冶金企業蒸汽計量問題的探討及改進

姬文紅

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 引言

隨著余熱余能等回收利用節能技術的廣泛應用，冶金企業逐步實現了由能源消耗大戶向自給自足型能源制造大戶的華麗轉身。蒸汽作為其主要的能源之一，生產、輸送及使用效率直接關系到企業的資源利用和經濟效益。只有準確的計量數據才能夠有效衡量和指導能源系統的資源平衡，提升能源資源的運行能力，為深化節能降耗等生產經營管理提供科學的依據。但蒸汽的特殊性和影響蒸汽流量計量準確性的相關因素，給企業的計量工作帶來極大困擾，逐步建立、實施能夠切合冶金企業實際、科學可行的蒸汽計量方案，是近年來冶金企業計量工作的重點課題。

目前，蒸汽流量測量普遍采用的是標準孔板節流裝置，由于傳統的孔板流量計存在測量范圍小、壓損大，現場檢修維護、更新困難等諸多方面的不足，尤其是測量范圍小的缺點，在熱負荷變化大的情況下計量誤差大大增加，數據失真造成蒸汽產供和耗用之間的不平衡，給系統平衡、效能評價帶來了極大困擾。隨著近年來各種新型檢測技術的研發應用，以及計量數據運算模型的完善改進，很好地解決了這些問題。筆者針對蒸汽計量現狀進行了簡要分析，并結合對行業應用的調研和應用研究，提出了較為合理的計量裝置配備方案。

2 蒸汽計量現狀及其改進分析

2.1 計量儀表在偏離設計工況下運行

我們在選擇計量儀表時，首先要確定準確度等級和量程比這兩個技術參數。企業計量專業人員根據生產工藝對蒸汽運行控制的工況條件和現場環境，遵照GB17167—2006《用能單位能源計量器具配備與管理通則》的相關規定，導出計量要求，從而確定儀表的準確度等級、測量范圍以及選型。儀表的準確度等級是以相對誤差的方式表示的，運行在設計選定的量程段內，測量值越接近滿度值，則測量準確度越高，數據越接近真實值。但實際上蒸汽在輸送過程中會產生狀態的較大變化，實際的流量范圍往往無法準確確定，因此導致流量計經常運行在設計的量程范圍以外，這樣就造成了很大的測量誤差。

以標準節流裝置的流量計算公式為例進行分析：

式中：qv——體積流量，m3/s；C——流出系數；ε——可膨脹性系數；d——節流件開孔直徑，m；β——直徑比，（β=d/D）；D——管道內徑，m——被測流體密度，kg/m3；Δp——差壓，Pa。

式（1）中的流出系數C 和可膨脹性系數ε，是在設計的一定流量范圍條件下，由專門的節流裝置設計計算軟件計算得到的。因此，在設計蒸汽流量計量方案時，一定要考慮實際工況條件的流量變化，對流出系數C 和可膨脹性系數ε 等中間參數進行實時計算，進行實際測量條件下的流量補償運算，才能解決計量數據的偏差問題。

在實際應用中，采用智能化寬量程的差壓變送器、兼備高速運算和補償功能的流量計算機，來完成這些復雜的中間參數的補償運算，實現了節流式流量計的寬量程和智能化。智能化的寬量程差壓變送器與流量計算機之間通過數字通訊除了能準確傳遞全量程差壓信號之外，還能夠自動遷移測量范圍。

流量計算機不僅可以根據溫度、壓力等工況參數對工況流量進行修正，還可以實時計算流出系數C、可膨脹性系數ε 等。在滿足準確度的同時，量程比可真正達到10：1(或更寬)，這一新技術成果的逐步拓展應用，正在改變著人們對節流式流量計的傳統認識。

2.2 蒸汽熱力狀態參數的變化影響

在工業蒸汽的產-供-用環節，由于生產工藝調節、輸運速度、管網保溫、氣溫變化等因素導致蒸汽流量、溫度和壓力的波動，使蒸汽流量計偏離設計的運行條件。人們都知道要對特定狀態下的流量進行計量，針對溫度和壓力的變化，采用對設定的補償系數進行計算，并盡量選用高精度的變送器以減少系統誤差。而往往因為對蒸汽性質的復雜性掌握不夠，而忽視了密度的重要影響。溫度和壓力的變化直接導致蒸汽狀態，也即密度的變化，測出的流量不再是真實狀態下的實際流量，因此對測量的準確度影響較大。從式（1）可以看出，差壓與密度對測量結果的影響是同等重要的。

參照有關流體力學文獻的相關描述，首先要判斷水蒸氣的狀態，是屬于飽和蒸汽還是過熱蒸汽，然后采用查表法或者計算法來確定密度值。（1）查表法：根據蒸氣的狀態和工況溫度、壓力，從水蒸氣熱力性質表中查出對應的密度值。（2）計算法：以蒸汽密度表為基礎建模，把密度與壓力、溫度之間的函數關系，擬合成計算公式，滿足現場流量測量的需要。飽和蒸汽密度是溫度或壓力的一元函數，根據儀表量程和精度的需要，借助飽和蒸汽密度表進行函數擬合，就可以得到符合計量要求的解析式。而過熱蒸汽情況比較復雜，其密度為溫度、壓力的二元函數，可以采用現有的研究成果，烏卡諾維奇公式或者IAPWS-IF97 公式。

我國沒有制定“水蒸氣熱力學性質表”的國家標準，而是采用國外出版物的水蒸氣熱力學性質表。國內專業人士曾翻譯過美國的、前蘇聯的、西德的水蒸氣熱力學性質表，近年來逐步進行了統一，使用IAPWS-IF97 公式的數表。因此，在流量測量中使用的儀表應該按照IAPWS-IF97 公式進行實時的密度計算，這才是最理想和準確的方法。

目前，國家JJG 1003—2005《流量積算儀》檢定規程已引用了該公式。其最重要的一個特點是把流量積算儀表與流量變送器、被測流體緊密結合在一起，檢定的理論值完全是按有關國家標準給出的數學模型計算得到的。

2.3 非標準節流件的可信度

近年來，眾多品牌和種類的非標準節流件呈現市場，尤其在方便安裝和易于維護方面，較傳統節流件有很多優勢，往往更容易被用戶接受。但是良莠不齊的產品質量令人擔憂，可信度較低。因為它們不像標準節流件一樣，有成熟且通行的國際、國家標準支持，在生產制造過程中采用幾何尺寸法保證計量精度，而其儀表系數只能通過實流標定獲得，且實驗測試介質應與被測介質相同。比如測量蒸汽的儀表必須使用蒸汽進行標定，才能夠完全滿足精確計量的要求，而實際上因其成本太高，國內只有極少生產廠家能夠做到。

在計量裝置設計選型時，一定要結合流體特性和計量數據的應用精度需要，按照經濟合理的原則，選用滿足計量要求的產品。

2.4 流量計量數據的應用

企業內部蒸汽計量的主要問題反映在用能單位的工序能耗指標“偏高”，這主要源于對蒸汽特殊性質的不了解，在認識上混淆了流量值與熱值的概念。計量數據是流量值，而實際上蒸汽作為載能工質，用戶使用的是水蒸氣所攜帶的熱能，而不同的溫度、壓力狀態，能量差距很大。參照有關文獻中的經驗數據，在壓力為0.8 MPa、溫度為200 ℃條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2 838.6 kJ；在壓力0.8 MPa、溫度為220 ℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2 884.2 kJ，二者相差1.6%。因此，用蒸汽流量來評估生產能力或消耗指標顯然不盡合理。

以熱能作為蒸汽的核算單位，采用能量計量的定量評估方式，已成為學術界和廣大蒸汽的生產企業和用戶的共識。目前計量行業正在研討出臺相關標準以進一步科學規范蒸汽計量，成熟后將率先在企業內部推行，以驗證蒸汽的能量計量在技術層面上是可行的，為推動蒸汽以能量計量為貿易計量單位的轉變奠定基礎。

3 蒸汽計量方案設計經驗

3.1 選型設計原則

（1）準確識別生產工藝過程的測控要求，轉化為測量過程的計量要求。包括測量范圍、準確度等級等等。

（2）現場儀表要符合計量要求，充分考慮現場環境的影響，盡量選擇易于維護、性能指標好、制造品質性價比高的可靠產品。

（3）補償功能完備且補償的算法符合相關標準。

（4）具有較寬的測量范圍，能夠最大可能的優于或接近于生產工況變化區間。

（5）具有歷史數據存儲、事件報警等管理功能。

（6）具有多種網絡接口，能提供使用多種通訊協議的軟件。

3.2 節流裝置的選擇

目前，標準孔板作為傳統節流件的流量測量裝置，在冶金企業蒸汽計量應用中的占比很大，主要是因為節流式流量計技術較為成熟，是按照標準（ISO 5167—2003E、GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》）設計、制造的，無須實流標定，且具有結構簡單、耐高溫、使用壽命長、穩定可靠等優點，至今沒有任何一種流量計可與之相比擬。如果具備安裝條件，或在后期維護不受現場條件轄制的情況下，應為首選。但其不足之處是流量測量范圍小，壓損大，測量精度普遍偏低，安裝復雜以及容易堵、漏、凍等問題，不能夠滿足高精度測量應用需求，且維護成本較高。

隨著計量檢測技術的快速發展，兼有傳統節流件的優點又能克服其缺點的一體化標準噴嘴應運而生，其獨有的檢測元件結構和流體測控原理成為一種穩定、可靠、免維護并有標準依據的流量測量方法，在目前工業蒸汽生產和貿易結算中應用最為廣泛。

一體化標準噴嘴的結構較孔板更適用于蒸汽計量，其噴嘴的入口為光滑曲面，壓損小，流出系數穩定，JJG640-94《差壓式流量計檢定規程》規定其檢定周期為4 年，是標準孔板周期時長的4 倍。尤其是節流裝置和差壓變送器采用一體化制作，并采用了防凍隔離技術，因此可能的泄漏點少、維護量很小。選用配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達10：1，能夠完全滿足冶金企業蒸汽介質高溫高壓、狀態變化的實際工況條件。

3.3 二次儀表的配備

蒸汽流量計量二次儀表大多采用流量計算機類產品。流量計算機具有補償運算、數據顯示存儲以及網絡通訊的功能，對節流式流量計的流出系數C、流束可膨脹系數ε、壓縮系數Z 等參數作為動態量進行實時逐點運算。國內外知名品牌的流量計算機，技術和功能性更強一些，針對蒸汽介質的實際工況和不同的節流裝置類型，建立有多種數學模型和相應的計算軟件，且都是依據有關國際標準與建議、國家標準或行業標準，在實際工作中可以選配實現溫度、壓力、濕度、密度等的高精度補償運算。

為了保證測量的準確度，選用的流量計算機軟件必須通過國家權威部門的認證。

4 結語

近幾年來的蒸汽計量系統試驗研究和計量數據應用探索的實踐表明：

（1）若要準確地測量蒸汽流量，首先要結合實際生產運行的工況條件和對計量數據的精度需求，正確的選配計量裝置和流量計算軟件，對相關參數進行補償。

（2）一體化噴嘴流量計和流量計算機構成的可動態補償式蒸汽計量系統，將傳統與現代技術相結合，有效地解決了傳統節流件量程小、壓損大、難維護、測量精度受工況條件影響大等問題，使測量質量得以保證。

（3）計量界對蒸汽計量由流量模式向能量模式轉變的研究工作正在加速推進，實現后將會為蒸汽能源的計量和管理帶來質的跨越。