胡海翔

（中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部，北京100728）

1 概述

由于蒸汽壓力較大、溫度較高，而且飽和蒸汽在計量時易變?yōu)闅庖簝上嗔?，相比于其他介質(zhì)，計量難度較大[1-3]。隨著我國大中型企業(yè)的不斷深化改革以及對節(jié)能降耗工作的日益重視，企業(yè)內(nèi)部各個分廠（車間）的經(jīng)濟效益進行獨立核算，蒸汽計量工作也越來越受到企業(yè)重視，計量準確性問題也日漸突出。在貿(mào)易結(jié)算中蒸汽計量存在著兩個問題，一是當蒸汽流量很小時，超出變送器的量程范圍，出現(xiàn)漏測的現(xiàn)象，供蒸汽企業(yè)損失較大；二是由于計量不準，導致供需雙方核對不一致，造成雙方直接的利益沖突，產(chǎn)生激烈的矛盾[4]。

目前熱電廠蒸汽流量計量主要采用渦街流量計和差壓式流量計兩大類。渦街流量計具有安裝維護方便、壓損小的優(yōu)點，但在計量過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題，比如信號受到干擾導致流量示值出現(xiàn)偏差，而且一旦出現(xiàn)此類問題，用戶往往過段時間才會發(fā)現(xiàn)，造成經(jīng)濟損失，因此供需雙方產(chǎn)生很多糾紛，同時抗震性差，從而制約了其應用[5-10]。相比于渦街流量計，差壓式流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝牢固、使用壽命長、差壓值高、重復性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此熱電廠蒸汽計量多采用差壓式流量計。

某熱電廠在汽輪發(fā)電機組下游蒸汽管道的流量計量中，流量變化范圍較大；由于冬季防凍和高空施工等限制，流量計需要安裝在室內(nèi)，但室內(nèi)空間有限，并且蒸汽管道結(jié)構(gòu)復雜，直管段普遍不足。為獲得更高的蒸汽計量精度，該電廠選擇了非標準差壓式流量計，并通過數(shù)字化分析技術，確定了安裝位置，得到了工況條件下的計量精度。

2 智能多孔工況流量計

該電廠選用的非標準差壓式流量計為智能多孔工況流量計。流體流過智能多孔工況流量計的過程中，在流量計上游和下游（法蘭取壓時為流量計上、下游端面25.4 mm 處）產(chǎn)生差壓，通過差壓、密度、等效直徑比、可膨脹系數(shù)、流出系數(shù)等計算出流量。計算公式如下：

質(zhì)量流量：qm＝ρ·qv

式中：ε 被測介質(zhì)可膨脹性系數(shù)，液體ε ＝1；對氣體、蒸汽等可壓縮流體ε ＜1；qv流體的體積流量，m3/s；qm流體的質(zhì)量流量，kg/s；d工況下節(jié)流件的等效開孔直徑，m；ΔP 節(jié)流件前后壓力差，Pa；ρ 工況下節(jié)流件上游處流體的密度，kg/m3；C流出系數(shù)；β等效直徑比。

3 汽輪發(fā)電機組蒸汽計量工況

根據(jù)該熱電公司的現(xiàn)場管道鋪設圖紙，上游高溫高壓蒸汽經(jīng)汽輪發(fā)電機組發(fā)電后輸送到下游熱網(wǎng)加熱器對外供熱。圖1（a）為汽輪發(fā)電機組出口蒸汽管道鋪設情況。根據(jù)現(xiàn)場儀表工程師反饋，熱網(wǎng)加熱器上游存在較長直管段，但是該管道中存在不定時開通、流向不定的輸氣橫管，見圖1（c），輸氣橫管在關閉狀態(tài)下，預計計量精度可控，但在輸氣橫管開啟狀態(tài)下，管道中蒸汽流場受到不確定蒸汽氣流的影響，嚴重影響計量結(jié)果，因此不能在熱網(wǎng)加熱器上游安裝流量計。在圖1（b）汽輪發(fā)電機組出口管道，存在允許流量計安裝區(qū)域。

汽輪發(fā)電機組出口區(qū)域直管段最長為6.2D，不滿足非標差壓式流量計的安裝要求，如果選擇該位置安裝，會導致流量計計量不準；直管段上下游為異面彎頭，在大量程比下，隨著蒸汽流量不斷變化，可能引起流量計儀表系數(shù)偏移，造成系統(tǒng)精度變差，因此需詳細分析管道內(nèi)蒸汽的流場，并進行工況標定，確定當前工況下流量計的儀表系數(shù)和計量精度。根據(jù)管道圖紙建立汽輪發(fā)電機組出口蒸汽管道三維模型，見圖1（d）。

汽輪發(fā)電機組下游蒸汽管道內(nèi)介質(zhì)為過熱蒸汽，工作溫度為265.8℃，工作壓力為400 kPa，密度為2.041 87 kg/m3，動力黏度為1.88×10-5Pa·s。流量計安裝管道的直徑為1 020×11 mm。過熱蒸汽的刻度流量為550 t/h，最大流量為500 t/h，常用流量為400 t/h，最小流量為55 t/h。

圖1 汽輪發(fā)電機下游蒸汽管道測量現(xiàn)場工況

4 汽輪發(fā)電機組出口管段氣流分布

根據(jù)基于計算流體力學的數(shù)字化流場分析技術，計算過程中使用k-ε 湍流方程，應用SIMPLE算法耦合連續(xù)性方程和動量方程，設定速度入口、壓力出口、整條管道壁面無滑移邊界條件。采用現(xiàn)場提供的常用流量工況運行參數(shù)對汽輪發(fā)電機組出口管段進行三維數(shù)值計算，得到數(shù)字化分析結(jié)果。

圖2（a）為汽輪發(fā)電機組出口管段內(nèi)蒸汽流動的速度分布云圖，由圖2（a）可知過熱蒸汽從管道下方入口流入，經(jīng)過一小段豎直管段后受到豎直彎頭的影響，彎頭內(nèi)側(cè)為綠色偏黃，與圖例對比可知該側(cè)流速高；彎頭外側(cè)為藍色，且越靠近彎頭外側(cè)邊緣顏色緣深，對比圖例可知，該側(cè)流速較低且越靠近外側(cè)流速越低。進入水平直管段后，整個直管段外側(cè)流速波動較小。又經(jīng)過水平彎頭進入后方異面管段后流出，可知該彎頭外側(cè)流速較低。

圖2（b）為汽輪發(fā)電機組出口管段內(nèi)蒸汽流動時的壓力分布云圖，由圖2（b）可知過熱蒸汽在豎直管段內(nèi)波動較小，在豎直彎頭內(nèi)側(cè)云圖顯示呈綠色偏藍，外側(cè)呈紅色，對比圖例可知，該彎頭處內(nèi)側(cè)壓力低，外側(cè)壓力高。水平直管段處由于受到后方水平彎頭的影響，直管段后方壓力略有變化。由于流體在流動過程中的能量損失，造成了豎直彎管下游水平直管段壓力均小于上游直管段處的壓力[11]。水平彎頭外側(cè)壓力較高。

為進一步分析管道內(nèi)過熱蒸汽的流場分布情況，截取管道內(nèi)具有代表性的兩個截面分析截面處的速度和壓力分布。圖2（c）為管段縱切面蒸汽流動的速度分布云圖，圖2（d）為管段縱切面蒸汽流動壓力分布云圖，由圖可知，豎直彎頭內(nèi)側(cè)壓力低流速高，外側(cè)壓力高流速低，允許流量計安裝管段受上游豎直彎頭影響，由于流動慣性，在彎頭內(nèi)側(cè)產(chǎn)生流線分離旋渦區(qū)，造成直管段底部區(qū)域流速波動較大，且分布不均勻，存在狹長的流速分布紊亂區(qū)，流量計在安裝時應該避開此區(qū)域。

圖2（e）（f）為管段橫切面蒸汽流動的速度、壓力分布云圖，由圖可知，允許流量計安裝直管段后方的水平彎頭處，內(nèi)側(cè)壓力低流速高，外側(cè)壓力高流速低。管道水平截面直管段內(nèi)的速度和壓力波動較小，分布比較均勻，水平彎頭對允許流量計安裝直管段內(nèi)過熱蒸汽的流場影響不大，因此對流量計計量精度影響較小。

圖2 汽輪發(fā)電機組出口蒸汽管道氣流分布

5 流量計安裝位置分析

在汽輪發(fā)電機組出口蒸汽管道允許流量計安裝直管段，每間隔0.5 m 選取一個橫截面，共選取13個截面，各截面的速度分布云圖如圖3（a）所示（圖中主要顯示直管段區(qū)域），由圖3（a）可知，13個截面的上方流速分布都比較均勻，主要是各截面下方流速波動較大，這與圖2 中的流場分析結(jié)果吻合，僅根據(jù)圖3（a）并不能確定流量計的具體安裝位置。因此計算各截面的平均流速得到13個截面的平均流速分布曲線如圖3（b）所示。

由圖3（b）可知，受汽輪發(fā)電機組出口蒸汽管道直管段下游水平彎頭對直管段區(qū)域流場的影響，流速在橫截面坐標0 ～0.5 m 處（直管段下游進入彎頭前）流速迅速降低，兩截面流速波動很大；在0.5 ～2.0 m 區(qū)域流速變化平緩，這是由于直管段上游豎直彎頭對直管段內(nèi)過熱蒸汽流場的影響逐漸減弱，下游水平彎頭對直管段區(qū)域流場的影響還尚未增強；隨后在2.0 ～5.5 m（直管段上游）坐標區(qū)域流速逐漸增大，在5.5 ～6.0 m坐標區(qū)域流速迅速提升。在2.0 ～6.0 m直管段區(qū)域，過熱蒸汽的流場主要受直管段上游彎頭控制，但隨著直管段內(nèi)流場逐漸向后發(fā)展，上游彎頭對直管段區(qū)域的影響逐漸減弱。綜上所述，根據(jù)各橫截面過熱蒸汽的平均流速分布，坐標0.5 ～1.0 m區(qū)域的流速最平穩(wěn)，適合安裝流量計。

以上數(shù)字化分析是在常用流量400 t/h工況下得到的，因為常用流量下管道內(nèi)過熱蒸汽流場相對穩(wěn)定的位置，在其他流量即刻度流量550 t/h、最大流量500 t/h、最小流量55 t/h 下相比于管道其他位置依然比較穩(wěn)定，所以確定在坐標1.0 m 的位置安裝非標差壓式流量計，然后進行工況標定。

圖4 為智能多孔工況非標差壓式流量傳感器的平面模型。該傳感器結(jié)構(gòu)主要包括衛(wèi)星孔和中心孔兩部分，看似結(jié)構(gòu)簡單的傳感器，其中心孔大小、衛(wèi)星孔直徑大小、兩種孔的比例、衛(wèi)星孔間距、衛(wèi)星孔距中心孔的距離、衛(wèi)星孔距傳感器邊緣距離等結(jié)構(gòu)特性以及等效直徑比與流出系數(shù)的函數(shù)關系，使得這種傳感器所能達到的效果并不簡單，決定了其具有一般差壓式流量計所不具有的優(yōu)勢以及其他流量計在復雜工況下達不到的精度等級。該傳感器采用了迭代技術，測量精度更高；壓力損失遠小于標準孔板流量計，節(jié)能效果更加顯著；該傳感器的結(jié)構(gòu)決定了其具備整流器的功能，使管道內(nèi)流場更穩(wěn)定，縮短了對直管段的要求；結(jié)構(gòu)對稱，可直接測量雙向流[12]。

圖3 汽輪發(fā)電機組蒸汽管道直管段上速度場分析

圖4 智能多孔工況非標差壓式流量傳感器

6 工況精度分析

按照上述汽輪發(fā)電機組出口管道模型，將非標差壓式流量計的傳感器安裝在蒸汽管道上，分別按照刻度流量550 t/h、最大流量500 t/h、常用流量400 t/h、最小流量55 t/h進行標定，標定后的精度分析數(shù)據(jù)如表1所示（工況精度）。汽輪發(fā)電機組出口管道實際標定的平均儀表系數(shù)為0.4149，儀表線性度為0.69%，符合1 級精度?？潭攘髁肯虏顗褐禐?7 074.9 Pa，最小流量下差壓值為655.181 Pa，可以滿足差壓變送器的測量要求。

表1 流量計安裝后精度分析

7 結(jié)論

綜上所述，分析該熱電公司提供的圖紙并根據(jù)實際工況，最終確定了允許流量計安裝的管段只能在汽輪發(fā)電機組出口。該管段流量變化范圍較大，上下游為異面彎頭，存在直管段不足的問題。根據(jù)基于計算流體力學的數(shù)字化分析技術對常用流量下的管道流場進行分析，結(jié)果表明直管段下游水平彎頭前1.0 m處，氣流受上游彎頭影響較弱，下游彎頭對該處流場的影響還未增強，此區(qū)域流場變化平緩，適合安裝流量計。管道安裝非標差壓式流量計后，采用數(shù)字化工況標定的方法，最終確定流量計精度1 級；刻度流量55 ～550 t/h 下的差壓值655.2 ～67 074.9 Pa，可滿足差壓變送器測量要求。