多年來, 蒸汽流量的準(zhǔn)確計量是各儀表生產(chǎn)廠家和技術(shù)人員研究和實踐的大命題。從傳統(tǒng)的孔板到90 年代在我國廣泛使用的渦街流量計, 和其他的各種流量計, 在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場, 都很難做到準(zhǔn)確的計量。
在以往選用流量計時, 往往受到流量計本身的參數(shù)影響。例如孔板流量計量程比小, 計量精度低, 而不能很好滿足過程的控制流量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)在的流量計有了新的發(fā)展, 蒸汽計量中采用了新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)并做了相應(yīng)的測試。
1、應(yīng)用條件
流量儀表要正確和有效地選擇, 必須熟悉流量儀表和被測對象的流體特性兩方面的情況, 還要考慮經(jīng)濟(jì)因素等, 結(jié)合具體應(yīng)用過程中各方面因素, 歸納起來有5 個方面:
( 1) 液體特性: 包括液體種類、物理化學(xué)性能(密度、粘度、腐蝕性、含雜質(zhì)程度、是否易結(jié)晶等) 、溫度和壓力的變化范圍等特性。
( 2) 性能要求: 包括測量范圍、精度等級、重復(fù)性、線性度、允許壓力損失、響應(yīng)時間等要求。
( 3) 環(huán)境要求: 爆炸危險區(qū)等級、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、電氣干擾等要求。
( 4) 安裝條件: 包括前后直管段情況、液體有無脈動或沖擊、有無停工檢修的可能性、管道是否振動、維護(hù)空間等條件。
( 5) 費(fèi)用限制: 在滿足能源、精度的要求基礎(chǔ)上, 結(jié)合投資情況, 結(jié)合考慮安裝、運(yùn)行、校驗、維護(hù)等費(fèi)用。
差壓式流量計是迄今為止檢測各種氣體、液體和蒸汽流量最為廣泛使用和熟悉的計量儀表。檢測流量的基本原理早在17 世紀(jì)就已發(fā)現(xiàn), 而真正開始進(jìn)行大規(guī)模的試驗和用于工業(yè)流量測量是在本世紀(jì)20 年代。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置經(jīng)過60 余年的研究和使用, 積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗, 它是目前流量儀表中唯一達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的檢測元件, 即無須校準(zhǔn)就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。經(jīng)粗略統(tǒng)計, 約80% 的流量測量系統(tǒng)采用差壓式流量計。由此可見必須充分了解差壓式流量計的特性。
差壓式流量計由節(jié)流裝置( 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和特殊節(jié)流裝置) 和差壓計組成。按其原理屬于流速法。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置基本適合測量干凈的液體、氣體或蒸汽流量。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單, 能夠保證一定使用精度, 加工、安裝及更換方便, 價格低廉。主要缺點(diǎn)是測量范圍窄( 量程比約5: 1) , 永久壓力損失大( 占差壓的40%~ 80% ) , 直管段要求較嚴(yán)格。帶尖銳邊緣的標(biāo)準(zhǔn)孔板不適合測量強(qiáng)腐蝕介質(zhì), 長時間使用會改變流量系數(shù), 從而增大誤差。此時宜采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。一般需經(jīng)模擬實流試驗才能可靠地使用的節(jié)流裝置稱為特殊節(jié)流裝置( 或稱為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置) 。特殊節(jié)流裝置的使用主要是彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的不足。比如1/ 4 圓噴嘴和雙重孔板可用于測量低雷諾數(shù)的流體, 圓缺孔板、偏心孔板等可用于測量臟污介質(zhì), 整體( 內(nèi)藏) 孔板可用于測量小流量( 小管道) , 文丘里管適用于低壓損測量等.... 在1999 年公司維達(dá)搬遷工程中, 根據(jù)工藝要求在提煉工序中完成蒸氣流量計量任務(wù), 確保提煉工藝中的要求, 計量精度優(yōu)于.. 1..0%, 范圍度> 1..13, 據(jù)此選用了SR ( III ) 型流量計, 其特點(diǎn)如下:
T C205 流量儀采用分段運(yùn)算法和模擬線性法共同完成和實現(xiàn)了量程比的擴(kuò)展, 以及一體化安裝結(jié)構(gòu)減小了安裝管路引入的誤差。
2、工作原理
孔板流量計是不同于以往的傳統(tǒng)型孔板流量計, 傳統(tǒng)孔板是范圍度1..3~ 1..5, 計量精度.. 5% , 這是為什么呢?
以往的孔板流量計以..p 為變量, 測出孔板的流量, 但這在實際中q m= f ( c, .., ..p ) 的函數(shù), 在實際設(shè)計中通常c, ..作為常量去設(shè)計, 從圖1 可見, 流量大時誤差偏向.. + .. 側(cè), 反之, 流量小, 誤差偏向一側(cè)。由壓差檢測獲得曲線, 在計算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)工業(yè)計量。 之前的100 多年里, 人們經(jīng)過了無數(shù)次的研究, 竟然一直對這一運(yùn)算方法深信不疑。造成這種狀態(tài)的原因大概是由于產(chǎn)生差壓的孔板構(gòu)造太簡單了, 連制造標(biāo)準(zhǔn)基本上也是世界通用的, 人們沒有想到要質(zhì)疑自己已經(jīng)習(xí)慣了的數(shù)學(xué)模式。以致使孔板流量計的量程比和測量精度在很長的一段時間里停留在較低的水平。到了1984 年, 由于IC 技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用, 技術(shù)人員開始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運(yùn)算方法。圖2 與圖1 相同, 計算誤差均限定為4% 時, 流量范圍約為45% ~ 85% 。這就是過去工業(yè)測量所能使用的范圍, 量程比為1..4, 孔板測量精度.. 4%, 再提高測量精度至.. 3% 時, 量程比縮小1 .2 附近, 超過這個界限測量時, 會造成壓力表內(nèi)水銀飛濺, 產(chǎn)生大的測量誤差, 是不便于實際應(yīng)用的流量計。這就是人們認(rèn)為孔板流量計精度.. 4% , 量程比最大到1..4 固有觀念的原因所在。事實上確是如此, 即便擁有現(xiàn)代的傳感器, 也無法超越這個原理和法則。但是這么大的誤差和窄的量程比對工業(yè)測量是沒有多大用處的。技術(shù)人員, 從誤差曲線開始研究, 在曲線上精度0% 處( 流量65%附近) 分割出一流量( 壓差) 區(qū)域, 在此區(qū)域內(nèi)測量精度為零或接近于零, 并進(jìn)一步用計算機(jī)進(jìn)行處理實驗。為便于計算, 選定使用頻率高的區(qū)域, 在此區(qū)域內(nèi)組成計算誤差最小的數(shù)學(xué)模型, 其它區(qū)域仍用以往的計算式。如圖3 所示, 這種方式在所確定的區(qū)域內(nèi)誤差變小, 區(qū)域外側(cè)產(chǎn)生很大的誤差, 隨著流量范圍增大, 誤差就越大, 不能取得大的量程比。由此可見, 只用一個公式包容流量計的整個流量范圍, 是不合適的, 有違于測量原理。這種方式的根本錯誤是難于將所認(rèn)定的高頻度使用區(qū)域與現(xiàn)實相吻合, 對于整個流量范圍, 減少測量誤差的唯一方法是什么呢? 回答是很簡單的, 即增加運(yùn)算式的數(shù)量就可滿足要求。第一階段是首先將誤差限定在.. 1%時, 分析用一個運(yùn)算式計算誤差有多少, 發(fā)現(xiàn)流量范圍按30% 的比例平分后, 平均其誤差, 分段圖如圖4 所示。在這種條件下使用計算機(jī)按所編程序進(jìn)行運(yùn)算, 取得了非常好的成績。由此結(jié)果增強(qiáng)了可進(jìn)一步縮小誤差范圍的信心, 由1..0% 一下縮至0..5%, 分割流量范圍為20% , 可見其誤差平均化, 如圖5 所示。將此理論進(jìn)一步發(fā)展, 可將分割流量范圍為20% , 可將分割區(qū)間細(xì)分為圖6 與圖7, 使誤差無限接近零, 進(jìn)一步細(xì)分至無窮大, 最后可能收斂于零如圖8 所示。然而問題不那么簡單, 細(xì)分區(qū)間必然使得孔板的計算復(fù)雜化, 其理由是, 要計算二個變量需要龐大的基礎(chǔ)資料和反復(fù)進(jìn)行運(yùn)算嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式, 即使使用現(xiàn)代家用電腦, 其運(yùn)算時間也要超過1s。更何況專用小型計算器了, 根本跟不上流體的變化, 必導(dǎo)致產(chǎn)生數(shù)秒的運(yùn)算滯后和顯示滯后。從實用角度看, 無論使用什么樣的軟件技術(shù), 運(yùn)算所需時間都要在0..5s 內(nèi)完成。在不計成本的開發(fā)研制階段, 是不需考慮的, 但要商品化則必須計較, 這也是無限細(xì)分區(qū)間遇到的最大障礙。
在反復(fù)計算各參數(shù)變量的過程中, 不局限于將誤差控制在.. 5% 的分段區(qū)間的均等性, 相反由誤差所控范圍推出分段區(qū)間, 在這個分出的流量區(qū)域內(nèi), 將流量系數(shù)與可膨脹系數(shù)這二個變量集約成一個參數(shù)變量。更為重要的是明確了分段區(qū)間不用分為5 等分, 分為4 個區(qū)段就足以保證測量精度。此舉可縮短運(yùn)算時間和壓縮記憶存儲容量, 為產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。圖9 所示分段區(qū)間不是按20% 等分, 而是在特定區(qū)域加大區(qū)間, 其他的以20%進(jìn)行分段。分段運(yùn)算法最顯然的缺陷是各分段區(qū)間的連接點(diǎn), .. + .. 誤差瞬間變?yōu)?. - .. 誤差, 理論上出現(xiàn)數(shù)值重疊, 實際上在那點(diǎn)只要流量不為零, 就看不到這種現(xiàn)象。在瞬間流量顯示時, 瞬間數(shù)值會有所變動, 但由于在1% 誤差內(nèi)的變動, 不會影響實際使用, 在視覺上也極難觀察到這種現(xiàn)象。相反在累加中, 由于一連串的流量增減, 反復(fù)通過三個連接點(diǎn), 正負(fù)誤差相互抵消平均, 在4 個分段內(nèi)的運(yùn)算也因此正負(fù)誤差相抵, 從整個累加量上分析具有縮小綜合誤差的效果。這一點(diǎn)是分段運(yùn)算的重要優(yōu)越性。詳見圖10。根據(jù)現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 將分段點(diǎn)取為8 段, 并以等比段數(shù)分段法去分段, 基于這一理論開發(fā)的SR 型流量計, 范圍度1..13, 基本誤差.. 1% 。
3 實驗結(jié)果
實測結(jié)果表明該流量計具有1..13 量程比, 基本誤差在.. 1..0% , 較好的滿足了生產(chǎn)工藝的要求, 實現(xiàn)了節(jié)能的措施。
