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精确计量,促进节能减排
已阅:2354  2011-8-29 18:40:57

精确计量,促进节能减排

(收录于中国电机工程学会热电专业委员会 “大机组供热改造与优化运行技术2010年会”论文集)

王为民 唐贤昭

摘要:通过流量检测原理及现场经验分析蒸汽贸易结算中存在的一些问题,期望通过降低计量漏损挽回蒸汽贸易结算中供热方的损失,提高热电厂效益,促进节能减排的实施。

关键词:压力损失  计量漏损  测量范围  检定精度  使用精度  IAPWS公式

计量与节能减排的关系,于传统意义而言,主要指在物料输送管道之上安装检测仪表,特别是流量测量仪表后,由于流量仪表内的阻流部件产生压力损失,为保证所需的物料输送量,只能加大输送能量,对热电厂而言,常见的加大风机功率(一次风、二次风、返料风、引风等风量检测)、增大煤耗(蒸汽流量检测)增大泵功率(给水流量检测等),以克服仪表产生的压力损失造成的影响。

对于流量仪表产生的高能耗,国家高度重视,早在“65”期间设立的攻关项目就专为改善流量仪表压力损失而设。

然而,基于当前仪表技术水平所限,对于主蒸汽、主给水等流量检测,新型低能耗流量仪表,还难以适应所需的高温、高压应用工况,一些电厂通过取消给水、主蒸汽流量检测从而消除附加压力损失加以改善,节能效果自然十分明显,虽然是以降低控制水平为代价。

    对于流量检测带来的能源损耗,下式实例给出准确计算,希望在此,给出直观、准确的认识:

    下面给出典型的孔板、涡街流量计压损实例,可以看到涡街流量计明显的节能效力:

     管径:400mm;流体类型:蒸汽;流体温度:280℃;流体压力0.9MPa:常用流量60t/h标准孔板产生的能量损失:57.2 kw;Wv系列涡街流量计产生的能量损失:7.2 kw

然而,对热电联产企业而言,对外供热的贸易计量是构建企业效益环节之中最为重要环节之一,外供蒸汽计量系统在其中的作用,类似于“收款机”,一旦发生问题,轻则影响热电厂与热用户的关系,影响供热销售业务的拓展,重则导致热电厂效益低下,甚至莫名亏损,基本的效益无以保证,涉及节能减排的投资行为更难以为继。

   在供热贸易结算中,涉及流量、温度、压力、二次表(流量积算仪)、热网监控系统等环节、设备,其中流量测量为最为困难的环节,对此已为广泛共识。广大技术人员为找到适用的仪表付出巨大的努力,热电企业也为此付出高昂代价,其间在技术、管理等方面,各种创新手段层出不穷,推动供电计量水平快速进步。然而,我们也注意到,由于一些技术商务方面的原因,对于蒸汽计量还存在一些明显的问题值得商榷。

    一. 被误解的流量范围,导致热电企业巨额损失:

   1. 通常认为,蒸汽流量一般在30m/s左右,过低的流速将因热量散失比例大、凝结成水,无法计量;过高的流速也不会产生,4m/s~80m/s的测量范围足以适应流量的变化,可以得到可信的计量水平。

    2. 但实际上,由于下述原因,热电厂将承担很大的损失:

     ¨ 由于选购流量计时技术人员很难确定真实的用汽流量范围,实际安装的流量计测量范围与真实流量范围偏离,导致计量偏低。

    ¨ “合法偷汽”现象,对于一些蒸汽用户而言,其用汽工况允许大范围调整流量,因此,用户可通过将用用气量尽可能控制在低于流量计可测下限或高于流量计量程上限的“两端用汽”,真实的流量范围在1m/s~200m/s,对于当前普遍使用的几类流量计而言,均将产生巨大的计量漏损:

    a. 对于孔板、喷嘴等差压式流量计,典型的检测范围在5m/s~60m/s,准确测量范围在17~51m/s,为避免不用汽时有计量,必须截除5m/s以下的流量,某些场合甚至需要截除10m/s的流量,用户有意将流量控制在截除流量之下,即可避开计量收费。另外:用户将阀门全开,超量程用汽,此时由于差压变送器输出信号通常限制在23mA,只能输出最高65.38m/s的流量信号,也就是说:当真实流量高于65.38m/s后,只能依照65.38m/s计量收费,由此将产生巨大的漏计量。

     b. 对于涡街流量计,国内产品标称测量范围常在6m/s~60m/s,进口产品最宽标称2m/s~80m/s。根据我们实地检测结果:在现场工况条件下,被检测的多家国内产品,在流速低于6m/s时无流量信号输出,在6m/s~8m/s范围内,误差高达-40%左右;在流速40m/s~60m/s时误差仍可高达-40%,在流速高于60m/s后,将普遍出现流量越高、指示越低的、涡街流量计特有的“倒走”现象,并且同时很可能出现传感器断裂的事故。对于几种进口产品的检测结果表明:实际的测量下限在5m/s以上,并且随使用时间的推移,灵敏度常进一步下降,测量下限可增高到8m/s;在进口产品标称的80m/s测量范围之内,基本未发现明显的测量误差,但在流量超过80m/s后,仅发现一种产品可维持80m/s的流量信号输出,其余产品与国内产品一样,出现“倒走”现象

     c. 根据我们对数十家热电厂中这类蒸汽用户的分析,在换用超大量程比的抗振型涡街流量计之后,计量值普遍为原来的3~6倍,在某些场合甚至超过10倍,最典型的可“两端”用汽的用户包括供热的换热站、烧热水销售的热水站、化工反应釜、浴室等。对于蒸汽计量方面的上述问题,笔者作为涡街流量计新的国标主起草单位代表,在借机与参与国标制定的国内外制造商主要技术负责人讨论时发现:几乎所有制造商并未认识到超过80m/s的超高流量的存在,相信正是此原因导致超高流量的测量存在巨大的问题。

   二. 被误解的管损

   1. 管损的存在应指蒸汽输送中泄漏、疏水、排污中的损失,保温不良并不会产生管损,因为当前普遍采用的是以蒸汽质量流量计量收费,而非按热能收费。

    2. 根据超过2000台蒸汽流量计的运行经验,我们确定:“管损”的直接“贡献”主要源于流量计的漏计量。

   三. 经检定的流量计在现场使用精度可靠?

   1. 一直以来,工业流量测量是工业仪表中最为困难的部分之一。根据现有的各类流量计检定(校准)规程,流量计是在理想工况之下进行检定:管道平直、横截面为规则圆形、内壁光洁、上下游直管长度充裕、流量计安装准确。同时,采用恒定流速进行检定。

   2. 在现场,由于蒸汽贸易计量的特殊条件,直管段长度基本可保证,但管道的圆度、法兰与管道轴线的垂直度、法兰与管道的同心度均很难保证,管道断口的毛刺、密封垫伸入管道内部、流量计与管道不同心等常见问题均将导致不可预见的测量误差,流量快速变化(即脉动流)的定义难以确定界限,更作为流量检测方面的最大难题,脉动流所产生的误差难于确定。这些现场问题的出现,是导致标定合格的流量计,在现场产生巨大误差的根本原因。需引起供热企业重视的是:现场条件对涡街流量计产生的影响,在多数情况之下将导致“漏波”的发生,最终表现为负误差:蒸汽流量计量偏低。

   3. 对于流量计现场适应能力的问题,在新的国标中规定:流量计制造商应可向用户定量提供现场条件影响的程度,这是流量计新国际标准中的一个重要进步,对流量计制造商提出了更高的要求,但令人遗憾的是新的国家标准未发布。

   四. 饱和蒸汽的误区:

   1. 在蒸汽流量检测方面,常有设计人员、用户技术人员按照饱和蒸汽提供设计、选型参数,然而,通过分析即可得知:饱和蒸汽在供热中几乎不可能出现,因为只有当蒸汽的温度、压力、密度出现精确的一一对应关系时,才是饱和蒸汽,此时当温度升高或压力下降均将变成过热蒸汽;温度下降或压力升高将导致蒸汽凝结成水,因此现场出现饱和蒸汽的时候基本是汽水共存,锅炉气包中的蒸汽是饱和蒸汽,对于汽水共存的流体,尚无流量计可以检测。

    2. 目前技术人员多数仍采用水和水蒸汽参数表查询参数,但由于表格数据固有的非连续性,常采用插值方式得到蒸汽参数,由此极易导致蒸汽种类(水、饱和蒸汽、过热蒸汽)的误判。对此,国际水与水蒸汽特性协会(International Association for the Properties of Water and Steam )(简称IAPWS)的IAPWS-95The IAPWS Formulation of Ordinary Water for General and Scientific Use)公式可给出精确的查询。据此可准确查询是否出现汽水共存或完全凝结成水的现象,并可通过在距流量计30~50倍直管段长度的上游安装自力式减压阀或截止阀降低流经流量计的压力,并加强此段的保温,令水变化成过热蒸汽,确保计量准确。

五. 应足够重视的流量二次表(流量积算仪)问题

   1. 由于国家取消二次仪表的生产许可证管制,导致二次表生产企业良莠不齐,根据我们的实测结果:不少二次表存在难以接受的误差,除了常见的标准信号(4~20mA、PT100)定标误差之外,更大的误差出现在蒸汽密度的补偿之中,一些仪表的密度误差甚至高达30%,不幸的是:误差常常是负值,直接导致供热方的损失。出现这类问题的直接原因在于:制造商使用简单、粗糙的计算公式,由此降低CPU的运算能力的需求,大幅度降低成本;或通过取消必须的A/D转换、D/A转换的校准、采用廉价的时钟晶体降低成本。仪表业内公认的是:合格的蒸汽流量二次表(积算仪)应至少采用IAPWS-97公式进行蒸汽密度补偿,IAPWS-97公式是IAPWS-95公式的简化版,通过将计算精度降低到工业计量可接收的程度,大幅度降低运算量。

    2. 为避免二次表的问题,笔者建议:供热方应对二次表进行校准检查,由此可避免此类问题的发生。

    流量检测作为工业自动化测量中的重要部份,由于流体力学的复杂性,一直以来存在诸多困难,不少制造商是通过仿制、抄袭制造产品,对于自己的产品并无可信的认识,出现应用问题时还懵懂不知,更不提可有应对措施。相反劣质、低价的竞争却呈现蔓延的趋势,对此应存高度重视,因为蒸汽贸易结算的计量对于热电联产企业的效益至关重要,而效益的改善相信对节能减排产生巨大的推动作用,低压损的流量仪表更可为节能减排提供直接的支持,特别是以热能计量进行贸易结算的场合。

 
 
 
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