| 1、前言 蒸汽作為重要的二次能源，廣泛用于采暖、制冷、生產(chǎn)工藝用熱中作載熱工質(zhì)，所以提高蒸汽的生產(chǎn)、輸送及使用效率可以節約大量的能源。準確的計量是提高能源管理水平的關(guān)鍵。由于蒸汽的特殊性，在計量方面存在諸多困難，長(cháng)期以來(lái)一直是流量測量中的老大難問(wèn)題。2007年1月1日國家標準GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》已經(jīng)正式實(shí)施，在通則的指導之下，逐步建立一套適合我國生產(chǎn)企業(yè)特點(diǎn)，具有科學(xué)性，經(jīng)濟性，實(shí)用性的蒸汽計量?jì)x表的配備方案，是當前能源計量管理的緊迫課題。 2、蒸汽流量計量面臨的問(wèn)題 為便于討論，我們先列出以下標準節流裝置的流量方程： （1） 式中：qm——蒸汽質(zhì)量流量，單位kg/s ；
C ——流出系數；
d——工作條件下節流件的節流孔或喉部直徑，單位 mm；
ε——可膨脹性系數；
β——直徑比（ β=d/D ）；
Δp——差壓，單位 Pa；
ρ——工作條件下蒸汽的密度，單位kg/m3 2.1 關(guān)于蒸汽密度問(wèn)題 對于蒸汽的流量測量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補償，但是由于對蒸汽性質(zhì)的復雜程度了解不夠，在整個(gè)一套測量系統中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準確與否，并肯花大力氣盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位。其實(shí)這個(gè)問(wèn)題只要看一看節流裝置流量方程就非常清楚。 從式（1）中可以看出差壓與密度在測量中是處于同等地位的，然而在實(shí)際使用中由于忽視了密度對流量測量的影響，因此往往不重視對密度的認真研究和分析。目前流量類(lèi)二次顯示儀表（系統）中，蒸汽流量密度的計算，大多數采用的是簡(jiǎn)單的數學(xué)表達式或查表法，它們的計算精度是值得懷疑的。 工程上應用的水蒸汽大多處于剛剛脫離液態(tài)或離液態(tài)較近，它的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應視為實(shí)際氣體。水蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復雜的多，故不能用簡(jiǎn)單的數學(xué)式子加以描述。我國沒(méi)有制定“水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表”的國家標準，而是采用國外出版物的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表。第六屆水蒸汽性質(zhì)會(huì )議成立的公式化委員會(huì )IFC（International Formulation Committee）制定了用于計算水和水蒸汽熱力性質(zhì)的IFC公式，并在此基礎上不斷制定新的計算公式，為大家所熟悉的就是“工業(yè)用1967年IFC公式”（簡(jiǎn)稱(chēng)IFC-67公式）。我國曾翻譯過(guò)美國的、前蘇聯(lián)的、西德的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表，不管是哪個(gè)國家的水蒸汽性質(zhì)表，凡符合IFC1967公式的數表，都是正確的。目前我國有關(guān)的規程已引用了該公式。 隨著(zhù)工程技術(shù)以及科學(xué)研究水平的不斷提高，對水和水蒸汽熱力性質(zhì)計算精度和速度要求不斷提高，IFC-67公式存在的諸如計算精度低、計算迭代時(shí)間長(cháng)、適用范圍窄的缺陷也就越來(lái)越明顯起來(lái)。因此，在1997年德國Erlangen召開(kāi)的水和水蒸汽性質(zhì)聯(lián)合會(huì )（IAPWS）通過(guò)并發(fā)表了由德、俄、英、加等7國12位科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出的一個(gè)全新的水和水蒸汽計算模型，即IAPWS-IF97公式。這兩公式在使用范圍、區域劃分、計算精度上也有一定區別，但在工業(yè)蒸汽流量測量常用范圍內（溫度0℃--600℃，壓力0.1MPa—5MPa）,兩公式計算結果偏差極小。 2.2 關(guān)于寬量程的問(wèn)題 我們都知道，一般儀表的準確度等級都是用引用誤差表示的，而引用誤差是一種簡(jiǎn)化的和實(shí)用方便的相對誤差，是儀表在量程處的相對誤差。因此當測量值越接近滿(mǎn)度值，其度才越高。但在蒸汽流量計量中，尤其是蒸汽輸送場(chǎng)合，實(shí)際的流量范圍往往無(wú)法準確確定，實(shí)際上流量計往往工作在量程的下限，甚至超出量程下限，這樣就造成了相對誤差變大的后果。因此在設計蒸汽流量計量系統時(shí)，應考慮使用寬量程的流量計或具有寬量程補償的系統。 智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問(wèn)世，使我們能擁有寬量程的智能化節流式流量計成為可能。歸納起來(lái)它應具備三個(gè)條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2.差壓變送器與流量計算機之間數字通訊（Hart協(xié)議）除能滿(mǎn)足全量程差壓信號傳遞的準確性，而且能夠自動(dòng)遷移測量范圍。3.流量計算機不僅可根據溫度、壓力等工況參數對工況流量進(jìn)行修正，還可以實(shí)時(shí)計算流出系數C、流速可膨脹性系數ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿(mǎn)足準確度同時(shí)，流量測量范圍可真正達到10：1（或更寬），節流式流量計的這一飛躍是多項技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變著(zhù)人們對節流式流量計的傳統認識。 2.3 關(guān)于能量計量問(wèn)題 熱能是一個(gè)狀態(tài)參數，不同狀態(tài)、等質(zhì)量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如：在壓力為0.8Mpa、溫度為200℃的條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2838.6千焦；在壓力0.8Mpa溫度為220℃的條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2千焦，二者相差1.6%。所以，以質(zhì)量為蒸汽的結算單位不能真實(shí)反映蒸汽的價(jià)值。針對上述情況，以能量作為蒸汽的結算單位，已不僅是學(xué)術(shù)界的共識，而且也得到了廣大蒸汽的生產(chǎn)和使用單位的響應，呼吁國家出臺相關(guān)標準以進(jìn)一步科學(xué)的規范蒸汽計量，并考慮到人們多年使用蒸汽質(zhì)量為交結單位的習慣，作為一種過(guò)渡，仍應保留以質(zhì)量為蒸汽結算單位。改動(dòng)貿易計量單位是一個(gè)較復雜的問(wèn)題，但先在企業(yè)內部推行蒸汽的能量計量在技術(shù)層面上是可行的，在管理層面將是一項十分有益的實(shí)踐。 2.4 關(guān)于現有系統改造的問(wèn)題 目前企業(yè)的生產(chǎn)裝置自動(dòng)化水平越來(lái)越高，多數采用DCS或PLC系統作為監視和控制系統，企業(yè)的計量點(diǎn)也多融入到整個(gè)系統中。在這些系統中，對于蒸汽流量的補償計算模型在軟件程序上是存在不足的，如果修改這些系統的程序存在著(zhù)技術(shù)力量限制和影響整個(gè)系統實(shí)時(shí)性、整體性、安全性的危險，大多數企業(yè)是不愿意動(dòng)DCS的程序的。因此，在計量改造中，我們需要找到一種既能滿(mǎn)足計量準確的要求，又不破壞整個(gè)儀表控制系統框架，與DCS或PLC有很好融合性，適合于數據上網(wǎng)的方案。 3、蒸汽流量計量?jì)x表配備方案 3.1 我們應該有一個(gè)什么樣的蒸汽計量系統？ 要做好蒸汽計量，我們首先應該回答“我們應該有一個(gè)什么樣的蒸汽計量系統？”這樣一個(gè)問(wèn)題。我們認為，一個(gè)合理、*的蒸汽計量系統應該具有以下特征： （1）現場(chǎng)儀表符合準確度要求、免維護、故障率低，穩定性好（檢定周期可以較長(cháng)）。
（2）補償完善且補償的算法符合相關(guān)標準。
（3）具有能量計量的功能。
（4）具有較寬的量程。
（5）具有歷史數據存儲、事件報警等管理功能。
（6）便于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化。 3.2 一次儀表配備方案 我們推薦的蒸汽流量計量一次儀表是YJLB一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補償。 節流式流量計在蒸汽計量中占有重要的地位。節流式流量計技術(shù)成熟，特別是標準節流裝置按標準（ISO5167-2003E、GB/T2624-1993）設計、制造就無(wú)須實(shí)流標定，是其它流量計*的。在蒸汽測量研究上，國內外學(xué)者用標準節流裝置進(jìn)行了大量的試驗，給出了修正的數學(xué)模型，所以采用標準節流裝置測量蒸汽有明顯的*性。實(shí)際上，目前我國占蒸汽用表90%以上的仍采用標準孔板節流裝置。因此我們采用標準節流裝置。之所以選則噴嘴而不是孔板，原因如下： 標準孔板的一個(gè)缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，據悉國內有關(guān)部門(mén)曾對新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗，在孔板連續使用2—3個(gè)月時(shí)，鈍化引起流出系數偏度在1—3%，各別嚴重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標準孔板鈍化問(wèn)題的方法是采用標準噴嘴，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損（見(jiàn)圖1）。它的流出系數非常穩定，所以JJG640-94規程規定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多（僅為孔板的50-60%），長(cháng)期運行情況表明，由于噴嘴在結構上的優(yōu)勢具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn)，適應于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。 節流式流量計的系統構成比較復雜，有較長(cháng)的引壓管，容易阻塞，冬季運行還需對引壓管、冷凝系統進(jìn)行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護工作量大。YJLB一體化噴嘴（見(jiàn)圖2）很好的解決了上述問(wèn)題，一體化噴嘴是將節流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器（號：ZL200520127402.4），不僅縮短了引壓管線(xiàn)，還省去了冷凝和排污系統，使系統構成簡(jiǎn)單，無(wú)需保溫供熱，在減少維護量的同時(shí)，也節省了能源。 YJLB一體化噴嘴的特點(diǎn)： ◆ 采用標準節流件，測量準確度有依據；
◆ 防凍隔離技術(shù)，冬季運行無(wú)須伴熱，維護量少；
◆ 噴嘴節流件阻力損失?。ㄍ瑯恿髁肯聻橄嗤?beta;值孔板的60%左右）；
◆ 沒(méi)有孔口鈍化的問(wèn)題，耐沖擊不易變形，系數穩定，檢定周期長(cháng)（4年）；
◆ 配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達10：1或更寬；
◆ 安裝簡(jiǎn)便。 3.3 二次儀表及數據網(wǎng)絡(luò )配備方案 我們推薦的蒸汽流量計量二次儀表是FC2000-1AEG流量轉換單元（見(jiàn)圖2）。 FC2000-IAEG流量計算轉換單元是一款概念的網(wǎng)絡(luò )化流量計量設備。其采用儀表柜架裝的結構型式，對現場(chǎng)的流量相關(guān)信號進(jìn)行采集、補償運算后通過(guò)RS232/485串口、以太網(wǎng)口等接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通訊，同時(shí)還具有溫度、壓力、補償流量等4-20mA信號輸出功能。該流量計算轉換單元可方便地實(shí)現遠程監督管理、建立集散型計量管理網(wǎng)絡(luò )，在DCS、PLC系統中植入高精度流量運算環(huán)節等功能。 FC2000-IAEG具有以下優(yōu)點(diǎn)：
◆ 依據有關(guān)標準與建議、國家與行業(yè)標準，針對不同介質(zhì)和流量計類(lèi)型建立了多種數學(xué)模型和相應計算軟件，可以計算蒸汽能量流量。
◆ 對節流式流量計的流出系數C、流束可膨脹系數ε等參數作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運算以實(shí)現寬量程。
◆ 具有溫度、壓力、補償流量等4-20mA信號隔離輸出功能，可將溫度、壓力信號回送給DCS使用。
◆ 具有歷史數據存儲、報警記錄、儀表斷電、修改參數設置等審計記錄功能，即使網(wǎng)絡(luò )系統發(fā)生故障流量計量數據也會(huì )存儲在其中不至于丟失。
◆ 儀表柜架裝的安裝方式，不用再在儀表盤(pán)開(kāi)孔安裝，節省儀表柜空間。
◆ FC2000-IAEG所使用的流量計算軟件已通過(guò)國家部門(mén)認證。 FC2000-IAEG在DCS、PLC系統中植入高精度流量運算環(huán)節的應用 目前多數石化、化工、冶金生產(chǎn)裝置的控制監視系統采用DCS或PLC，流量計量點(diǎn)也必須引入其中，但DCS和PLC功能著(zhù)重于監視和控制，它們在流量高精度的運算上的功能相對欠缺，都采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行流量補償計算。如果讓DCS或PLC進(jìn)行復雜的流量補償計算，不僅會(huì )使組態(tài)編程十分復雜，且會(huì )大大增加DCS的負擔。使用FC2000-IAE（G）流量計算轉換單元可以方便地將高精度流量運算環(huán)節植入到DCS、PLC系統中。FC2000-IAE（G）流量計算轉換單元可以通過(guò)通訊接口（RS485、RS232或以太網(wǎng)）將工況溫度、壓力、補償后的流量數字信號傳給DCS或PLC中；也可以通過(guò)FC2000-IAE（G）的多路隔離模擬輸出端口將工況溫度、壓力、補償后流量的4-20mA信號傳給DCS或PLC的模擬輸入端口，如下圖： 4、蒸汽流量計量網(wǎng)絡(luò )實(shí)例 一次儀表采用YJLB一體化噴嘴流量計；二次儀表采用FC2000-1A/1AD流量計算機或FC2000-1AEG流量轉換單元以獨立或組合的方式構成的蒸汽計量系統在北京燕山石化、天津石化、齊魯石化、荊門(mén)石化、石家莊煉油廠(chǎng)、滄州煉油廠(chǎng)、儀征化纖、湖北化肥廠(chǎng)等企業(yè)中得到了應用。
該蒸汽計量方案還成功應用到了江蘇索普（集團）公司的蒸汽能量計量網(wǎng)絡(luò )系統。該系統實(shí)現了在公司內部的蒸汽能量計量數據網(wǎng)絡(luò )化，蒸汽質(zhì)量與能量計量并存。其系統構成如下：
● 流量計采用YJLB一體化噴嘴流量計，配備溫度傳感器、壓力變送器。 ● 二次儀表采用FC2000-1A/1AD流量計算機和FC2000-1AEG流量轉換單元。FC2000-1A/1AD用在有獨立計量?jì)x表盤(pán)的計量點(diǎn)。FC2000-1AEG用在DCS控制系統中，再需要時(shí)，它可以將溫度、壓力信號再輸出給DCS。它們都可以計算蒸汽能量流量。 ● FC2000-1A/1AD流量計算機和FC2000-1AEG流量轉換單元通過(guò)以太網(wǎng)接口接入企業(yè)的局域網(wǎng)。 ● 上位機系統按照Client-Server模式構造，中心服務(wù)器中安裝我公司FcLinker流量數據遠程采集軟件，完成對接口機數據的采集，并將數據存儲于數據庫中。 ● 將采集管理服務(wù)器獲得的數據以Web頁(yè)的方式通過(guò)Web服務(wù)器在企業(yè)局域網(wǎng)（Ethernet）上進(jìn)行發(fā)布，包括瞬時(shí)數據工藝網(wǎng)頁(yè)、瞬時(shí)數據表網(wǎng)頁(yè)、歷史查詢(xún)網(wǎng)頁(yè)，每個(gè)掛載的終端都可以利用瀏覽器（如：Windows操作系統自帶的Internet Explorer等）來(lái)查看。 系統圖： | 
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