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精確計量,促進節能減排
已閱:2289  2011-8-29 18:40:57

精確計量,促進節能減排

(收錄于中國電機工程學會熱電專業委員會 “大機組供熱改造與優化運行技術2010年會”論文集)

王為民 唐賢昭

摘要:通過流量檢測原理及現場經驗分析蒸汽貿易結算中存在的一些問題,期望通過降低計量漏損挽回蒸汽貿易結算中供熱方的損失,提高熱電廠效益,促進節能減排的實施。

關鍵詞:壓力損失  計量漏損  測量范圍  檢定精度  使用精度  IAPWS公式

計量與節能減排的關系,于傳統意義而言,主要指在物料輸送管道之上安裝檢測儀表,特別是流量測量儀表后,由于流量儀表內的阻流部件產生壓力損失,為保證所需的物料輸送量,只能加大輸送能量,對熱電廠而言,常見的加大風機功率(一次風、二次風、返料風、引風等風量檢測)、增大煤耗(蒸汽流量檢測)增大泵功率(給水流量檢測等),以克服儀表產生的壓力損失造成的影響。

對于流量儀表產生的高能耗,國家高度重視,早在“65”期間設立的攻關項目就專為改善流量儀表壓力損失而設。

然而,基于當前儀表技術水平所限,對于主蒸汽、主給水等流量檢測,新型低能耗流量儀表,還難以適應所需的高溫、高壓應用工況,一些電廠通過取消給水、主蒸汽流量檢測從而消除附加壓力損失加以改善,節能效果自然十分明顯,雖然是以降低控制水平為代價。

    對于流量檢測帶來的能源損耗,下式實例給出準確計算,希望在此,給出直觀、準確的認識:

    下面給出典型的孔板、渦街流量計壓損實例,可以看到渦街流量計明顯的節能效力:

     管徑:400mm;流體類型:蒸汽;流體溫度:280℃;流體壓力0.9MPa:常用流量60t/h標準孔板產生的能量損失:57.2 kw;Wv系列渦街流量計產生的能量損失:7.2 kw

然而,對熱電聯產企業而言,對外供熱的貿易計量是構建企業效益環節之中最為重要環節之一,外供蒸汽計量系統在其中的作用,類似于“收款機”,一旦發生問題,輕則影響熱電廠與熱用戶的關系,影響供熱銷售業務的拓展,重則導致熱電廠效益低下,甚至莫名虧損,基本的效益無以保證,涉及節能減排的投資行為更難以為繼。

   在供熱貿易結算中,涉及流量、溫度、壓力、二次表(流量積算儀)、熱網監控系統等環節、設備,其中流量測量為最為困難的環節,對此已為廣泛共識。廣大技術人員為找到適用的儀表付出巨大的努力,熱電企業也為此付出高昂代價,其間在技術、管理等方面,各種創新手段層出不窮,推動供電計量水平快速進步。然而,我們也注意到,由于一些技術商務方面的原因,對于蒸汽計量還存在一些明顯的問題值得商榷。

    一. 被誤解的流量范圍,導致熱電企業巨額損失:

   1. 通常認為,蒸汽流量一般在30m/s左右,過低的流速將因熱量散失比例大、凝結成水,無法計量;過高的流速也不會產生,4m/s~80m/s的測量范圍足以適應流量的變化,可以得到可信的計量水平。

    2. 但實際上,由于下述原因,熱電廠將承擔很大的損失:

     ¨ 由于選購流量計時技術人員很難確定真實的用汽流量范圍,實際安裝的流量計測量范圍與真實流量范圍偏離,導致計量偏低。

    ¨ “合法偷汽”現象,對于一些蒸汽用戶而言,其用汽工況允許大范圍調整流量,因此,用戶可通過將用用氣量盡可能控制在低于流量計可測下限或高于流量計量程上限的“兩端用汽”,真實的流量范圍在1m/s~200m/s,對于當前普遍使用的幾類流量計而言,均將產生巨大的計量漏損:

    a. 對于孔板、噴嘴等差壓式流量計,典型的檢測范圍在5m/s~60m/s,準確測量范圍在17~51m/s,為避免不用汽時有計量,必須截除5m/s以下的流量,某些場合甚至需要截除10m/s的流量,用戶有意將流量控制在截除流量之下,即可避開計量收費。另外:用戶將閥門全開,超量程用汽,此時由于差壓變送器輸出信號通常限制在23mA,只能輸出最高65.38m/s的流量信號,也就是說:當真實流量高于65.38m/s后,只能依照65.38m/s計量收費,由此將產生巨大的漏計量。

     b. 對于渦街流量計,國內產品標稱測量范圍常在6m/s~60m/s,進口產品最寬標稱2m/s~80m/s。根據我們實地檢測結果:在現場工況條件下,被檢測的多家國內產品,在流速低于6m/s時無流量信號輸出,在6m/s~8m/s范圍內,誤差高達-40%左右;在流速40m/s~60m/s時誤差仍可高達-40%,在流速高于60m/s后,將普遍出現流量越高、指示越低的、渦街流量計特有的“倒走”現象,并且同時很可能出現傳感器斷裂的事故。對于幾種進口產品的檢測結果表明:實際的測量下限在5m/s以上,并且隨使用時間的推移,靈敏度常進一步下降,測量下限可增高到8m/s;在進口產品標稱的80m/s測量范圍之內,基本未發現明顯的測量誤差,但在流量超過80m/s后,僅發現一種產品可維持80m/s的流量信號輸出,其余產品與國內產品一樣,出現“倒走”現象

     c. 根據我們對數十家熱電廠中這類蒸汽用戶的分析,在換用超大量程比的抗振型渦街流量計之后,計量值普遍為原來的3~6倍,在某些場合甚至超過10倍,最典型的可“兩端”用汽的用戶包括供熱的換熱站、燒熱水銷售的熱水站、化工反應釜、浴室等。對于蒸汽計量方面的上述問題,筆者作為渦街流量計新的國標主起草單位代表,在借機與參與國標制定的國內外制造商主要技術負責人討論時發現:幾乎所有制造商并未認識到超過80m/s的超高流量的存在,相信正是此原因導致超高流量的測量存在巨大的問題。

   二. 被誤解的管損

   1. 管損的存在應指蒸汽輸送中泄漏、疏水、排污中的損失,保溫不良并不會產生管損,因為當前普遍采用的是以蒸汽質量流量計量收費,而非按熱能收費。

    2. 根據超過2000臺蒸汽流量計的運行經驗,我們確定:“管損”的直接“貢獻”主要源于流量計的漏計量。

   三. 經檢定的流量計在現場使用精度可靠?

   1. 一直以來,工業流量測量是工業儀表中最為困難的部分之一。根據現有的各類流量計檢定(校準)規程,流量計是在理想工況之下進行檢定:管道平直、橫截面為規則圓形、內壁光潔、上下游直管長度充裕、流量計安裝準確。同時,采用恒定流速進行檢定。

   2. 在現場,由于蒸汽貿易計量的特殊條件,直管段長度基本可保證,但管道的圓度、法蘭與管道軸線的垂直度、法蘭與管道的同心度均很難保證,管道斷口的毛刺、密封墊伸入管道內部、流量計與管道不同心等常見問題均將導致不可預見的測量誤差,流量快速變化(即脈動流)的定義難以確定界限,更作為流量檢測方面的最大難題,脈動流所產生的誤差難于確定。這些現場問題的出現,是導致標定合格的流量計,在現場產生巨大誤差的根本原因。需引起供熱企業重視的是:現場條件對渦街流量計產生的影響,在多數情況之下將導致“漏波”的發生,最終表現為負誤差:蒸汽流量計量偏低。

   3. 對于流量計現場適應能力的問題,在新的國標中規定:流量計制造商應可向用戶定量提供現場條件影響的程度,這是流量計新國際標準中的一個重要進步,對流量計制造商提出了更高的要求,但令人遺憾的是新的國家標準未發布。

   四. 飽和蒸汽的誤區:

   1. 在蒸汽流量檢測方面,常有設計人員、用戶技術人員按照飽和蒸汽提供設計、選型參數,然而,通過分析即可得知:飽和蒸汽在供熱中幾乎不可能出現,因為只有當蒸汽的溫度、壓力、密度出現精確的一一對應關系時,才是飽和蒸汽,此時當溫度升高或壓力下降均將變成過熱蒸汽;溫度下降或壓力升高將導致蒸汽凝結成水,因此現場出現飽和蒸汽的時候基本是汽水共存,鍋爐氣包中的蒸汽是飽和蒸汽,對于汽水共存的流體,尚無流量計可以檢測。

    2. 目前技術人員多數仍采用水和水蒸汽參數表查詢參數,但由于表格數據固有的非連續性,常采用插值方式得到蒸汽參數,由此極易導致蒸汽種類(水、飽和蒸汽、過熱蒸汽)的誤判。對此,國際水與水蒸汽特性協會(International Association for the Properties of Water and Steam )(簡稱IAPWS)的IAPWS-95The IAPWS Formulation of Ordinary Water for General and Scientific Use)公式可給出精確的查詢。據此可準確查詢是否出現汽水共存或完全凝結成水的現象,并可通過在距流量計30~50倍直管段長度的上游安裝自力式減壓閥或截止閥降低流經流量計的壓力,并加強此段的保溫,令水變化成過熱蒸汽,確保計量準確。

五. 應足夠重視的流量二次表(流量積算儀)問題

   1. 由于國家取消二次儀表的生產許可證管制,導致二次表生產企業良莠不齊,根據我們的實測結果:不少二次表存在難以接受的誤差,除了常見的標準信號(4~20mA、PT100)定標誤差之外,更大的誤差出現在蒸汽密度的補償之中,一些儀表的密度誤差甚至高達30%,不幸的是:誤差常常是負值,直接導致供熱方的損失。出現這類問題的直接原因在于:制造商使用簡單、粗糙的計算公式,由此降低CPU的運算能力的需求,大幅度降低成本;或通過取消必須的A/D轉換、D/A轉換的校準、采用廉價的時鐘晶體降低成本。儀表業內公認的是:合格的蒸汽流量二次表(積算儀)應至少采用IAPWS-97公式進行蒸汽密度補償,IAPWS-97公式是IAPWS-95公式的簡化版,通過將計算精度降低到工業計量可接收的程度,大幅度降低運算量。

    2. 為避免二次表的問題,筆者建議:供熱方應對二次表進行校準檢查,由此可避免此類問題的發生。

    流量檢測作為工業自動化測量中的重要部份,由于流體力學的復雜性,一直以來存在諸多困難,不少制造商是通過仿制、抄襲制造產品,對于自己的產品并無可信的認識,出現應用問題時還懵懂不知,更不提可有應對措施。相反劣質、低價的競爭卻呈現蔓延的趨勢,對此應存高度重視,因為蒸汽貿易結算的計量對于熱電聯產企業的效益至關重要,而效益的改善相信對節能減排產生巨大的推動作用,低壓損的流量儀表更可為節能減排提供直接的支持,特別是以熱能計量進行貿易結算的場合。

 
 
 

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