孔板流量計在測量蒸汽流量中的應用

孔板流量計在測量蒸汽流量中的應用

        多年來, 蒸汽流量的準確計量是各儀表生產廠家和技術人員研究和實踐的大命題。從傳統的孔板到90 年代在我國廣泛使用的渦街流量計, 和其他的各種流量計, 在復雜的工業現場, 都很難做到準確的計量。
        在以往選用流量計時, 往往受到流量計本身的參數影響。例如孔板流量計量程比小, 計量精度低, 而不能很好滿足過程的控制流量。隨著科學技術的發展, 現在的流量計有了新的發展, 蒸汽計量中采用了新的數據處理技術并做了相應的測試。
        1、應用條件
         流量儀表要正確和有效地選擇, 必須熟悉流量儀表和被測對象的流體特性兩方面的情況, 還要考慮經濟因素等, 結合具體應用過程中各方面因素, 歸納起來有5 個方面:
         ( 1) 液體特性: 包括液體種類、物理化學性能(密度、粘度、腐蝕性、含雜質程度、是否易結晶等) 、溫度和壓力的變化范圍等特性。
         ( 2) 性能要求: 包括測量范圍、精度等級、重復性、線性度、允許壓力損失、響應時間等要求。
         ( 3) 環境要求: 爆炸危險區等級、環境濕度、環境溫度、電氣干擾等要求。
         ( 4) 安裝條件: 包括前后直管段情況、液體有無脈動或沖擊、有無停工檢修的可能性、管道是否振動、維護空間等條件。
         ( 5) 費用限制: 在滿足能源、精度的要求基礎上, 結合投資情況, 結合考慮安裝、運行、校驗、維護等費用。
         差壓式流量計是迄今為止檢測各種氣體、液體和蒸汽流量廣泛使用和熟悉的計量儀表。檢測流量的基本原理早在17 世紀就已發現, 而真正開始進行大規模的試驗和用于工業流量測量是在本世紀20 年代。標準節流裝置經過60 余年的研究和使用, 積累了豐富的數據和經驗, 它是目前流量儀表中達到標準化的檢測元件, 即無須校準就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。經粗略統計, 約80% 的流量測量系統采用差壓式流量計。由此可見必須充分了解差壓式流量計的特性。
         差壓式流量計由節流裝置( 標準節流裝置和特殊節流裝置) 和差壓計組成。按其原理屬于流速法。標準節流裝置基本適合測量干凈的液體、氣體或蒸汽流量。其主要優點是結構簡單, 能夠保證一定使用精度, 加工、安裝及更換方便, 價格低廉。主要缺點是測量范圍窄( 量程比約5: 1) , 壓力損失大( 占差壓的40%~ 80% ) , 直管段要求較嚴格。帶尖銳邊緣的標準孔板不適合測量強腐蝕介質, 長時間使用會改變流量系數, 從而增大誤差。此時宜采用標準噴嘴。一般需經模擬實流試驗才能可靠地使用的節流裝置稱為特殊節流裝置( 或稱為非標準節流裝置) 。特殊節流裝置的使用主要是彌補標準節流裝置的不足。比如1/ 4 圓噴嘴和雙重孔板可用于測量低雷諾數的流體, 圓缺孔板、偏心孔板等可用于測量臟污介質, 整體( 內藏) 孔板可用于測量小流量( 小管道) , 文丘里管適用于低壓損測量等.... 在1999 年公司維達搬遷工程中, 根據工藝要求在提煉工序中完成蒸氣流量計量任務, 確保提煉工藝中的要求, 計量精度優于.. 1..0%, 范圍度> 1..13, 據此選用了SR ( III ) 型流量計, 其特點如下: 
         T C205 流量儀采用分段運算法和模擬線性法共同完成和實現了量程比的擴展, 以及一體化安裝結構減小了安裝管路引入的誤差。
        2、工作原理
         孔板流量計是不同于以往的傳統型孔板流量計, 傳統孔板是范圍度1..3~ 1..5, 計量精度.. 5% , 這是為什么呢?
         以往的孔板流量計以..p 為變量, 測出孔板的流量, 但這在實際中q m= f ( c, .., ..p ) 的函數, 在實際設計中通常c, ..作為常量去設計, 從圖1 可見, 流量大時誤差偏向.. + .. 側, 反之, 流量小, 誤差偏向一側。由壓差檢測獲得曲線, 在計算機技術出現工業計量。          之前的100 多年里, 人們經過了無數次的研究, 竟然一直對這一運算方法深信不疑。造成這種狀態的原因大概是由于產生差壓的孔板構造太簡單了, 連制造標準基本上也是用的, 人們沒有想到要質疑自己已經習慣了的數學模式。以致使孔板流量計的量程比和測量精度在很長的一段時間里停留在較低的水平。到了1984 年, 由于IC 技術的發展和計算機技術的應用, 技術人員開始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運算方法。圖2 與圖1 相同, 計算誤差均限定為4% 時, 流量范圍約為45% ~ 85% 。這就是過去工業測量所能使用的范圍, 量程比為1..4, 孔板測量精度.. 4%, 再提高測量精度至.. 3% 時, 量程比縮小1 .2 附近, 超過這個界限測量時, 會造成壓力表內水銀飛濺, 產生大的測量誤差, 是不便于實際應用的流量計。這就是人們認為孔板流量計精度.. 4% , 量程比到1..4 固有觀念的原因所在。事實上確是如此, 即便擁有現代的傳感器, 也無法超越這個原理和法則。但是這么大的誤差和窄的量程比對工業測量是沒有多大用處的。技術人員, 從誤差曲線開始研究, 在曲線上精度0% 處( 流量65%附近) 分割出量( 壓差) 區域, 在此區域內測量精度為零或接近于零, 并進一步用計算機進行處理實驗。為便于計算, 選定使用頻率高的區域, 在此區域內組成計算誤差最小的數學模型, 其它區域仍用以往的計算式。如圖3 所示, 這種方式在所確定的區域內誤差變小, 區域外側產生很大的誤差, 隨著流量范圍增大, 誤差就越大, 不能取得大的量程比。由此可見, 只用一個公式包容流量計的整個流量范圍, 是不合適的, 有違于測量原理。這種方式的根本錯誤是難于將所認定的高頻度使用區域與現實相吻合, 對于整個流量范圍, 減少測量誤差的方法是什么呢? 回答是很簡單的, 即增加運算式的數量就可滿足要求。階段是首先將誤差限定在.. 1%時, 分析用一個運算式計算誤差有多少, 發現流量范圍按30% 的比例平分后, 平均其誤差, 分段圖如圖4 所示。在這種條件下使用計算機按所編程序進行運算, 取得了非常好的成績。由此結果增強了可進一步縮小誤差范圍的信心, 由1..0% 一下縮至0..5%, 分割流量范圍為20% , 可見其誤差平均化, 如圖5 所示。將此理論進一步發展, 可將分割流量范圍為20% , 可將分割區間細分為圖6 與圖7, 使誤差無限接近零, 進一步細分至無窮大, 最后可能收斂于零如圖8 所示。然而問題不那么簡單, 細分區間必然使得孔板的計算復雜化, 其理由是, 要計算二個變量需要龐大的基礎資料和反復進行運算嚴密的數學公式, 即使使用現代家用電腦, 其運算時間也要超過1s。更何況專用小型計算器了, 根本跟不上流體的變化, 必導致產生數秒的運算滯后和顯示滯后。從實用角度看, 無論使用什么樣的軟件技術, 運算所需時間都要在0..5s 內完成。在不計成本的開發研制階段, 是不需考慮的, 但要商品化則必須計較, 這也是無限細分區間遇到的障礙。
        在反復計算各參數變量的過程中, 不局限于將誤差控制在.. 5% 的分段區間的均等性, 相反由誤差所控范圍推出分段區間, 在這個分出的流量區域內, 將流量系數與可膨脹系數這二個變量集約成一個參數變量。更為重要的是明確了分段區間不用分為5 等分, 分為4 個區段就足以保證測量精度。此舉可縮短運算時間和壓縮記憶存儲容量, 為產品創造了條件。圖9 所示分段區間不是按20% 等分, 而是在特定區域加大區間, 其他的以20%進行分段。分段運算法最顯然的缺陷是各分段區間的連接點, .. + .. 誤差瞬間變為.. - .. 誤差, 理論上出現數值重疊, 實際上在那點只要流量不為零, 就看不到這種現象。在瞬間流量顯示時, 瞬間數值會有所變動, 但由于在1% 誤差內的變動, 不會影響實際使用, 在視覺上也極難觀察到這種現象。相反在累加中, 由于一連串的流量增減, 反復通過三個連接點, 正負誤差相互抵消平均, 在4 個分段內的運算也因此正負誤差相抵, 從整個累加量上分析具有縮小綜合誤差的效果。這一點是分段運算的重要*性。詳見圖10。根據現代計算機技術的發展, 將分段點取為8 段, 并以等比段數分段法去分段, 基于這一理論開發的SR 型流量計, 范圍度1..13, 基本誤差.. 1% 。
3 .. 實驗結果
         實測結果表明該流量計具有1..13 量程比, 基本誤差在.. 1..0% , 較好的滿足了生產工藝的要求, 實現了節能的措施。