多年来, 蒸汽流量的准确计量是各仪表生产厂家和技术人员研究和实践的大命题。从传统的孔板到90 年代在我国广泛使用的涡街流量计, 和其他的各种流量计, 在复杂的工业现场, 都很难做到准确的计量。
在以往选用流量计时, 往往受到流量计本身的参数影响。例如孔板流量计量程比小, 计量精度低, 而不能很好满足过程的控制流量。随着科学技术的发展, 现在的流量计有了新的发展, 蒸汽计量中采用了新的数据处理技术并做了相应的测试。
1、应用条件
流量仪表要正确和有效地选择, 必须熟悉流量仪表和被测对象的流体特性两方面的情况, 还要考虑经济因素等, 结合具体应用过程中各方面因素, 归纳起来有5 个方面:
( 1) 液体特性: 包括液体种类、物理化学性能(密度、粘度、腐蚀性、含杂质程度、是否易结晶等) 、温度和压力的变化范围等特性。
( 2) 性能要求: 包括测量范围、精度等级、重复性、线性度、允许压力损失、响应时间等要求。
( 3) 环境要求: 爆炸危险区等级、环境湿度、环境温度、电气干扰等要求。
( 4) 安装条件: 包括前后直管段情况、液体有无脉动或冲击、有无停工检修的可能性、管道是否振动、维护空间等条件。
( 5) 费用限制: 在满足能源、精度的要求基础上, 结合投资情况, 结合考虑安装、运行、校验、维护等费用。
差压式流量计是迄今为止检测各种气体、液体和蒸汽流量最为广泛使用和熟悉的计量仪表。检测流量的基本原理早在17 世纪就已发现, 而真正开始进行大规模的试验和用于工业流量测量是在本世纪20 年代。标准节流装置经过60 余年的研究和使用, 积累了丰富的数据和经验, 它是目前流量仪表中唯一达到标准化的检测元件, 即无须校准就可投用。这是它成熟程度的主要原因之一。经粗略统计, 约80% 的流量测量系统采用差压式流量计。由此可见必须充分了解差压式流量计的特性。
差压式流量计由节流装置( 标准节流装置和特殊节流装置) 和差压计组成。按其原理属于流速法。标准节流装置基本适合测量干净的液体、气体或蒸汽流量。其主要优点是结构简单, 能够保证一定使用精度, 加工、安装及更换方便, 价格低廉。主要缺点是测量范围窄( 量程比约5: 1) , 永久压力损失大( 占差压的40%~ 80% ) , 直管段要求较严格。带尖锐边缘的标准孔板不适合测量强腐蚀介质, 长时间使用会改变流量系数, 从而增大误差。此时宜采用标准喷嘴。一般需经模拟实流试验才能可靠地使用的节流装置称为特殊节流装置( 或称为非标准节流装置) 。特殊节流装置的使用主要是弥补标准节流装置的不足。比如1/ 4 圆喷嘴和双重孔板可用于测量低雷诺数的流体, 圆缺孔板、偏心孔板等可用于测量脏污介质, 整体( 内藏) 孔板可用于测量小流量( 小管道) , 文丘里管适用于低压损测量等.... 在1999 年公司维达搬迁工程中, 根据工艺要求在提炼工序中完成蒸气流量计量任务, 确保提炼工艺中的要求, 计量精度优于.. 1..0%, 范围度> 1..13, 据此选用了SR ( III ) 型流量计, 其特点如下:
T C205 流量仪采用分段运算法和模拟线性法共同完成和实现了量程比的扩展, 以及一体化安装结构减小了安装管路引入的误差。
2、工作原理
孔板流量计是不同于以往的传统型孔板流量计, 传统孔板是范围度1..3~ 1..5, 计量精度.. 5% , 这是为什么呢?
以往的孔板流量计以..p 为变量, 测出孔板的流量, 但这在实际中q m= f ( c, .., ..p ) 的函数, 在实际设计中通常c, ..作为常量去设计, 从图1 可见, 流量大时误差偏向.. + .. 侧, 反之, 流量小, 误差偏向一侧。由压差检测获得曲线, 在计算机技术出现工业计量。 之前的100 多年里, 人们经过了无数次的研究, 竟然一直对这一运算方法深信不疑。造成这种状态的原因大概是由于产生差压的孔板构造太简单了, 连制造标准基本上也是世界通用的, 人们没有想到要质疑自己已经习惯了的数学模式。以致使孔板流量计的量程比和测量精度在很长的一段时间里停留在较低的水平。到了1984 年, 由于IC 技术的发展和计算机技术的应用, 技术人员开始研究由孔板误差曲线所想到的新的运算方法。图2 与图1 相同, 计算误差均限定为4% 时, 流量范围约为45% ~ 85% 。这就是过去工业测量所能使用的范围, 量程比为1..4, 孔板测量精度.. 4%, 再提高测量精度至.. 3% 时, 量程比缩小1 .2 附近, 超过这个界限测量时, 会造成压力表内水银飞溅, 产生大的测量误差, 是不便于实际应用的流量计。这就是人们认为孔板流量计精度.. 4% , 量程比最大到1..4 固有观念的原因所在。事实上确是如此, 即便拥有现代的传感器, 也无法超越这个原理和法则。但是这么大的误差和窄的量程比对工业测量是没有多大用处的。技术人员, 从误差曲线开始研究, 在曲线上精度0% 处( 流量65%附近) 分割出一流量( 压差) 区域, 在此区域内测量精度为零或接近于零, 并进一步用计算机进行处理实验。为便于计算, 选定使用频率高的区域, 在此区域内组成计算误差最小的数学模型, 其它区域仍用以往的计算式。如图3 所示, 这种方式在所确定的区域内误差变小, 区域外侧产生很大的误差, 随着流量范围增大, 误差就越大, 不能取得大的量程比。由此可见, 只用一个公式包容流量计的整个流量范围, 是不合适的, 有违于测量原理。这种方式的根本错误是难于将所认定的高频度使用区域与现实相吻合, 对于整个流量范围, 减少测量误差的唯一方法是什么呢? 回答是很简单的, 即增加运算式的数量就可满足要求。第一阶段是首先将误差限定在.. 1%时, 分析用一个运算式计算误差有多少, 发现流量范围按30% 的比例平分后, 平均其误差, 分段图如图4 所示。在这种条件下使用计算机按所编程序进行运算, 取得了非常好的成绩。由此结果增强了可进一步缩小误差范围的信心, 由1..0% 一下缩至0..5%, 分割流量范围为20% , 可见其误差平均化, 如图5 所示。将此理论进一步发展, 可将分割流量范围为20% , 可将分割区间细分为图6 与图7, 使误差无限接近零, 进一步细分至无穷大, 最后可能收敛于零如图8 所示。然而问题不那么简单, 细分区间必然使得孔板的计算复杂化, 其理由是, 要计算二个变量需要庞大的基础资料和反复进行运算严密的数学公式, 即使使用现代家用电脑, 其运算时间也要超过1s。更何况专用小型计算器了, 根本跟不上流体的变化, 必导致产生数秒的运算滞后和显示滞后。从实用角度看, 无论使用什么样的软件技术, 运算所需时间都要在0..5s 内完成。在不计成本的开发研制阶段, 是不需考虑的, 但要商品化则必须计较, 这也是无限细分区间遇到的最大障碍。
在反复计算各参数变量的过程中, 不局限于将误差控制在.. 5% 的分段区间的均等性, 相反由误差所控范围推出分段区间, 在这个分出的流量区域内, 将流量系数与可膨胀系数这二个变量集约成一个参数变量。更为重要的是明确了分段区间不用分为5 等分, 分为4 个区段就足以保证测量精度。此举可缩短运算时间和压缩记忆存储容量, 为产品创造了条件。图9 所示分段区间不是按20% 等分, 而是在特定区域加大区间, 其他的以20%进行分段。分段运算法最显然的缺陷是各分段区间的连接点, .. + .. 误差瞬间变为.. - .. 误差, 理论上出现数值重叠, 实际上在那点只要流量不为零, 就看不到这种现象。在瞬间流量显示时, 瞬间数值会有所变动, 但由于在1% 误差内的变动, 不会影响实际使用, 在视觉上也极难观察到这种现象。相反在累加中, 由于一连串的流量增减, 反复通过三个连接点, 正负误差相互抵消平均, 在4 个分段内的运算也因此正负误差相抵, 从整个累加量上分析具有缩小综合误差的效果。这一点是分段运算的重要优越性。详见图10。根据现代计算机技术的发展, 将分段点取为8 段, 并以等比段数分段法去分段, 基于这一理论开发的SR 型流量计, 范围度1..13, 基本误差.. 1% 。
3 实验结果
实测结果表明该流量计具有1..13 量程比, 基本误差在.. 1..0% , 较好的满足了生产工艺的要求, 实现了节能的措施。
