一個(gè)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(dòng)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(guò)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(cè)量鍋爐主蒸汽流量計(jì)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(jí)的給水流量和排污流量在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)蒸汽流量計(jì)示值的方法，在理論上是可行的。水流量測(cè)量技術(shù)成熟、操作方便、測(cè)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(jì)和排污流量計(jì)的精度等級(jí)需要選擇較高等級(jí)的流量計(jì)。結(jié)合鍋爐現(xiàn)場(chǎng)，推薦0.5級(jí)的電磁流量計(jì)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(chǎng)校核時(shí)，為了確保校核的準(zhǔn)確性，鍋爐運(yùn)行需要滿足以下條件［13］:
1)確保鍋爐汽水系統(tǒng)是獨(dú)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(wú)泄漏;
2)鍋爐工況參數(shù)基本穩(wěn)定，避免較大的波動(dòng)，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(guò)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)有排污水流出變化時(shí)，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(dòng)值不超過(guò)表1推薦的允許值。

3.3在線校核步驟
　　鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，同時(shí)測(cè)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(jì)的修正值V'。如此通過(guò)較高精度等級(jí)的給水流量傳遞到蒸汽流量計(jì)示值，達(dá)到在線校核目的，校核量值傳遞示意圖見(jiàn)圖3。

鍋爐主蒸汽流量計(jì)在線校核可分為以下三個(gè)步驟完成:
1)根據(jù)主蒸汽流量計(jì)的量程或常用計(jì)量范圍，選取多個(gè)流量校核點(diǎn)i。每個(gè)流量點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)不少于3次，取平均值得到每個(gè)流量點(diǎn)的(G0－G1)和V;
2)計(jì)算各流量點(diǎn)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(jì)示值。若各流量點(diǎn)的比例系數(shù)fi接近線性時(shí)可按權(quán)重求一個(gè)共同的流量比例系數(shù)f，修正蒸汽流量計(jì)示值。
3.4不確定度來(lái)源分析
　　考慮到工況參數(shù)壓力、溫度的波動(dòng)引起介質(zhì)密度、流速的變化帶來(lái)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(cè)量列中，則主要不確定度分量來(lái)源如下:
1)標(biāo)準(zhǔn)表本身精度等級(jí)帶來(lái)的不確定度分量ubzb;
2)鍋爐汽水系統(tǒng)不明泄漏帶來(lái)的不確定度分量uxl;
3)儀表的測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度分量ucfx;
4)上升管中水位計(jì)讀數(shù)帶來(lái)的不確定度分量uswj;
5)水位波動(dòng)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(xiàng)不確定分量通過(guò)查資料或計(jì)算可得，各不確定度分量彼此不相關(guān)，則可得相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

擴(kuò)展因子k=2時(shí)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度:
Ur=2ur(5)
4結(jié)論
　　針對(duì)工業(yè)燃?xì)忮仩t主蒸汽流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)成熟的檢定或校準(zhǔn)方法，而實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)需要停產(chǎn)拆卸送檢，企業(yè)普遍對(duì)蒸汽流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性存疑的現(xiàn)象，提出了一種針對(duì)鍋爐主蒸汽流量計(jì)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(jí)較高的給水流量和排污水流量動(dòng)態(tài)在線校準(zhǔn)主蒸汽流量計(jì)示值。鍋爐主蒸汽流量計(jì)示值的在線校核可以快速判斷工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)蒸汽計(jì)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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