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能源介質多種計量方式存在計量偏差原因分析和結論方案

来源: 攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源动力分公司 作者:譚德強 發布日期:2021-12-02

 本文對能源介質運行現狀進行陳述,並對能源介質多種計量方式存在計量偏差原因進行分析,通過分析得出了計量偏差結論;針對影響計量偏差原因提出優化流量計設計方案和維護維修方案,推介了設計優化和維護維修方案。

 
引言
攀鋼釩能動分公司負責攀鋼釩內部所有水、氣、汽能源介質供應,同時提供少量水、氣、汽能源介質給攀鋼釩外部單位。由于制水、制氣工藝設備本身原因,且在短時間內無法消除工藝方面存在的問題,在量值統計、結算方面經常出現供應量與用戶用量存在偏差現象,引起計量異議。計量系統存在較小偏差時,由能動分公司承擔損失;存在較大結算量值偏差時,需進行人爲幹預結算量值,才能達到量值平衡,這增加了管理成本,用戶與供能方矛盾無法調和。
 
1 计量仪表现状
1.1 计量仪表设计现状
              一般情况下,计量设备按照总量、分量分别设计计量仪表,水计量系统按图1布置,气体计量系统按图2布置。在计量结算时一般按总表Q∑量作为结算量;如果分管分别为单独用户(Q1、Q2、Q3~QN),则按分管量作为结算量。理论上总量按式(1)计算。
水流量計量仪分布图气体流量計量仪表分布图
說明:氣體使用质量流量計的計量系統不需要加溫度、壓力補正系統。
QΣ=Q1+Q2+…+QN (1)
 
1.2 工艺管道设计现状
              水工艺管道一般情况以地下敷设、管廊敷设为主;气工艺管道一般以架空敷设为主。水管道地下敷设出现漏点时不易发现,检修难度大,易引起计量、结算异议。
 
1.3 计量仪表检修、维护现状
1.3.1 差压计量系统(威力巴流量計孔板流量計、测管流量計、托巴管流量計等)維護、檢修內容
              差压變送器、壓力變送器、配电器、隔离器、流量計算机进行检定或自校准;检修内容:差压變送器、壓力變送器、配电器、隔离器、流量計算机、威力巴流量計、孔板流量計、测管流量計、托巴管流量計等进行更换或维修,并对各参数设计情况与原始设置进行比对确认。
 
1.3.2 非差压计量系统(质量流量計、涡街流量計、超声波流量計、电磁流量計等)維護、檢修內容
              气体流量检测的质量流量計、涡街流量計送检(没有自校准能力);水计量装置:超声波流量計、电磁流量計进行比对,用便携式超声波流量計进行比对,修正流量系统;检修内容:质量流量計、涡街流量計、超声波流量計、电磁流量計等进行更换或维修,并对各参数设计情况与原始设置进行比对确认。
 
2 计量仪表偏差分析
2.1 计量仪表误差
任何計量儀表都存在誤差[1],按照誤差性質不同分爲隨機誤差、系統誤差和粗大誤差。本文討論的計量偏差不屬任何一種誤差,從量值偏差大的概念上可能會出現將計量偏差認爲就是粗大誤差,實際不是。在測量中很明顯地歪曲了測量結果的誤差稱爲
 
粗大誤差,簡稱“粗差”。這種誤差的産生是由于測量者對設備性能和環境認識不足,或因疲勞、思想不集中,甚至粗心大意,導致操作儀器不正確、讀數錯誤、記錄錯誤及計算錯誤等費引起的。粗大誤差遠遠大于隨機誤差和系統誤差,甚至會使測量導致錯誤的結論。因此,在測量中出現粗大誤差後,要及時分析和剔除。
 
2.1.1 计量仪表偏差
本文討論計量儀表偏差與所有誤差存在本質不同,但從精確計量的原則出發,需要消除這種偏差,消除計量偏差引起的計量異議。相對誤差而言,偏差指的是主觀判斷(包括根據工藝判斷或正常生産判斷)有較大偏離正常生産值的量值。簡單的說,偏差從量值上比誤差(粗大誤差除外)要大得多。這種偏差既不能通過計量儀表校檢來修正,也不能通過簡單的修改流量系數來修正,需通過相應優化設計、檢修措施修正。
 
2.1.2 计量仪表偏差分析
对于干净能源介质计量,只要计量设备定期检定、校准、定期维护,基本不会出现计量偏差情况。但对能源介质含杂质比较多的情况,设备、设施经过长期运行后就会出现计量偏差。流量計安装工艺管道内部流道现状见图3、图4、图5、图6。
 

流量計安装工艺管道内部流道现状

 
A、差压式流量計
測量原理:基于伯努利方程和流體連續性方程,根據差壓與流量的關系,對流體的流量進行准確的測量。
 
差壓計量裝置計量偏差,從公式(2)可以得出:20211202093921.jpg
 
式中:C——爲流出系數;β——爲節流裝置的直徑比;ε——爲可膨脹系數;d——節流件孔徑;ρ——上流流體密度。
 
式(2)中C、β、ε、d出厂时,已确定,是固定量,在流量計算机或工控机程序中都是一个不变量;ρ是在设计时已给出,也不会发生变化,唯一变量是ΔP。管道长期运行,沉积物影响节流装置直径比β(β=d/D),沉积物在管道内堆积情况见图3、 图4。从图3、图4可以看出,工艺管道内部直径已经变小,因此β相应变大,其它参数不变情况下,分母变小,因此测出的流量会变大。管道内沉积物越多,管道内径变得越小,测量流量比实际流量就大得越
多。這種偏差是無法通過校驗差壓變送器、配電隔離器等二次設備來消除的。
 
在用户用量Q m不变,D变小的情况下,差压值变大才能满足非常终流量要求,差压值变大,C、β、 ε、d、ρ不变时,计算出的流量偏大。
 
B、热式质量流量計
热式质量流量計原理:流量計由两个传感器组成,一个测温,感受流体温度T2:另一个测速,由电路加热到温度T1。
 
T1高于T2,並保持ΔT恒定,即ΔT=T1-T2。當流體流經傳感器時,由于測速傳感器的自身溫度T1高于測溫傳感器感受的溫度即流體溫度T2,流體便帶走了測速傳感器上的一部分熱量(高溫向低溫傳遞),使T1下降。電路爲保持ΔT恒定,便增加對測速傳感器的加熱功率,使ΔT=T1-T2恒定。流體帶走測速傳感器上多少熱量,電路便增加相應數量的電功率,兩者之間存在著一個函數關系。設對測速傳感器的加熱功率爲P,流體的質量流量爲Q,則根據流體流過測速傳感器時所帶走的熱量與對測速傳感器的加熱功率相對應的原理,得到下列關系式(注:式中B、A爲常數):P=[B+AxQ12](T1-T2)。
 
通过测量加热功率P,来测量带走这部分热量的流体的质量流量。由于带走这部分热量的是流体的分子,所以测速传感器直接测量的是流体的质量流速pV,此时只要乘上管道的横截面积,就可以得到流体的质量流量了,即流量計算式(3) Qm=S×pV (3)根据式(3)分析,在不考虑其它影响因素,工艺管道内部流道出现图3、图4、图5、图6情况下,同样流量流经此工艺管道时,pV增大,而此情况下程序或流量积算仪参数不变,即S不变时,计算的非常终流量偏大。
 
C、超声波流量計
测量原理:流量計采用时差方式的测量原理。它利用传感器发出的超声波在流动着的流体中的传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,在同一传播距离就有不同的传输时间,根据传输时间之差与被测流体流速之间的关系测出流体的流速。
 
流体的流速在管内的不同位置是不同的,其管中央的流速要比靠近管壁的流速快。流体在管道中的流速分布可以用流速截面分布图表示。通过对流量計的设置,并考虑流速的截面分布影响,从而可以计算出平均流速,再根据管道的截面积得出流体的体积流量。其流量計算式见式(4):
20211202093948.jpg
式中:Q——流量;T——时间;V——流体流速;M——超声波反射次数;D——管径;θ——超声波信号和流体之间的夹角;T up——下游传感器发射信号到上游的时间;Tdown——上游传感器发射信号到下游的时间;ΔT——上下游时差
 
工艺管道内部流道出现图3、图4、图5、图6情况,在用户用量不变情况下,要达到实际流量要求,D变小,则V必变大。而通过计算的流量Q值,在实测时变大,即在流量計算机或工控机上程序参数不变(D、T),而V变大,则据式(3)可得出Q变大。
 
由此得出结论,在上述工艺管道状况下,流速在管道中心非常大状态没有改变情况下,现场流量检测系统检测的流量值比用户实际用量大;出现图4流道情况或其它非对称流道变化情况,非常大流速不在管道中心,而超声波流量計探头安装位置不变时,出现V变小,实际D变小状况,这种情况下流量計检测值无法通过计算确定其量值变大或变小,需通过试验和比对才能得到准确结论。
 
3 消除计量仪表偏差办法
3.1 设计优化
3.1.1 工艺优化
 
出現圖3、圖4、圖5、圖6情況,是取水、制水、制氣工藝設備存在問題,不能過濾或清洗工藝管道介質使其達到清潔介質,造成輸送介質雜質在管壁內沈積附著,經長時間運行,形成圖中沈積物,影響正常計量。
 
使用新工藝消除工藝介質內雜質,保證輸送介質爲清潔、幹淨介質。工藝優化需要企業制定長遠規劃,需要大量資金支持。
 
3.1.2 计量装置设计优化
工艺优化需要现有场地、工艺设备重新设计需要大量资金,同时施工工期长。在无法实现工艺优化条件下,有限资金情况下,可以对流量計本身设计进行优化。
 
1. 优化检修设计方案一
流量計前后设计两个(以不影响流量計拆除、安装为准)如图7所示设置检修吹洗孔。吹扫孔应设置在流量計维护平台内,以便吹扫作业;出现设置在原有维护平台范围外时,需重新设计维护平台;吹扫孔大小根据清洗设备结构尺寸确定。对影响流量計计量段管道进行清洗吹扫,采用高压液体吹扫时,必须设计污水排泄口、污水收集器、污水处置设施;采用高压气体吹扫时,要设计安全密封装置,防止吹扫气伤害操作人员。
 吹扫孔设置示意图
2. 优化检修设计方案二
流量計段设计为可拆卸装置,流量計与管道设计成一个整体,如图8所示,流量計前管道至少10D(D管道直径),流量計后管道至少5D。
 
对流量計进行定期工作时,将法兰1、法兰2间管道整体拆缷(为防止流量計损伤,可将影响拆缷的、影响管道清洗的流量提前保护性拆除),到指定位置进行清洗。
一体型计量示意图
 
3. 优化检修设计方案三
分段計量,由于總管檢修、清洗基本不具備條件,大多數情況下,10年以上甚至管道報廢時都不進行檢修,此情況宜采用分管計量設計,即采用分支管計量方式計量(如圖1、圖2),這樣的工況不宜采用總管計量。總量計算采用式(1)進行計量。
 
3.2 检修维护优化
目前对计量仪表维护工作主要集中在差压變送器、二次仪表进行定期校验,超声波流量計(水)、电磁流量計比对校验,对插入式流量計探头进行清洗,对工艺管道未进行清洗;对质量流量計、涡街流量計等设备没有有效校验手段。
 
为保证流量計准确运行,需对包括流量計本身一套装置进行定期检校,流量計应用单位没有校检手段时,需送有校验资质单位进行校验;同时需对影响流量計工艺管道进行清洗(根据运行介质的运行情况),制定相应清洗流程、清洗方法、清洗周期。
 
4 结论
能源介質雜質較多情況下,根據本文分析結果,大多數情況下,計量示值偏大,能源介質用能用戶會受損失。
 
本文所论述计量优化的方法只适用于能源介质杂质较多,在管道内易形成附着物的流量計量优化设计和维护维修方案优化。
 
從經濟、環保、減小工作量方面考慮,在能源介質雜質較多的工藝上進行計量,推介使用計量裝置優化設計方案二和方案三,此設計方案結合定期維護、維修可確保准確計量。

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