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热电厂供热蒸汽流量计选型

文章日期:2019-07-24|阅读数:



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       在热电厂的生产过程中,供热介质( 例如蒸汽和热水) 结算用流量的测量精度要求很高( 要求误差小于 ± 0. 5% ) ; 而且由于热负荷不稳定,供热介质的流量变化范围很大。一般情况下,供热介质的最大流量与最小流量的比值可达几十比一,甚至高达 400∶1。但是,常用流量计的量程比( 量程比: 满足精度要求的前提下,所能测量的最大值与最小值的比) 通常低于10∶1,无法实现供热介质流量的全计量范围的精确测量,尤其是小流量区域的精确量。因此,大量程比的供热介质流量测量方案的研究就十分必要。
 
蒸汽孔板流量计
1 现有测量方案
当前,蒸汽和热水的常用流量方案有差压式流量计和涡街流量计两种测量方案。
以节流装置作为检测件的差压式流量计是历史悠久、理论和时间资料丰富、用量最大的一类流量计。节流装置配合差压变送器可用来对液体、蒸汽和气体的流量进行测量和控制。差压式流量计具有技术成熟、适用范围管,安维护简便、重复性好、使用寿命长等特点。 
1. 1. 1 节流装置
节流装置形式和种类繁多,本文仅介绍火电厂中常用的三类节流装置: 标准节流装置、均速管流量计和平衡流量计。标准节流装置: 标准节流装置是按照国际标准ISO5167、中国标准 GB /T—2624 的技术规范书进行设计、造和使用的节流装置。标准节流装置有标准孔板、标准喷嘴和标准文丘利管。标准孔板是最常用的节流件,标准喷嘴和标准文丘利管的原理、特性与标准孔板相似; 因此,本文中以标准孔板为例讨论标准节流装置。均速管流量计: 均速管流量计是基于皮托管测速原理发展而来的一种新型差压流量测量装置,具有永久压缩小的特点。平衡流量计: 平衡流量计是一个多孔的圆盘节流整流器,每个孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和测试数据而制定,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体被平衡整流,涡流被最小化,形成近似理想流体,通过取压装置,可获得稳定的差压信号。
1. 1. 2 节流装置特性对比标准节流装置、均速管流量计和平衡流量计的主要性能对比如表 1 所示。
表 1 常用节流装置的主要性能对比表
 
节流装置 标准孔板 均速管流量计 平衡流量计
工作压力/MPa ≤40 ≤40 ≤42工作温度/℃ ≤700 ≤700 ≤850精度/% 0. 5 ~ 1. 5 1. 0 0. 3 ~ 0. 5量程比 3∶1 10∶1 30∶1管道尺寸 DN50 ~ DN3 000 DN40 ~ DN9 000 DN15 ~ DN3 000压力损失/% 50 ~ 70 10 ~ 20 10 ~ 30雷诺数 5 000≤Re≤10780 000≤Re≤107200≤Re≤107其它 —对介质流速:气体≥4. 5 m /s,液体≥0. 6 m /s,蒸汽≥9. 7 m /s从常用节流装置的主要性能对比表中可以得出
以下结论:
1) 精度: 平衡流量计最优,标准孔板( 标定)次之,均速管流量计最差。
2) 压力损失: 均速管流量计最优,平衡流量计次之,标准孔板最差。
3) 量程比: 平衡流量计最优; 均速管流量计的理论量程比可达到 10∶1,但是均速管流量计的适用雷诺数范围较小且对流速有要求,均速管流量计在小流速工况的应用效果不佳,实际量程比接近标准孔板的量程比 3∶1。
基于以上结论,三种常用节流装置中平衡流量计的性能较为优越,对大量程比流量测量方案更为有利。因此,本专题后续讨论中以平衡流量计为例
讨论大量程流量测量方案。
1. 1. 3 差压变送器
差压式流量计由节流装置和差压变送器共同组成,其特性也由两者共同决定。表 2 给出了当前主流变送器 品 牌 的 常 用 差 压 变 送 器 型 号 主 要 性 能参数。
表 2 常用差压变送器主要性能参数表
 
厂家 EJA 罗斯蒙特 霍尼韦尔 西门子系列 EJA110A 3 051 ST3 000 DSIII精度/% 0. 015 0. 025 0. 065 0. 075量程比 50∶1 100∶1 200∶1 100∶1
由表 2 可以得出,常用差压变送器的量程比为100∶1。而根据流量计算公式:Q = k ▽ p
槡ρ ( 1)式中: Q 为体积流量; ▽ p 为差压; ρ 为流体密度。可以得出: 流量与差压是平方根关系。因此可以得出差压变送器用于流量测量时量程比为 10∶1。
但是,差压式流量计设计时,节流装置的刻度流量为介质最大流量的 1. 1 倍以上; 节流装置的刻度流量对应的差压值也小于差压变送器自身最大量程,因此差压式变送器用于流量测量时,实际的
有效量程比一般在 7∶1 ~ 9∶1。因此,当节流件采用标准节流装置或均速管流量计时,整套差压流量计的最大量程受节流件的限制,最大量程比为 3∶1。当节流件采用平衡流量计时,整套差压流量计的最大量程受差压变送器的限制,最大量程比为 7∶1 ~ 9∶1。
1. 1. 4 双变送器测量方案
由于差压变送器量程比的限制,平衡流量计大量程比( 10∶1 甚至 30∶1) 的优势无法充分体现。为突破差压变送器对整套差压流量计量程比的限制,一些项目采用了双变送器的测量方案,具体原
理图具体见图 1。
双变送器测量方案: 一套平衡流量计的同时配两套差压变送器,其中差压变送器 1 的差压测量范围覆盖整个平衡流量计刻度流量对应的差压值范围,差压变送器 2 的差压测量范围覆盖平衡流量计0 ~ 60% 刻度流量范围。为避免差压变送器 2 超量程,可以在差压变送器 2 一次门后加装电磁阀。两套差压变送器测量值同时送入流量计算装置( 如: DCS,PLC 或者就地控制器) 。当差压变送器
1 的流量计算值大于 60% 时,使用差压变送器 1 计算流量; 当差压变送器 1 的流量计算值小于 60% ,使用差压变送器 2 计算流量。平衡流量计的流量计算公式按照 0 ~ 60% 和 60% ~ 100% 两个流量区间分别修正。
双变送器测量方案可以克服差压变送器的有效量程比的限制; 配合宽量程比的平衡流量计,可以实现量程比为 30∶1 的宽量程比的流量精确测量。
1. 2 涡街流量计
涡街流量计是根据“卡门涡街”原理制造的一种速度式流量仪表,是目前国际主要的流量测量仪表之一。适用于液体、气体和蒸汽的流量计量。涡街流量计的主要技术参数如表 3 所示: 
 涡街流量计不需要额外的变送器,因此具有安装简单和大量程比的特点; 但是涡街流量计的适用温度和压力范围较小,应用场合较少。
1. 3 推荐方案
根据上文对差压式流量计和涡街流量计的综合分析,本文给出不同量程比情况下的推荐流量测量方案
多测量管道方案
通过对差压式流量计和涡街流量计的分析,可以看出采用单个流量变送器时,流量计的量程比最大不超过 30∶1。而在热电厂生产过程中,部分工况下供热介质流量的量程比可能高达 100∶1 甚至更高。对于这类应用场合常规单套的流量测量装置无法满足流量精确测量的要求。
2. 1 多测量管道方案
针对高量程比的应用场合,本文提出多测量管道方案。本章节以两测量管道方案为例说明方案测
量原理,具体原理图详见图 2。 
本方案采用两段截面积不一样的流量测量管
道,分别为大流量管道( PL) 和小流量管道( PS) 。
每段测量管道上相应配一个流量计用于流量测量,
分别为大流量流量计( FL) 和小流量流量计( FS) 。
增刊 1 裴顺,等: 热电厂供热流量仪表的设计 37两测量管道方案对于流量计的具体方案没有要求。
每段测量管道上游均设有一个远控阀门( 可以
是电动阀、气动阀,本文以气动阀为例) ,分别为
MV - PL 和 MV - PS。下游设有一个手动阀( 正常
工作时,处于全开状态) ,分别为 HV - PL 和 HV
- PS。正常流量测量时,仅有一段流量测量管路上
的电动阀处于全开状态,另一个管路上的电动阀处
于全关状态。测量过程如下:
当大流量测量管道 PL 处于测量状态时,即阀门 MV - PL 全开,大流量流量计( FL) 处于工作状态。如大流量流量计( FL) 的测量值大于 FLmin 时,以大流量流量计( FL) 的测量值为准; 如大流量流量计( FL) 的测量值小于 FLmin 时,控制打开阀门MV - PS 投入小流量测量管道 PS 和小流量流量计( FS) ,待 MV - PS 全开后关闭 MV - PL 阀门。当小流量测量管道 PS 处于测量状态时,即阀门 MV - PS 全开,小流量流量计( FS) 处于工作状
态。如小流量流量计( FS) 的测量值小于 FSmin,以小流量流量计( FS) 的测量值为准; 如小流量流量计( FS ) 的测 量 值 大 于 FSmax 时,控 制 打 开 阀 门MV - PL 投入测量管道 PL 和大流量流量计( FL) ,待 MV - PL 全开后关闭 MV - PS 阀门。测量管路切换过程中,保持上一个有效测量值。为减短测量管路切换时间,选择执行机构全行程动作时间尽量短( 气动阀动作时间小于 10 S) 。热电厂生产中,热负荷变化较为均匀,切换过程对测
量影响不大。通过工程实践证明,通过合理设计两段测量管路和选用流量计方案,可以实现的大量程比流量的测量。当两套流量计采用平衡流量计 + 单差压变送器方案,本方案可以实现量程比为 60∶1 的流量测量。
如需工况确实需要更大量程比,可采用量程比更大的流量计; 例如: 小流量流量计可以采用平衡流量计 + 双 变 送 器 方 案,即可以实现量程比为200∶1 的流量测量。当然采用三测量管道方案能实现更大量程比流量的精确测量,但是系统复杂度和控制难度将大幅度提升。
2. 2 实际工程案例分析
某工程提供近期的供热需求方案。具体数据见用的蒸汽流量计所需的量程比均小于 3∶1,采用标准节流件/均速管流量计 + 单差压变送器的方案即可满足要求,预计每套流量计设备价格为 2 万元;
供热蒸汽母管计量用的蒸汽流量计所需的量程比达到 7. 03∶1,需要采用平衡流量计 + 单差压变送器的测量方案,预计流量计设备价格为 11 万元。用户 D 计量用的蒸汽流量计所需的量程比达到200∶1,需要采用两段测量管路方案: 其中大流量测量管道流量计采用平衡流量计 + 单差压变送器,小流量测量管道流量计采用平衡流量计 + 双变送器。具体配置如表 6。表 6 用户 D 测量方案
 


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