过热水蒸汽流量温压补偿的数学模型及实现 精品

过热水蒸汽流量温压补偿的

数学模型及实现

梁 涌

( 北京燕化石油化工设计院, 北京 102500)

摘 要: 针对过热蒸汽的流量计量问题, 论述了温度压力补 偿原理, 提出了温压全补偿的观点, 并对目前常用的几种实 现过热水蒸汽流量温压补偿的方法做了比较。 关键词: 过热蒸汽; 温压补偿; 流量 为 常 2) 孔径比。β的值在节流件制造完成 后 数, 不随温度压力的变化而改变。

装 3) 流束膨胀系数。ε的值根据不同的节流

中图分类号: TP942

文献标识码: A

节流流量计是过热蒸汽计量常用的流量计。在 运行过程中, 当温度、 压 力 等 状 态 值 偏 离 设 计 值 时, 相同流量通过时差压值会不相同, 如果不经过 温度、压力补偿, 反映的流量就不一样, 为了计量 准确, 必须进行温压补偿。

1 温度压力补偿原理

1.1 节流装置的质量流量计算公式

节流装置的质量流量计算公式为:

q m = C 2

!

εβ2 π D ! 1 ( 1)

式中: q m 为质量流量; C 为流出系数; ε为流束膨 胀系数; β为孔径比; D 为管道内径; ρ1 为节流装 置上游取压口处流体的密度; ΔP 为节流装置前后 差压值。

1.2 流量公式分析

从式 ( 1) 可看出, 与质量流量有关的几个参 数为: C , ε, β, D , ρ1, ΔP , 下面逐一对各个参数 进行分析:

1) 管道内径。D 的值随流体温度的变化而改 变, 它与温度存在下列的关系:

D=Dt 0 [1+λD ( t- t0) ]

( 2)

式中 : D t 0 为 操 作 状 态 下 的 管 径 尺 寸 , t 0 为 操 作 温 度, λD 是节流装置的线膨胀系数, 该系数与节流装 置的材质和温度有关, 当温度变化不大时, 可将其 视为常数。

收稿日期: 2007- 01- 24; 修回日期: 2007- 04- 29

作者简介: 梁 涌( 1973- ) , 女, 山西孝义人。1997 年 7 月毕

业于太原工业大学, 工程师。

置, 有不同的理论公式、经验公式或表格。

ε=f ( β, μ, P 2

或ΔP )

( 3)

1 1

式中: μ为定熵指数, 可根据流体的种类、压力和

温度查手册。当流体和节流装置设定后, ε的值受到 ΔP 和 P 1 变化的影响。可根据公式通过实时计算进行实时校正。

4) 流出系数。流出系数 C 是在一定的 β和 ΔP 下, 实测的流量值与理论计算的流量值之比, 由于 实际上总有损失等偏离理论计算的情况, 故 C 值总

是小于 1。C 值的求取可查表格或用经验公式计算。C=f ( β, Re ) ( 4)

5) 节流装置上游取压口处流体的密度。根据

文献[1]数据绘出过热水蒸汽比容曲线图, 如图 1 所示。每条曲线描述的都是相同温度、不同压力下所得到的 过 热 水 蒸 汽 比 容 。 提 供 数 据 的 范 围 为 温 度 310～600 ℃, 绝对压力 1～10 MPa 下的过热蒸汽比容值。从图中可以看出, 温度、压力的变化对过热水 蒸汽密度的影响较大。为此, 在计量过程中有必要 进行温度、压力补偿。

对 过 热 水 蒸 汽 的 密 度 进 行 温 压 补 偿 的 方 法 很 多, 总的来讲可分为 3 种: 一是理想气体方程, 把

过热蒸汽假设为一种理想气体[2], 根据理想气体方 程推导, 可得:

式中: υ为比容, m 3/kg; t 为温度, ℃; p 为绝对压 力, Pa 。

在本工程中共有 4 台差压式流量计需要温压补 其基本工况如表 1 所示。 偿,

=0 ! 0 Tp 0

( 5)

根据式 ( 5) 计算出的密度与实际密度相差较 大。不能把过热蒸汽当成理想气体。二是查表法, 主要原理是根据水和水蒸汽热力性质表中给出的数 据, 采用回归和插值等数学方法, 算出过热蒸汽的 比容 而 根 据 式 ( 1) 来 求 出 过 热 蒸 汽 的 流 量 , 从 。 三是经验公式法, 水蒸汽的密度有水和水蒸汽热力性 质表可查, 也有一些经验公式, 例如高压过热水蒸

表 1 节流装置的基本工况

位号

FE —201 FE —202 FE —203 FE —252

标准角接 取压孔板

节流件形式 长径喷嘴 标准喷嘴 标准喷嘴 操作温度

/ ℃

操作压力

540 8.900

470 4.907

390 1.965

360 1.800

/ MPa(G)

假设温度的波动范围为操作温度±50 ℃, 压力 汽的一个半理论公式:

υ= t+300

22.33×10 - 1 p 712 t+300

" 353

( 6)

式中: υ为比容, m 3/kg; t 为温度, ℃; p 为绝对压

力, Pa 。

根据式 ( 6) 计算出的数据与水和水蒸汽热力 性质表中的数据进行对比, 发现计算精度很高。在

300～600 ℃, 1～10 MPa 的区域里, 计算出的密度与

实际密度的最大相对误差为 0.842 66% , 而且大部 分计算出的密度的相对误差均在 0～0.200 00% 的范

围内。

2 过热水蒸汽流量的温压全补偿的实现

要在最广泛的测量范围内得到最高的差压流量 测量精度, 不仅要进行密度的温度、压力补偿, 同 时也 要 对 流 量 式 ( 1) 中 别 的 参 数 进 行 实 时 计 算 , 也就是进行所谓全补偿。基本思路是建立一个物理 特性数据库。这个数据库包含了 110 余种流体 ( 包 含蒸汽) , 可以动态地计算密度或压缩比、粘度及 相应的流体数据, 然后利用公式计算经过全补偿后 的流量。

中石化燕山分公司某厂自备电站新 上 1 台 25 MW 抽背式汽轮发电机组, 采用 DCS 控制系统对机 组进行控制。考虑到 DCS 有强大的编程及运算能 力, 在蒸汽流量测量中采用了这种全补偿的思路。 所采 用 的 基 本 公 式 为 前 一 部 分 讨 论 中 所 提 及 的 公 式。 在 过 热 蒸 汽 温 度 、

压 力 变 化 范 围 不 大 的 情 况 下, 通常仅进行密度的温压补偿即可。 3 方案比较

该 工 程 中 , DCS 厂

商 针 对 过 热 蒸 汽 流 量 的 温 度、压力补偿提出了一个数学模型, 这个数学模型 主要进行了密度的温压补偿:

υ= 1 857p -

1 857 1 857p

( 7)

的波动范围为操作压力±1 MPa 。实际情况下, 波动

范围 要 小 于 本 假 设 。 经 过 计 算 可 得 出 运 用 式 ( 6) 和式 ( 7) 所得出的密度与实际密度间的相对误差, 如表 2 所示。

表 2 计算出的密度与实际密度的最大相对误差 ( % )

310～440 ℃ 420～520 ℃ 490～590 工作范围 ℃

最大相对误差

式 ( 6)

0.842 660 0.099 824 0.095 596 最大相对误差

式 ( 7)

3.787 350

0.250 848

0.386 300

通 过 对 表 2 中 的 数 据 进 行 比 较 , 可 以 发 现 式 ( 7) 的精度比式 ( 6) 的精度低, 而且在温度、压 力较低的情况下, 误差较大。建议在不影响运算速 度的情况下, 采用式 ( 6) 作为密度温压补偿的数 学模型, 以得到较高的准确度。

在节流件前后差压值不变的条件下, 以产生密 度误差最大的工作点: t=310 ℃, p=1 MPa ( A ) 分 别运用式 ( 6) 和式 ( 7) 进行补偿, 计算补偿后质 量流量的最大误差分别为 0.420% 和 1.876% 。未进 行温压补偿时的误差为 33.200%。可见, 在对过热 蒸汽进行计量时温压补偿十分必要。

4 结束语

对过热蒸汽采用节流式流量测量是一种经典的

流量测量方法, 使用简便可靠, 应用广泛。但这种 方法精度不高, 通过温度、压力补偿, 可提高计量 的准确性, 具有实际应用价值。

参考文献:

[1] 庞麓鸣, 陈军健. 水和水蒸汽热力性质图和简表[M]. 北京:

高等教育出版社,1982.

[2]

陈广超. 温度压力补偿在生产计量中的应用 [J]. 石油化工 自动化,2001(1):67- 70.

( 责任编辑 张 璇) ( 英文部分下转第 70 页)

的表面清理、强化, 使之获得一定粗糙度的光洁表 面, 增加涂膜结合力, 提高工件防腐蚀效果。当工 件进入抛丸室后, 由电动机带动的抛丸器离心抛出 高速弹丸, 强力冲击工件表面的铁锈、氧化皮。工 件做匀速运动或若干次自转后即清理干净, 表面质 量即可达到 Sa2.0 ～Sa2.5 级标准。

本的 35% ～40% 。

2.4 输送系统

对于工程机械部件 ( 结构件) 来说, 采用自行

电动葫芦是一种行之有效的方法。

自 行 电 动 葫 芦 输 送 系 统 由 门 架 立 柱 承 载 轨 、

道、滑导电轨及集电器、载物车、电动葫芦、 PC 控制的中央控制柜组成。

该系统融合了机械、电子、计算机、自动控制

2.2 水旋喷漆室

水旋喷漆室又叫液力旋压式喷漆室, 采用气体 层流压抑方式防止漆雾扩散, 用液力旋压管过滤漆 雾, 是目前技术上较完备的喷漆室。

水旋喷漆室由室体、电动门、漆雾过滤装置、 空调送风装置和排风装置组成; 照明装置安装在室 体内两侧, 室内设可燃气体浓度检测、报警装置; 漆雾过滤装置由洗涤板、液力旋压器、地下水槽和 排气装置组成, 漆雾去除率>98% ; 空调送风装置 是使气体形成层流状的主要部件, 送入供气室的空 气经过过滤, 加 热 后 匀 地 由 给 气 顶 棚 送 向 室 , 均

内, 使室内风速均匀, 无工件时垂直风速可达 0.35

4 大技术精髓, 集中了仓储、运输、装卸、工艺操

作 4 大物流环节, 不仅能按预设程序连续或步进输 其 在 有 人 工 操 作 的 地 方 ( 如 送 工 件 上 下 件 , 尤 、 处) , 喷漆室内均可实现自动或手动自由升降。

3 涂料特性

工程机械涂料应具备以下特征: 一是对水、氧 气及腐蚀介质的渗透性极小; 二是与底材的附着力

强而持久; 三是有较好的防锈、装饰性能; 四是具 有特殊性能 , 如绝缘、导电、隔热性等; 五是具有 适当的涂装配套体系。目前, 国内工程机械采用的 涂料一般为环氧酯类底漆和聚氨酯类面漆, 前者防 锈性能好, 后者具有较好的装饰性能。

随着工业节能和环境保护的需要, 在保证上述 性能的条件下, 涂料还应具有低温快干、环保节能 等性能, 特别是要适合生产批量不大的工程机械零 部件和整机的涂装。

( 责任编辑 王雅利)

～0.40 m·s - 1; 排风装置是用风机将室体内的含漆雾

气体经液力旋压 管 过 滤 水 槽 与 洗 涤 板 之 间 排 , 从 出。

2.3 热风烘干室

烘干方式为热风循环对流方式, 其优点为烘烤 均匀, 尤其适合热容量较大的工程机械零部件。加

Summar y of Rustpr oof and Coating Technology of Engineer ing Machiner y

Hu Bo

Abstr act: Ten major kinds of rustproof and coating technology of engineering machinery have been introduced and the

performance of main containing equipment has analysed. Moreover the paper has proposed that the domestic coating adapting to engineering machinery at present should also have the characteristics such as quick-drying at low temperature , environmental protection , energy-conservation , etc.

Keywor ds: engineering machinery; rustproof; coating technology

( 上接第 68 页)

Mathematical Model and Realization of Temper atur e- pr essur e Compensation

in Super heated Steam Flow Measur ement

Liang Yong

Abstr act: Aimed at the flow measurement of superheated steam, the principle of temperature- pressure compensation was

discussed. The viewpoint of entire compensation was introduced. Several temperature-pressure compensation methods which were applied usually in superheated steam flow have be compared .

Keywor ds: superheated steam; temperature-pressure compensation; flow