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浅析蒸汽流量计量中温度、压力补偿的数学模型

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:110

  作者:董高峰单位:巨化工程有限公司仪表厂 浙江衢州 324004
  摘 要:本文着重对过热蒸汽流量计量中温度、压力补偿的数学模型进行了分析,最后提出了一种全新的微机全参数补偿的思维方式。
  关键词:蒸汽流量计量 温、压补偿 数学模型 微机全参数补偿
  1. 引言
  随着成本意识的不断增强,人们对能源计量的准确性提出了更高的要求,流量测量中的温度、压力补偿逐渐被提到了重要的议事日程上来。由于流量测量装置的设计过程中,提供的设计温度、压力与实际运行的工作温度、压力有一定的差异或者由于工艺条件造成流体温度、压力波动较大,致使测出的流量不能真实反映其工作状态下的实际流量。绝大多数流量计,只有在流体工况与设计条件一致的情况下才能保证较高的测量精度,有些流体如气体、蒸汽,流体工况变化对测量精度的影响特别大,必须进行补偿。不同类别的流量测量装置,测量不同的流体介质,其温度、压力补偿公式选择的数学模型是有差异的。因此,有必要对对流量计量中温度、压力补偿的数学模型加以分析、研究,总结出一套全新的补偿方式,尽可能地消除了系统误差,使计量精度提高到一个新的水平。
  2. 过热蒸汽流量计量的补偿
  在蒸汽流量的计量上,密度虽然也是温度、压力的函数,但不再遵循理想气体状态方程,且在不同压力、温度区间,函数关系不同,很难用一个简单的或统一的函数关系式来表示。下面我们分析常用水蒸气密度的确定方法:
  2.1. 密度的确定方法:
  工业或工程上应用的水蒸气大多是处于刚刚脱离液态或离液态较近时的状态,它的物理、化学性质与理想气体大不相同,应视为实际气体。水蒸气的物理性质较理想气体要复杂得多,故不能用简单的数学表达式加以描述;所以,在以往的工程计算中,凡涉及水蒸气的状态参数数值,大都从相关的水蒸气表中直接查取。
  随着电子技术的发展,计算机(或单片机)已广泛应用于流量测量仪表中,其存储能力、快速计算能力为准确、快速的确定水蒸气的密度提供了有力的手段。
  现在介绍在二次仪表中常用的水蒸气密度的确定方法。
  2.1.1. 查表法:把水蒸气密度表装入计算机系统中,根据实际工况下的温度、压力值,从 表中直接查出相应的密度值。
  2.1.2. 计算法:
  ◆ 自己拟合公式(或者出版物给出的公式)
  ◆ IFC1967公式
  目前,我们采用的密度补偿的拟合公式为:
  (1)
  式中: t-温度,℃; P-表压,Mpa;
  蒸汽实际工况条件为:
  工作压力变化范围:0.1~1.1MPa
  工作温度变化范围:160~410℃
  下面,我们取特殊点对公式(1)进行验证:
  通过以上验证计算,我们目前采用的密度补偿公式的计算误差太大,显然不能满足计量仪表的要求。我们流量计量绝大部分已进入微机网络,因此,理想的是采用“IFC1967公式”(见附录)。
  2.1.3. 比较
  查表法:根据“IFC1967公式”制定的数表,考虑了各个不同区域的特性,目前它是比较完整和全面的。但它数据量大,需要占用大量的内存,应用数表要首先判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽,再查不同的数表,另外数表的变量是有一定步长的非连续量,对于两点之间的数据,需经过数学内插处理获得。
  应用公式计算:不需占用大量的内存空间,便于智能仪表应用,至于使用哪一个公式,根据不同场所和不同需要,选用不同公式。采用“IFC1967公式”虽然公式繁杂一些,但在压力为0~16.65MPa范围内,计算的过热蒸汽及饱和蒸汽密度值完全符合国际标准。应用公式只需安装有温度、压力变送器不需要判断是饱和状态或过热状态就可以准确测量。对于确定是饱和蒸汽的场合,只需要将公式稍做变动,只用测温或测压,也可准确计算饱和蒸汽密度。
  2.2. 流量公式的确定:
  在蒸汽计量中用节流元件作为传感元件时用计算法进行补偿,其流量公式为:
  (2)
  式中: qm-质量流量,kg/s;
  c-流出系数;
  d-节流件开孔直径,m;
  ε-可膨胀性系数;
  ρ-被测流体密度,kg/m3;
  β-节流件孔径与直管段内径之比,β=d/D;
  Δp-差压,Pa;
  而用涡街流量计计量时,它的输出脉冲信号不受流体组分变化的影响,即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与漩涡发生体及管道的尺寸有关,但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量的输出信号应同时检测体积流量和流体密度,流体组份对流量计还是存在直接影响的,其流量公式为:
  (3)
  式中: qv-体积流量,m3/h;
  Sr-斯特劳哈尔系数;
  m-漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比;
  d-漩涡发生体硬面宽度,m;
  D-管道通径,m;
  f-漩涡的发生频率,Hz/s;
  (4)
  式中: qv-体积流量,m3/h;
  qm-质量流量,Kg/s;
  ρ-被测流体密度,kg/m3;
  由流量公式(2)、(4)可知,流量与密度的关系分别为与c 和ρ成正比,如果用错将造成很大的计算误差,同时,温度(℃)与热力学温度(K)的代入也应正确处理。
  考虑上述原因,有必要对补偿软件和智能流量计算仪进行测试和校准。方法为:由《LG节流装置设计及管理软件》计算出对应点补偿流量的理论值,再对流量计输入相同工况参数得到相应的显示值,这时将流量计的显示值与理论值进行比较即可达到校准的目的。历来流量校准与设备和流量仪表两大主题是研究的中心,流量仪表标准和检定规程是流量准确计量的保证,针对目前国内智能流量演算器和相关计算机软件的现状,建议国家有关部门应出台一部相应的检定校准规程,以便于技术监督和管理。
  3. 微机的全参数补偿
  根据
  (5)
  对气体介质进行补偿时,在低压范围内,可以利用理想气体状态方程来进行温度、压力补偿.但在高压时,则必须考虑气体压缩系数的影响.对于过热蒸气,必须作实际气体处理。对于大部分气体,在低压区(如小于1MPa)的压缩系数都接近于l。在该区域内,只要温度不是太低,即使不对压缩系数进行修正,也不会引起明显的误差,完全可以满足工程上的要求。但在高压区,则必须考虑压缩系数的影响,否则将会造成明显的误差。像常规方法那样将K看成常数,将会造成不可忽视的测量误差。分析计算表明,当温度和压力在设计值T。和P。的基础上变化20%,ReD变化60%时,如果我们只补偿密度变化的影响,那么,即使密度变化可能引入的误差为零,即认为已实现了对密度的完全补偿,其它各余留参数变化累加后的最大误差仍可达6%左右。其中,ε引入的误差最为明显。对于常规仪表来说,这些余留误差没有可能得到补偿。而对于微机补偿系统来说,补偿这些余留参数的变化已成为可能。所以,一般来说,微机补偿系统除补偿密度外,还应考虑整个补偿方程中其它参数变化的补偿问题,即全参数补偿。
  4. 结语
  总而言之,选择合适的温度、压力补偿公式,就必须全面地了解流量测量的方式。在测量介质,测量装置,流体工况,流量单位均不同的场合,采用正确地温度、压力补偿方式,才能获得准确的流量。此外,计算机的应用也堪称检测技术中的一场革命,它使各类过程参数的检测由常规仪表时代进入了高科技的计算机时代,同时也使企业综合自动化和生产过程的最优控制得以实现,是今后检测与控制系统发展的必然方向。
  参考文献:
  [1]. 孙淮清. 蒸汽技术高级研讨班讲义.北京:2002.5
  [2]. 蔡武昌,孙淮清. 流量测量方法和仪表的选用.北京:化学工业出版社,2001.4
  [3]. 苏彦勋,盛健. 流量计量与测试. 北京:中国计量出版社,1993.1
  作者工作单位:浙江省衢州市巨化集团工程有限公司仪表厂 邮编:324004
  电子邮件: ddggff1108@163.com
  附录:
  1967IFC公式 下述公式是IFC公式的一部分(第2区,包括饱和蒸汽和过热蒸汽,压力 P=0~16055MPa),它是工业上最常用的区域。
  式中常数如表1所示。
  表1 1967 IFC公式常数

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