一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法

摘要

本发明涉及一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法，包括如下步骤：1)将蒸汽按常用温度范围分为多个温度区间，每个温度区间对应一个温度补正系数r(T,P0)/r(T0,P0)；将蒸汽按常用压力范围分为多个压力区间，每个压力区间对应一个压力补正系数r(T0,P)/r(T0,P0)；2)根据实际蒸汽的温度值确定其所在的温度区间，并选用对应的温度补正系数，根据实际蒸汽的压力值确定其所在的压力区间，并选用对应的压力补正系数；利用公式：计算补正后的蒸汽流量。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)可完全代替目前钢铁企业普遍采用的理想气体方程密度补正公式，大大减少了数据存储量和计算量，应用简单，易于在工业PLC或DCS控制器上实施；2)减少蒸汽测量的误差，提高蒸汽计量的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及蒸汽流量测算技术领域，尤其涉及一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法。

背景技术

能源计量是国民经济核算和工业生产计量的重要指标。工业生产过程中常用蒸汽作为介质来实现发电、保温采暖、加热等工艺流程。而蒸汽计量的准确性关系到厂级、企业间的能源结算、能源质量及工业生产过程指标，具有极其重要的意义；一方面，在某些工艺控制流程中，如发电厂锅炉设备，蒸汽的流量是直接参与控制的重要的参数；另一方面，用户与能源生产单位常常需要校正、核对蒸汽的使用量或生产量；因而蒸汽流量的计量成为了国内外工业界尤为关注的课题。

蒸汽作为实际气体，其流量计算与一般气体及理想气体截然不同，对于通过流量监测装置测得的蒸汽流量进行补正是一个十分繁琐而且复杂的计算过程，由于计算数据量极大，在一般的控制器上很难实施。一般企业对于过热蒸汽流量的补正多采用理想气体方程，而过热蒸汽并不是理想气体，使用现有的补正方法显然不合理。尤其对于温度、压力较高的饱和和过热蒸汽，采用目前的补正方法计算出的流量误差很大。

国际上曾出台IFC1967过热蒸汽的密度标准，但限于工业计算机水平，没有在工业蒸汽的流量补正上进行应用，目前国内企业并没有一种对于饱和和过热蒸汽流量计算的统一标准。

发明内容

本发明提供了一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法，根据工艺介质蒸汽的固有特性及IFC1967水和水蒸气的密度表，建立蒸汽温度与压力的二维模型，对蒸汽流量进行二维分段修正，计算过程简单，易于实现工业应用，并可提高蒸汽计量的精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法，包括如下步骤：

1)将蒸汽按常用温度范围分为多个温度区间，每个温度区间对应一个温度补正系数r(T,P₀)/r(T₀,P₀)；将蒸汽按常用压力范围分为多个压力区间，每个压力区间对应一个压 力补正系数r(T₀,P)/r(T₀,P₀)；其中r(T,P₀)为设计压力下，温度为实际温度T的蒸汽密度；r(T₀,P)为设计温度下，压力为实际压力P的蒸汽密度；r(T₀,P₀)为设计温度、压力下的蒸汽密度；

2)根据实际蒸汽的温度值确定其所在的温度区间，并选用对应的温度补正系数，根据实际蒸汽的压力值确定其所在的压力区间，并选用对应的压力补正系数；利用公式： 计算补正后的蒸汽流量；式中：Fw为补正后的蒸汽流量；Flow为未补正的蒸汽流量。

将温度补正系数和压力补正系数分别存储在DCS或PLC控制器中，对蒸汽流量进行实时修正。

所述蒸汽常用温度范围为130℃～310℃，分为至少11个温度区间。 

所述蒸汽压力常用范围为0～0.8MPa，分为至少9个压力区间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)可完全代替目前钢铁企业普遍采用的近似理想气体方程密度补正公式，大大减少了数据存储量和计算量，应用简单，易于在工业PLC或DCS控制器上实施；

2)减少蒸汽测量的误差，提高蒸汽计量的精度；并可根据需要补正的精度要求和DCS或PLC的处理能力，来扩大或缩小分段区间的范围，从而改变补正的精度，实现更为理想的蒸汽流量补正。

附图说明

图1是本发明所述利用DCS或PLC进行蒸汽流量补正的流程图。

具体实施方式

本发明一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法，包括如下步骤：

1)将蒸汽按常用温度范围分为多个温度区间，每个温度区间对应一个温度补正系数r(T,P₀)/r(T₀,P₀)；将蒸汽按常用压力范围分为多个压力区间，每个压力区间对应一个压力补正系数r(T₀,P)/r(T₀,P₀)；其中r(T,P₀)为设计压力下，温度为实际温度T的蒸汽密度；r(T₀,P)为设计温度下，压力为实际压力P的蒸汽密度；r(T₀,P₀)为设计温度、压力下的蒸汽密度；

2)根据实际蒸汽的温度值确定其所在的温度区间，并选用对应的温度补正系数，根 据实际蒸汽的压力值确定其所在的压力区间，并选用对应的压力补正系数；利用公式： 计算补正后的蒸汽流量；式中：Fw为补正后的蒸汽流量；Flow为未补正的蒸汽流量。

将温度补正系数和压力补正系数分别存储在DCS或PLC控制器中，对蒸汽流量进行实时修正。

所述蒸汽常用温度范围为130℃～310℃，分为至少11个温度区间。 

所述蒸汽压力常用范围为0～0.8MPa，分为至少9个压力区间。

本发明一种饱和和过热蒸汽的流量补正方法通过以下推导实现：

一、对于蒸汽流量，由流孔板流量计算公式得出的第一种流量补正公式为：

$\mathrm{Fw}=k·\sqrt{\mathrm{\Delta P}·\rho }---(1-1)$

其中Fw—实际蒸汽的质量流量；k-综合系数；ΔP-孔板两侧差压值；ρ为蒸汽密度。

可见，由节流孔板流量计算公式流量测量过程中，由差压信号换算流量时，流量是跟流体密度有关的。

二、采用理想气体状态方程公式来计算流体密度，即PV＝nRT；而由理想气体方程R＝ρ·V/T及ρ＝M/V可推导出P₀V₀/T₀＝P₁V₁/T，进而推导出：

ρ₁/ρ₀＝P₁T₀/P₀T₁    (1-2) 

由式(1-2)，并同一量纲统一单位后：

${\rho }_1/{\rho }_0=\sqrt{\frac{P+1.01}{P_0+1.01}·\frac{T_0+273}{T+273}}---(1-3)$

由孔板计算公式(1-1)可得：

$F_w/\mathrm{Flow}=\sqrt{{\rho }_1/{\rho }_0}---(1-4)$

式中：Flow—未补正的蒸汽流量；(设计温度T₀、设计压力P₀下的蒸汽流量)

Fw—补正后的实际蒸汽流量；(实际温度T₁、实际压力P₁下的蒸汽流量)

ρ₀—设计温度T₀、设计压力P₀下的蒸汽密度；

ρ₁—实际温度T₁、实际压力P₁下的蒸汽密度；

由式(1-3)和(1-4)，即得出第二种蒸汽流量补正，即理想气体方程补正流量公式：

$F_w=\sqrt{\frac{P+1.01}{P_0+1.01}·\frac{T_0+273}{T+273}}·\mathrm{Flow}---(1-5)$

三、将以上的公式进行处理并且推导出一种适合于蒸汽性质的公式；

令r(T₀,P₀)＝ρ₀，r(T,P)＝ρ，其中ρ₀为设计密度，ρ₁为实际密度；

将式(1-5)变形为下式： 

$F_w/\mathrm{Flow}=\sqrt{\frac{{\rho }_1·{\rho }_0}{{\rho }_0·{\rho }_0}}=\sqrt{\frac{r(T_1,P_1)·r(T_0,P_0)}{r(T_0,P_0)·r(T_0,P_0)}}---(2-1)$

将式(1-3)代入式(2-1)并推导：

$\sqrt{\frac{{\rho }_1·{\rho }_0}{{\rho }_0·{\rho }_0}}=\sqrt{\frac{r(T_1,P_1)·r(T_0,P_0)}{r(T_0,P_0)·r(T_0,P_0)}}=\sqrt{\frac{P+1.01}{P_0+1.01}·\frac{T_0+273}{T+273}·\frac{P_0+1.01}{P_0+1.01}·\frac{T_0+273}{T_0+273}}$

将分母项中的因子(T₀+273)与因子(T+273)互换位置得：

$=\sqrt{(\frac{P+1.01}{P_0+1.01}·\frac{T_0+273}{T_0+273})·(\frac{P_0+1.01}{P_0+.1.01}·\frac{T_0+273}{T+273})}=\sqrt{\frac{r(T_0,P)}{r(T_0,P_0)}·\frac{r(T,P_0)}{r(T_0,P_0)}}$

因而，可以得出最终的蒸汽流量补正公式：

$F_w=\sqrt{\frac{r(T_0,P)}{r(T_0,P_0)}·\frac{r(T,P_0)}{r(T_0,P_0)}}·\mathrm{Flow}---(2-2)$

r(T₀,P)为温度一定下，压力为实际压力P的蒸汽密度；

r(T,P₀)为压力一定下，温度为实际温度T的蒸汽密度；

r(T₀,P₀)为设计温度、压力下的蒸汽密度；

P₀，T₀分别为设计压力和设计温度；

Flow为未补正的蒸汽流量；

F_w为补正后的实际蒸汽流量；

本发明将流量补正系数拆分为和两个系数分别对蒸汽流量补正；其中r(T₀,P)/r(T₀,P₀)为压力补正系数，r(T,P₀)/r(T₀,P₀)为温度补正系数。

以蒸汽温度常用范围130℃～310℃，蒸汽压力常用范围0～0.8MPa为例，根据式(4-2)将蒸汽压力分成9个区间，蒸汽温度分成11个区间建立二维模型，并将压力补正系数 和温度补正系统分别按照区间列出，具体见下表：

蒸汽压力和温度分段区间补正模型(压力单位MPa；温度单位℃)(表1)

根据上表，如补正蒸汽流量的工况实际压力为0.75MPa，温度为300℃，即蒸汽压力

在区间(0.7～0.8)内，温度在区间(290～310)内，则补正流量计算公式为：

$F_w=\sqrt{\frac{r(T_0,P_{0.7-0.8})}{r(T_0,P_0)}·\frac{r(T_{290-310},P_0)}{r(T_0,P_0)}}·\mathrm{Flow}$

其中r(T₀,p_0.7-0.8)是设计温度下，压力分别为0.7MPa和0.8MPa时的蒸汽密度线性插值，r(T_290-310,P₀)是设计压力下，温度分别为290℃和310℃时的蒸汽密度的线性插值，r(T₀,P₀)为设计温度、压力下的蒸汽密度的线性插值。由此可见，应用本发明所述方法所测得的蒸汽流量精度与区间划分精细程度相关，区间划分得越细，即温度和压力值间隔越小，则补正后的蒸汽流量越接近实际蒸汽流量。但是受现场实际应用的需要，同时考虑投入成本，区间的划分可根据实际情况寻找一个最佳平衡点。

见图1，是本发明所述利用DCS或PLC进行蒸汽流量补正的流程图。将按区间分段后的压力补正系数和温度补正系数分别存储在DCS或PLC控制器中，采集蒸汽的实际压力值和温度值后，确定蒸汽所在的压力区间和温度区间，并分别查询压力补正系数和温度补正系数，最后对采集到的实际蒸汽模拟量值在线进行计算修正，即可得到补正后的蒸汽流量。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

由蒸汽温度和压力补正模型及蒸汽流量补正公式分别得到各温度和压力范围的压力补正系数及温度补正系数，见下表：

(表2)

【实施例1】

蒸汽压力0.15MPa，温度分别为145℃、162℃、174℃、185℃、200℃、300℃。查表2可得到压力补正系数为0.405，同理可以得到温度补正系数，见下表：

【实施例2】

蒸汽压力0.5MPa，温度分别为145℃、162℃、174℃、185℃、200℃、300℃。查表2可得到压力补正系数为1.00，同理可以得到温度补正系数，见下表：

【实施例3】

蒸汽压力0.75MPa，温度分别为145℃、162℃、174℃、185℃、200℃、300℃。查表2可得到压力补正系数为1.432，同理可以得到温度补正系数，见下表：

对以上三组数据进行误差分析可得：相对于蒸汽的真实实际密度值的误差Er＝Ea/T×100％≈0.43％；蒸汽流量的温度压力补正精度较高。

注：蒸汽实际密度值是通过国际协会公式化IFC97水和水蒸气的性质查得。