能源计量中流量计的设计选型及应用分析
能源工作在近 20 年来倍受国内外各界的广泛重视, 并逐渐成为各行业不可或缺的重要部分 。能源计量是能源工作的重中之重, 它能直接体现出能源的消耗和经济效益。本文介绍华北制药股份有限公司能源计量监测管理系统中流量检测仪表的设计选型及应用。
华北制药股份有限公司能源计量监测管理系统是能源计量的集中监测管理系统。本系统中检测仪表的设计选型 , 对系统数据的准确性和可靠性起着主要的作用, 是系统的重要组成部分。 本公司生产过程中使用大量的一次能源和二次能源 (转化能源), 包括过热蒸汽 、 上水、 压缩空气 、 氮气 、 冷盐水 、 冷媒水 、 循环水等诸多介质。进行正确的计量、 检测和有效的管理 , 是节能降耗提高经济效益的重要手段。
下面对能源计量的仪表选型及应用做一分析 。
1、选型的原则流量计选型是指按照生产要求：
从仪表产品供应的实际情况出发 , 综合地考虑测量的安全准确和经济性, 并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的形式和规格。流量测量的安全可靠 , 首先是测量方式可靠,即取样装置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故 ;二是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生产系统的安全 。
例如 , 对发电厂高温高压主蒸汽流量的测量, 其安装于管道中的一次测量元件必须牢固 , 以确保在高速汽流冲刷下不发生机构损坏 。因此 , 一般都优先选用标准节流装置, 而不选用悬臂梁式双重喇叭管或插入式流量计等非标准测速装置 , 以及结构强度低的靶式、 涡轮流量计等 。燃油电厂和有可燃性气体的场合, 应选用防爆型仪表。
在保证仪表安全运行的基础上 , 力求提高仪表的准确性和节能性 。为此, 不仅要选用满足准确度要求的显示仪表, 而且要根据被测介质的特点选择合理的测量方式 。发电厂主蒸汽流量测量 , 由于其对电厂安全和经济性至关重要 , 一般都采用成熟的标准节流装置配差压流量计 , 化学水处理的污水和燃油分别属脏污流和低雷诺数粘性流, 都不适用标准节流件。对脏污流一般选用圆缺孔板等非标准节流件配差压计或超声多普勒式流量计, 而粘性流可分别采用容积式 、 靶式或楔形流量计等。水轮机入口水量、 凝汽器循环水量及回热机组的回热蒸汽等都是大管径 (400mm 以上)的流量测量参数 , 由于加工制造困难和压损大,一般都不选用标准节流装置。根据被测介质特性及测量准确度要求, 分别采用插入式流量计 、 测速元件配差压计、 超声波流量计, 或采用标记法 、 模拟法等无能损方式测流量 。
为保证流量计使用寿命及准确性, 选型时还要注意仪表的防振要求。在湿热地区要选择湿热式仪表。正确地选择仪表的规格, 也是保证仪表使用寿命和准确度的重要一环 。应特别注意静压及耐温的选择。
仪表的静压即耐压程度, 它应稍大于被测介质的工作压力 , 一般取 1.25 倍 , 以保证不发生泄漏或意外。量程范围的选择 , 主要是仪表刻度上限的选择。选小了, 易过载 , 损坏仪表;选大了, 有碍于测量的准确性 。一般选为实际运行中***大流量值的 1.2 ～1.3 倍 。
安装在生产管道上长期运行的接触式仪表, 还应考虑流量测量元件所造成的能量损失 。一般情况下,在同一生产管道中不应选用多个压损较大的测量元件, 如节流元件等。
总之 , 没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情况都能适应的 , 不同的测量方式和结构, 要求不同的测量操作 、 使用方法和使用条件 , 每种型式都有它特有的优缺点。因此 , 应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上选择适于生产要求的 , 既安全可靠又经济耐用的***佳型式。
2、流量测量仪表的应用：
常用的流量测量仪表 , 有节流式差压流量计 、 涡街流量计 、 电磁流量计、 超声波流量计 、 金属管浮子流量计等多种形式。根据以上准则并结合本公司生产用能 (介质)和管理特点 , 对流量计设计选型作如下考虑:
(1)流量计测量精度选择, 按贸易结算精度要求, 在满足测量的条件下 , 选择合适精度及结构型式的流量计 , 并考虑流量补偿方式;
(2)流量计结构型式选择, 在满足测量的条件下, 选用经济型的且同一种测量介质尽量选用相同型式的流量计;
(3)流量计信号接口选择 , 带输出接口 , 信号为统一标准信号 4 ～ 20m A DC (1 ～ 5V DC);
(4)流量计安装方式选择, 利于选择安装位置(水平方式 、 垂直方式), 维护简单 、 工作量小, 利于检修 、 检定 (在线)。
2.1、蒸汽计量系统采：
用孔板式差压流量计, 配置温度 、 压力信号补偿。由于蒸汽系统介质干净, 系统对压力损失要求不太高 , 属于一次外购能源 , 结算级别较高, 故采用此种流量计 。测量中蒸汽密度受温度 、 压力影响, 为一变量 , 为了准确测量 , 需对密度进行补偿计算。根据以上确定的算法原则 , 对于无需补偿的流量计来说,其流量计 (输出特性为线性 、 非线性)的输出值 4 ～20m A DC 与其量程的***小值和***大值成线性或开方关系 , 很容易得到瞬时流量。
而对于需要进行补偿的流量计算来说, 其流量计得到的瞬时流量为补偿前流量, 要得到补偿后流量, 应首先确定密度 (ρ)值再通过数学算法得到流量。一般算法的数学模型, 均可以用数学公式直接表述 (无需补偿、 需要补偿), 但蒸汽 (过热蒸汽 、 补偿)的数学算法难以用较理想的数学模型 (数学公式)表述, 其中关键为密度值 。较成熟的为 “ 经验公式 (密度)” ρ=190.89p/ (t -1.814p +222.6) (当压力 p 在 200 ～ 2500k Pa ,温度 t 在 150 ℃～ 420 ℃时的低压过热蒸汽密度), 相对误差为 1 %。为保证计量的精度, 决定采用 “查表法” 求蒸汽密度 , 再计算补偿流量 。此法将极大地提高计量精度 (准确度可达 0.2 级), 达到了较理想的水平 。
2.2、上水计量系统采：
用孔板式差压流量计, 温度 、 压力不补偿 。由于上水较纯净, 介质密度受温度、 压力影响较小 , 计量中可忽略, 且能满足计量精度要求, 而直接用流量计的测量数值。
2.3 、压缩空气 (氮气)系统：
采用孔板式差压流量计, 温度 、 压力补偿, 以标况状态下流量单位计量。由于空气系统介质干净 , 运行工况较稳定, 故采用此种流量计 。
2.4 、冷盐水 (冷媒水)计量系统：
采用电磁流量计 , 温度、 压力不补偿。由于冷盐水有一定的腐蚀性和介质温度较低 , 流量计测量电极和内衬采用了抗腐蚀 、 耐低温结构形式 , 由于结算按冷量计算 , 需配置温度检测装置, 测量供水 、 回水温度, 由流量和温差 (供水 、 回水)计算出冷量。温度测量, 采用热电阻 (Pt100)和温度变送器形式。由于测量点在室外管道上, 检测介质温度和外部环境温差较大, 为防止热电阻护套内结冷凝水 , 采用隔爆铠装式热电阻, 温度变送器采用智能可编程型 , 以适应不同的温度测量 。同时, 为了减少计量误差 , 对热电阻的误差特性要求进行筛选配对, 温度变送器误差特性同向配对 , 以使温度测量后所得温差值的误差***小, 提高了计算结果的精度。
2.5 、循环水计量系统：
采用插入式超声波流量计 (固定安装方式),温度 、 压力不补偿。 因为循环水为重复利用水系统, 水中含有部分杂质 (微生物等), 易在管道内附着和沉积, 管道尺寸普遍较大 , 且系统为连续运行。此种流量计适用于在系统不停运的情况下 , 进行安装调试, 且维护 、 检定方便 , 以使流量计运行稳定 。遵从上述设计选型原则, 分期对在用 (新增)的210 个流量计量检测点的仪表配置进行了更新改造 ,基本达到了能源一级 、 二级计量配备指标, 满足了公司对外和内部计量结算的要求 。
各计量系统 (不同检测介质)仪表运行良好, 实现了准确计量, 对各生产单位能耗实行独立核算 , 做到科学考核 , 合理用能,节能降耗 。并为今后实现数据联网 、 资源共享 (采用计算机管理系统), 进一步提升能源管理水平提供了技术基础 。