在石油、化工、熱電、石化等廠礦企業里,采用著大量的各種類型蒸汽流量計。由于以蒸汽作介質對蒸汽流量計實測檢定難度大、精度低、費用高,致使一些使用蒸汽流量計的單位,不愿送出去檢定;而有能力開展這項檢定業務的單位盡管很少,就是這很少的單位,也因檢定成本太高,難度又大,也不愿開展這項業務。造成一些企業,甚至是一些技術好的大型企業,對蒸汽計量管理也存在很多問題:對蒸汽計量儀表僅能修理不能檢定;蒸汽計量率低;蒸汽計量儀表精度低誤差大。這給企業的成本核算和節能降耗帶來很大影響。
為了改變這種狀況,國內外一些有能力的有關院、所和企業,都在積極投資、組織人力研究以空氣代替蒸汽,對蒸汽流量計進行檢定的問題,并且認定這是今后的發展方向。但是研究進展速度不太理想,我們的蒸汽流量計檢定站從1989年建立以來至今尚未拿出滿意的數據,而從聽說有研究此課題(國外)的以來,至今10多年了,與外商接觸談及此問題時,他們回答仍是說在研究。當然是由于保密的原因吧,國內外的一些研究進展較快的單位,都不愿多透露半點信息。致使我們至今尚未見到真正從理論上闡述利用空氣代替蒸汽進行蒸汽流量計檢定的任何資料,更談不上有實測或修正數據供推廣應用。這里談點個人浮淺的看法,愿它能起到拋磚引玉和推波助瀾的作用。
能不能用壓縮空氣代替蒸汽對蒸汽流量計進行檢定?能,有什么理論依據?又是怎樣的代替法呢?
1用壓縮空氣代替蒸汽對蒸汽流t計進行檢定的可能性
理論依據就是從流體力學角度出發,根據相似原理,兩個幾何上相似的流束,如果它們的雷諾準數值相等,即流束在流體動力學上是相似的,這時其流量(出)系數也是相等的。基于這個理論,在對蒸汽流量計檢定時,設法使壓縮空氣在管道內流動的雷諾數值,等于蒸汽在此管道內的流動的雷諾數值時,即認為兩個流束在流體動力學上是相似的,它們的流量(出)系數也是相等的,通過檢測設備檢測,在檢定裝置上顯示出的值也是相同的,即達到以壓縮空氣代替蒸汽的目的。
2計算分析
如何代替呢?基于上述原理,為了使空氣和蒸汽在相同管道內的雷諾數達到相同的條件,進行計算分析如下。
根據基礎數據不同,雷諾數計算可采用的計算公式形式(系數)有所不同。這里不是求具體雷諾數值,而是利用其公式中的某項因子分析壓縮空氣與蒸汽之間的關系。
據公式eRD一4qm/7r產D知,在同一個管徑D值管道中,幾何相似的兩流束的雷諾數值相同時,可對上式分子上的質量流量qm值和分母的動力粘度產值分析(二值為常數),兩者都是可變化的,但是qm值是可人為規定的數,而動力粘度產值才是與兩種氣體固有的性質有關的參數,當然它是隨操作條件變化而變化的,但是相同條件下,不同氣體,粘度產值不同,雷諾數計算值就不同,因此粘度產值成了分析雷諾數的關鍵。
粘度產值的求取方法,有查圖法和計算法。查圖法一般人為視差較大,而計算方法人為誤差較小。何況布朗利和威爾克對赫希菲爾德方程進行修正后,提出的低壓氣體粘度方程式,正適用于我們檢定裝置,一般檢定裝置在檢定過程中,系統的壓力都不高,都屬于低壓范疇的,所以對于低壓氣體—壓縮空氣和蒸汽的粘度產值可采用該方程式進行計算,即
由上述可知,應先確定檢定裝置所采用的壓縮空氣和過熱蒸汽的操作溫度條件,才可計算。
根據石化流量計量檢定站的情況,確定壓縮空氣的操作溫度為20℃,即爪=20+273·15=293.15(K)。而蒸汽采用微過熱蒸汽,具體操作條件是:操作壓力為絕壓P絕=gkgfc/m名(注:可查的標準和工具書的表格中所涉及到的壓力、粘度、密度等都是舊單位制,雖然均可以換算為新單位制,考慮此文只是論證以壓縮空氣代替蒸汽進行蒸汽流量計檢定的道理,若轉換為法定計量單位時,篇幅要加長,不利于說明間題。何況實際應用時,在此結果的基礎上轉換即可,結果是一樣的。因此,此文中均未采用法定計量單位),過熱溫度為190℃(飽和溫度為174.5℃),即
通過粘度計算結果表明,空氣和蒸汽在限定的操作溫度條件下,空氣的粘度比蒸汽的粘度大。
這里先按保持體積量相同分析—可稱等體積法。已知蒸汽的操作條件,即P絕=gkgf/cm2(Ikgf/ cm2=0.1MPa,下同),Tf=190℃，它的密度由查表得知ρ汽=4.3687kg/m3，所以空氣的密度為
即當檢定蒸汽流量計時,本想在操作絕壓為P絕=9(kgf/ cm2),操作溫度為190℃的過熱蒸汽條件下檢定,若改用壓縮空氣代替,按等體積法計算出,當空氣操作溫度為20℃時,其操作壓力P絕=4.3647(kgf/ cm2)。
(或將空氣視為理想氣體,由理想氣體方程式pv=RT得知壓力與密度、溫度等的關系式為
兩種計算結果約有萬分之五的誤差,這是正常的,可以認為是空氣及蒸汽數據表本身的精度及計算公式本身的精度等原因所造成的。)
若保持密度ρ值相同—可稱等密度法。為達到qm氣=ρ汽,在ρ汽=ρ汽=4.3687(kg/m3)的條件下,V氣/V汽=1.16546,即此時空氣的體積流量應比蒸汽流量增大為1.14566倍。此時的空氣操作壓力可從空氣密度表_匕用內插法計算求出,也可用氣體方程式求出。根據理想氣體的壓力與密度、溫度等的關系計算,此時的空氣操作壓力為
若已知蒸汽流量計的現場運行條件,直接用現場蒸汽實際運行條件,如其操作壓力P絕=4(kgf/cm2),操作溫度為150℃(此壓力下的飽和溫度為143℃)時,可用上述方法求出操作溫度為20℃時壓縮空氣的操作壓力,計算如下。
首先按上述方法計算出此操作條件下的蒸汽粘度。
(kgf/cm2)。在此操作狀態下,由于qm=Vρ, ρ值不變,欲想達到ReD氣=ReD汽,且qm氣/qm汽=1.2716條件,v值體積量應增大為原來量的1.2716倍。
通過上述計算可知,蒸汽的壓力、溫度不同,所對應的壓縮空氣的操作壓力,在操作溫度一定的前題下(室溫)是不同的。也可說,現場蒸汽運行條件盡管千差萬別,只要知道被檢定的蒸汽流量計現場運行的操作壓力、溫度等條件,如果以壓縮空氣作介質檢定蒸汽流量計時,都可以求出其對應的操作壓力和溫度條件。
無論是用蒸汽流量計現場運行條件,求出壓縮空氣的操作條件,進行蒸汽流量計的檢定,還是用蒸汽流量計檢定裝置設計的蒸汽運行條件,求出的壓縮空氣操作條件,進行蒸汽流量計檢定(從檢定誤差等方面分析,兩種方法各有利弊),都存在一個在實驗室條件下檢定后,如何轉換到現場操作條件下運行的儀表誤差問題。
3誤差的消除
為了適應上述轉換,檢定記錄表時,應增加如下內容,如下表所示。
從表中可以看出,我們前面論證的計算實質是將b值轉換為。值,檢定后得到。1一。值后還需再進一步轉換。
第一步是將C值轉換為修正后的蒸汽流量d值。這個轉換過程,實際是將常溫20℃下的量轉換為對應蒸汽條件(溫度)下的量,因為這兩種狀態溫度相差較大,會給不同類型、不同材質的蒸汽流量計,造成不同的影響,即產生的誤差不同。對于孔板差壓式流量計,孔板的孔徑受熱膨脹,孔徑變為D=D20·〔1+λD(t-20)〕;而對夾裝式渦街蒸汽流量計,可采用K修=K〔1一λD(t一20)〕式。故依據此原理來進行計算修正這部分誤差。而分流旋翼式等蒸汽流量計,應通過大量的實踐數據,找出正確的修正系數或修正公式。這項工作可以邊實踐邊積累,先找出粗的(誤差較大)系數應用,以后再進一步作細致工作,最后找出正確的修正因子,使理論上對應的c值,很容易地轉換為真實條件下的蒸汽量d值。
第二步是將修正后的蒸汽量d值轉換為現場運行條件下的蒸汽流量qm值。
如果檢定蒸汽流量計的壓縮空氣的運行條件,是在現場實際操作條件下推算出來的,流量計檢定后轉換到第一步d值即可,d值也即是現場運行條件蒸汽量qm值。如果壓縮空氣運行條件是由蒸汽流量計檢定裝置、的固定的蒸汽條件推算出來的,還需要這第二步轉換。這個轉換可采用密度校正系數法進行修正。
4結論
采用壓縮空氣代替蒸汽檢定蒸汽流量計,其意義重大,難度亦大。其檢定誤差分析也是難題之一,因它涉及的因素、環節多,需作專題探討。
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