胡海翔
(中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部,北京100728)
由于蒸汽壓力較大、溫度較高,而且飽和蒸汽在計(jì)量時(shí)易變?yōu)闅庖簝上嗔鳎啾扔谄渌橘|(zhì),計(jì)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(gè)分廠(車間)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行獨(dú)立核算,蒸汽計(jì)量工作也越來越受到企業(yè)重視,計(jì)量準(zhǔn)確性問題也日漸突出。在貿(mào)易結(jié)算中蒸汽計(jì)量存在著兩個(gè)問題,一是當(dāng)蒸汽流量很小時(shí),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(jì)量不準(zhǔn),導(dǎo)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(jì)量主要采用渦街流量計(jì)和差壓式流量計(jì)兩大類。渦街流量計(jì)具有安裝維護(hù)方便、壓損小的優(yōu)點(diǎn),但在計(jì)量過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題,比如信號受到干擾導(dǎo)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(shí)間才會發(fā)現(xiàn),造成經(jīng)濟(jì)損失,因此供需雙方產(chǎn)生很多糾紛,同時(shí)抗震性差,從而制約了其應(yīng)用[5-10]。相比于渦街流量計(jì),差壓式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝牢固、使用壽命長、差壓值高、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因此熱電廠蒸汽計(jì)量多采用差壓式流量計(jì)。
某熱電廠在汽輪發(fā)電機(jī)組下游蒸汽管道的流量計(jì)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(jì)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(fù)雜,直管段普遍不足。為獲得更高的蒸汽計(jì)量精度,該電廠選擇了非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì),并通過數(shù)字化分析技術(shù),確定了安裝位置,得到了工況條件下的計(jì)量精度。
該電廠選用的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)為智能多孔工況流量計(jì)。流體流過智能多孔工況流量計(jì)的過程中,在流量計(jì)上游和下游(法蘭取壓時(shí)為流量計(jì)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(jì)算出流量。計(jì)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。
根據(jù)該熱電公司的現(xiàn)場管道鋪設(shè)圖紙,上游高溫高壓蒸汽經(jīng)汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)組出口蒸汽管道鋪設(shè)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(shí)開通、流向不定的輸氣橫管,見圖1(c),輸氣橫管在關(guān)閉狀態(tài)下,預(yù)計(jì)計(jì)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(yán)重影響計(jì)量結(jié)果,因此不能在熱網(wǎng)加熱器上游安裝流量計(jì)。在圖1(b)汽輪發(fā)電機(jī)組出口管道,存在允許流量計(jì)安裝區(qū)域。
汽輪發(fā)電機(jī)組出口區(qū)域直管段最長為6.2D,不滿足非標(biāo)差壓式流量計(jì)的安裝要求,如果選擇該位置安裝,會導(dǎo)致流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn);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(jì)儀表系數(shù)偏移,造成系統(tǒng)精度變差,因此需詳細(xì)分析管道內(nèi)蒸汽的流場,并進(jìn)行工況標(biāo)定,確定當(dāng)前工況下流量計(jì)的儀表系數(shù)和計(jì)量精度。根據(jù)管道圖紙建立汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道三維模型,見圖1(d)。
汽輪發(fā)電機(jī)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(jì)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(jī)下游蒸汽管道測量現(xiàn)場工況
根據(jù)基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)字化流場分析技術(shù),計(jì)算過程中使用k-ε 湍流方程,應(yīng)用SIMPLE算法耦合連續(xù)性方程和動量方程,設(shè)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(yùn)行參數(shù)對汽輪發(fā)電機(jī)組出口管段進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算,得到數(shù)字化分析結(jié)果。
圖2(a)為汽輪發(fā)電機(jī)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(lán)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(jìn)入水平直管段后,整個(gè)直管段外側(cè)流速波動較小。又經(jīng)過水平彎頭進(jìn)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(jī)組出口管段內(nèi)蒸汽流動時(shí)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(lán),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(jìn)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(gè)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(jì)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(jì)在安裝時(shí)應(yīng)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(jì)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(jì)安裝直管段內(nèi)過熱蒸汽的流場影響不大,因此對流量計(jì)計(jì)量精度影響較小。
圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道氣流分布
在汽輪發(fā)電機(jī)組出口蒸汽管道允許流量計(jì)安裝直管段,每間隔0.5 m 選取一個(gè)橫截面,共選取13個(gè)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(gè)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(jì)的具體安裝位置。因此計(jì)算各截面的平均流速得到13個(gè)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(jī)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(biāo)0 ~0.5 m 處(直管段下游進(jìn)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(qiáng);隨后在2.0 ~5.5 m(直管段上游)坐標(biāo)區(qū)域流速逐漸增大,在5.5 ~6.0 m坐標(biāo)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(biāo)0.5 ~1.0 m區(qū)域的流速最平穩(wěn),適合安裝流量計(jì)。
以上數(shù)字化分析是在常用流量400 t/h工況下得到的,因?yàn)槌S昧髁肯鹿艿纼?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(biāo)1.0 m 的位置安裝非標(biāo)差壓式流量計(jì),然后進(jìn)行工況標(biāo)定。
圖4 為智能多孔工況非標(biāo)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(guān)系,使得這種傳感器所能達(dá)到的效果并不簡單,決定了其具有一般差壓式流量計(jì)所不具有的優(yōu)勢以及其他流量計(jì)在復(fù)雜工況下達(dá)不到的精度等級。該傳感器采用了迭代技術(shù),測量精度更高;壓力損失遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì),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(jī)組蒸汽管道直管段上速度場分析
圖4 智能多孔工況非標(biāo)差壓式流量傳感器
按照上述汽輪發(fā)電機(jī)組出口管道模型,將非標(biāo)差壓式流量計(jì)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(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)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(jī)組出口管道實(shí)際標(biāo)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(jì)安裝后精度分析
綜上所述,分析該熱電公司提供的圖紙并根據(jù)實(shí)際工況,最終確定了允許流量計(jì)安裝的管段只能在汽輪發(fā)電機(jī)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(jì)算流體力學(xué)的數(shù)字化分析技術(shù)對常用流量下的管道流場進(jìn)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(qiáng),此區(qū)域流場變化平緩,適合安裝流量計(jì)。管道安裝非標(biāo)差壓式流量計(jì)后,采用數(shù)字化工況標(biāo)定的方法,最終確定流量計(jì)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。