蒸汽的准确无损计量与节能降耗

摘要:文章根据作者的工作实践,围绕蒸汽计量与能量损耗、耗能设备经济运行的关系、存在的问题、影响因素、解决方案等,对蒸汽的准确、无损计量及综合效益进行了探讨,为供、用汽企业节能技改提供参考。

关键词:蒸汽计量;无损计量;节能降耗;技术改造

中图分类号:TF821文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)15-0043-03

自19世纪30年代瓦特蒸汽机大规模使用、世界工业进入“蒸汽时代”以来,蒸汽作为十分重要的二次能源,广泛应用于社会生产、生活的各个领域作为载热工质,我国的蒸汽年产量大于20亿吨,然而系统的热能利用率很低,仅在10%～40%之间,所以提高蒸汽在生产、输送、使用过程中的利用效率,可以减少巨大的能源消耗,而进行准确、无损的计量,是正确计算及结算能耗、掌握蒸汽生产、输送、转换、使用状况、分析损耗原因,查找潜力所在、制定节能措施的首要前提;提高蒸汽计量的准确度,减少蒸汽输送过程中的损耗,对提高耗能企业的经济效益,实现节能降耗国策意义日彰。

一、蒸汽计量与资源效率

计量,作为计算、评价资源投入、产出效益之手段,从古至今,人类的生产活动从未离开过,在现代企业中,更是贯穿于生产、经营的全过程,对国民经济的发展、科学技术的进步及国际贸易的发展均起到了“四两拨千斤”的作用,在蒸汽领域同等重要。

要提高蒸汽的生产、输送、使用效率,必须对蒸汽进行准确的“计量”,只有准确的计量,才能得到蒸汽生产、输入、转换、输送、利用、损耗各环节的流向数据,只有依靠仪表的监督,才能分析能源利用现状,判断耗能设备的性能、状态,发现出现的偏离和波动,分析产生的原因,采取有效措施,提高设备的转换效率,工作于硬件可以达到的能源转换效率指标,动态处于经济运行状态,最大限度地减少损耗,提高能源利用效率;才能对技改项目作出可行性分析,评价节能量、投资回收期和创造的经济效益。因此, 要提高蒸汽的利用效率,必须要有准确的计量,因节流仪表会产生能损,要减少蒸汽的输送损耗,提高资源传送效率,必须实现无损计量。

二、当前存在的问题

(一)“两相流”问题

全国数以万计的中小企业自产饱和蒸汽,热电联产企业送出的过热蒸汽在长距离、多管网输送后,随能量之损失也会变成饱和蒸汽,饱和蒸汽的品质千差万别,干饱和蒸汽的含水量可忽略不计但实际上并不存在,湿饱和蒸汽的含水量正常的在3～7之间,最多的可达30%,饱和蒸汽因自身物理特性原因,在输送过程中常以汽、水两相流出现,当前的蒸汽计量仪表只是计量流过的蒸汽,不对流过的水进行计量;湿蒸汽中含有密度比汽体大数百倍的液体水分子,在管道内流动时速度比干蒸汽小,在仪表读数、记录上存在受密度、流速带来的叠加性双重误差;同时饱和蒸汽的湿度为未知数,单独测量干度尚无有效的方法,目前的蒸汽计量计并未对干度进行修正,使测量准确度大为下降。例如:当蒸汽压力为2.5MPa、干度85%时,如不考虑湿度的影响,以干蒸汽密度代替湿蒸汽密度,将带来14.5%左右的质量流量测量误差和5.2%左右的能量流量测量误差,远远达不到准确计量的要求。

(二)密度的干扰

理想的干饱和蒸汽在实际应用中几乎是不存在的,现实中的饱和蒸汽必然带有一部分饱和水,合格的饱和蒸汽锅炉生产的饱和蒸汽其带水量大致在3～5%之间(重量比),在流量输送过程中,蒸汽的状态会产生变化,常在干蒸汽与湿蒸汽之间相互转换;例如饱和蒸汽经过管道输送之后,由于温度的下降,会使含有的饱和水量增加,蒸汽的湿度进一步加大;随着蒸汽的流动、压力的降低,会使一部分饱和水闪蒸为饱和汽,使蒸汽的湿度变小;饱和蒸汽中含的饱和水虽然体积很小,但质量却很大,它的存在对饱和蒸汽实际密度的影响很大,上述种种原因造成了饱和蒸汽的密度难以确定,而密度值不准,即使差压测量为高精度,测量结果仍不是高精度的,因为在标准节流装置的流量方程中,差压与密度在计算过程中处于同等地位,而实际工作中,人们往往只重视差压、温度、压力信号准确与否而忽略了密度在测量中的重要位置,目前的流量类二次显示仪表(系统)在对蒸汽流量的计算过程中,密度是基于简单查表法得到的常量值,因此,计算的结果是存在失真的:

(1)

式(1)中:qm——蒸汽质量流量,单位kg/s;

C——流出系数;

d——工作条件下节流件的节流孔或喉部直径,单位mm;

ε——可膨胀性系数;

β——直径比(β=d/D);

ΔP——差压,单位Pa;

ρ——工作条件下蒸汽的密度,单位kg/m3。

(三)校验不规范

目前为止,蒸汽计量领域使用最为广泛的是差压孔板式流量计,孔板的精确度是准确计量的前提条件,计量的精度是靠内孔的锐角线来保证的,而入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化,存在着不可避免的“锐边磨蚀”和“积污”现象,因此从安装使用之日起,实际流出系数即在一天天变大,在流体较脏和流速较高的场合,这种变化更为迅速;有人做过专门的对比:将新制造的符合标准的孔板,在安装使用2～3个月后拆下检查,发现应当保持尖锐的节流孔边缘被磨钝了,平面度、表面粗糙度要求很高的孔端面积结了许多污染物;在流体高含湿、较脏污场合使用的,靠近孔板的死水区还积聚了液体和固体物质,使出厂时流出系数不确定度为±0.6%的孔板,流出系数不确定度在短期内增大了百分之几,严重的在4%以上;对此,国家专门规定须采用法兰连接、每年强检一次,但实际中,受多种因素的影响未能有效实施,多数对孔板不采取任何措施,多数长期未校,准确度根本无法考证。

三、配套、安装的影响

从蒸汽流量计的使用现场情况分析,流量仪表选型缺乏规范性的指导、安装,使用不符要求,是导致测量误差增大:妨碍准确计量的另类主要因素:

(一)量程比不足

量程比指某台流量计在能保证给定精度和再现性的前提下,所能测量的最小流量与最大流量的比值,超出这个范围,将引起计量误差的大幅增加;孔板的量程比为3︰1,而生产用汽量的实际波动范围经常要大出很多,且孔板的实际流出系数是随被测流体雷诺数Re之变化而变化的,在雷诺数5×103

(二)上下游直管段不足(存在流动扰动)

传统的涡街或孔板流量计,安装时对管路直管段长度及孔板安装的要求很高,分别为前10D、后5D。而蒸汽输送管路中阀门、弯头、缩径、扩径、分管、会管等组件,往往是不可避免的,如果上下游直管段距离不足,阀门、弯头等局部阻碍件会导致流体产生旋涡,在流速分布面畸变,故由直管段长度不符合标准要求和因孔板安装不规范而造成的测量误差,总是存在于各种场合,是超乎一般想象的。

由于管道安装条件是保证节流式差压流量计实际测量精度的关键因素,近二十年来,欧美的流量计量专家以学术研究方式进行了大量的试验工作,建立了有16376个试验点数据的API+EEC数据库,试验结果表明,要保证标准孔板流量计测量流量的准确度,β值为0.40～0.75的标准孔板(不配整流器),以管径D之倍数表示的上下游直管段长度分别为22～44D、6～8D,当β值为0.75时,上游直管段长度最少应为20D,下游最少应为5D,因此,对现行标准孔板上下游安装规定不满足实际要求,及现场安装条件达不到现行标准规定所产生的计量准确度影响,必须引起足够的重视。

四、概念混淆的误差

由于对计量对象的概念混淆,使作为二次能源的蒸汽不能准确计量,是妨碍准确计量的主观要素;使用蒸汽是利用蒸汽所载之热能、动能,而不是工质本身,而目前,对蒸汽的计量多以质量流量为单位,按热量计量的,品质品位问题亦未能合理体现,而不同质量的蒸汽不仅热量不同,做功能力也大有差异;我国大型热电厂的锅炉燃烧效率均与国外无大的差异(均达98%以上),但发电效率却明显低于发达国家(我国约36%,世界先进水平达42%),除了管理水平等因素外,对能源品位利用水平的差距是主要的内在原因,这种差距在工业蒸汽的利用上更为明显,作为技术基础的测量、计算、评价方法若不正确处理这种差别,就谈不到蒸汽生产、输送、利用效率的提高,各品位的蒸汽若得不到相应的合理应用,将导致蒸汽利用效率的普遍低下,造成资源的严重浪费。在本地,对蒸汽按质论量,已成为供汽、用汽单位的共同关注焦点,改观的时日亦将不远。

五、准确、无损计量及节能效益

(一)蒸汽流量计量仪表现状

现用的蒸汽计量手段,除传统的孔板、喷嘴外,还有悬翼式、涡街、电磁、超声波流量计等;差压式孔板除维护困难、直管段要求高、量程比小、稳定性差等缺点外,当被测介质流过时产生的压降还造成了能源的极大浪费;悬翼式仪表精度低,目前常用于通径DN50以下管道的小流量;涡街流量计将湿饱和蒸汽假设成干饱和蒸汽进行测量,外来振动会使产生测量误差,甚至不能正常工作;电磁流量计只能测量导电介质的液体流量,且抗干扰能力低,安装调试复杂且要求严格,测量带有污垢的粘性液体时,粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上,会使输出电势变化带来测量误差;超声波流量计抗干扰能力差,温度测量范围低,直管段要求严格,且测量管道的结垢会明显影响准确度,带来显著的测量误差,严重时会无流量显示;综上,现用的常规仪表,多难以实现蒸汽的准确、无损计量。

(二)弯管流量计的优点

弯管流量计的结构简单,实质上就是一个90°标准弯头,无任何插入或节流件,无附加压力损失,可大大减少蒸汽管道中因“两相流”、密度变化对准确计量的干扰,降低流体在管道内输送的动力消耗,节约能源;可测量任何易脏污、堵塞传感器的流体且不影响测量精度,测量精度高 (1.0级),重复性好 (0.2%),耐磨损且性能长期不变,采用焊接法安装长期运行免维护,彻底解决了蒸汽的跑、冒、滴、漏等问题,既减少了维护工作量,又可节约能源;适应性强、量程范围宽,量程比高达10︰1,管径可由10mm到2m以上;安装直管段只需前5D后2D,解决了现用仪表不能解决的关键问题,在耐高温、耐高压、耐振动、耐潮湿、耐粉尘等方面远优于常用的流量计。

(三)节能效益

蒸汽管网的节流式计量器件造成蒸汽品质的下降,为满足设备(用户)的使用要求(例p>0.5MPa),供汽端必须提高供汽压力进行弥补,这些节流件去掉后,可减小管道的势能损耗,较低的供汽压力就能满足同等要求,节省下来的压力可推动汽轮机发电,或减小产汽压力以实现降耗目的。现场实践表明:蒸汽压力每增加0.05MPa,对3000kW背压式发电机组效率提高6%,对6000kW机组效率提高3%;一台型号为B6-4.9/0.981(功率6MW)的汽轮机,将锅炉出口、汽机入口、汽机抽汽、供汽总管上的孔板换为弯管流量计,功率可提高4.36%,大幅减少运行成本。

杭州临安热电厂供热主管道1998年前用孔板计量,常用流量G=30t/h,温度T=350℃,压力P=1.5MPa,直径比β=0.7,对应差压值30kPa,不可恢复压损δp=0.7Δp=0.48 * 30=21kPa,年损失的能量(按300天计算)为:

N = ×24×300/1000=810000MJ

式中:Gm——瞬时流量,kg/h;ρ——流体密度,kg/m3;t——运行时间,h。

电能1kWh=3.6MJ,810000MJ/3.6=225000kWh,按每kWh 0.3元计算,折合人民币6.75万元;该厂有30多家使用孔板的供热用户,尝到甜头后,1999年前全部更换为弯管流量计。

嵊州宇丰纸业有限公司自备电厂25t/h炉,供汽流量20t/h,供汽压力0.24MPa,温度300℃,原孔板产生的差压为60kPa,占了输出压力的25%,2007年改为弯管计量后,差压减为5kPa(管道弯头的自然压降),节能、经济效益显著,嵊州电视台对此作了专题报道。

六、结语

蒸汽的计量不同于单质流体,众多因素均会产生较大的测量误差,使用广泛的节流式装置产生的压力损失造成很大的能源浪费;理智弯管流量计以标准结构的弯管传感器取代工业管线中的自然弯头,利用测量介质在管道内自然流动的惯性离心力进行测量,因势利导地保留了传统流量计的优点而避免了其缺点,完美地解决了蒸汽的准确、无损计量问题;用弯管流量计替代大量使用的压差式流量计,兼具计量精度提高、准确计量之量程范围扩大,无附加压力损失、免维护困扰、根除跑冒滴漏等多项优势,每年可为用户创造数万、数十万乃至数百万元的经济效益,同时能源消耗和废气排放减少,综合效益极其显著。

参考文献

[1]刘欣荣.流量计[M].水利电力出版社,1990.

[2]夏敏文.热能工程设计手册[M].化学工业出版社,1998.

[3]方洪祖.工业节能技术[M].江苏科技出版社,1987.

作者简介:鲍其新 (1953-),男,浙江绍兴人,绍兴市能源监察中心工程师,研究方向:电气技术、能源利用测试、监测、审计、监察等。

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