我国众多的中小企业基本上都使用6t、10t及20t锅炉生产饱和蒸汽。由于饱和蒸汽的使用量大,各家生产的饱和蒸汽质量又不相同,通常采用干度来衡量饱和蒸汽的质量好坏。干度是指饱和蒸汽中的含水量多少,最好的是干饱和蒸汽,一般称微过热饱和蒸汽,其中含水量可忽略不计;而干度差的称湿饱和蒸汽,含水量最多可达30%。干度越高,饱和蒸汽的热焓越大,质量越好。在流量计量中,任何仪表都需要准确地获得流体的密度,而饱和蒸汽的密度不仅与温度、压力有关,还受干度的影响。目前单独测量饱和蒸汽的干度还没有一种更好的办法,大多数生产的饱和蒸汽干度只能是个未知数。湿饱和蒸汽流量计量时,通常采用固定干度补偿,计量误差无法修正,准确度也就大大降低。
1 应用弯管流量计测量饱和蒸汽流量的原理
弯管流量计的工作原理由式(1)给出,蒸汽流量q(单位:kg/h)为:
N-S方程确定;Re为雷诺数,Re=Dv/μ;D为弯管的内径,m;v为流速,m/s;μ为运动粘度,m2/s;Fr为费劳德数,Fr=v2/gD;g为重力加速度,m/s2;Ma为马赫数,Ma=v/c,c为音速,m/s;R/D为弯的弯径比;L1,L2为前后直管长度,m;λ1,λ2为外侧取压孔位置,m;λ3,λ4为内侧取压孔位置,m;Δ为管道内壁粗糙度;Δp为弯管内外侧压力差,Pa;ρ为流体密度,kg/m3。
饱和蒸汽的计量为“两相流”问题,目前广泛采用将其化为均相模型或者分相模型进行处理。相对而言均相模型更简单些,可采用均相密度ρ*,代替公式(1)中的ρ*,而均相密度ρ*可由式(2)获得:
(2)
式中:ρg为干饱和蒸汽密度,kg/m3,根据实测的压力或温度,由IFC公式计算获得;ρt为饱和水密度,kg/m3,根据实测的压力或温度,由IFC公式计算获得;x为饱和蒸汽的干度。
饱和蒸汽干度是未知数,干度测量又是一个难题,通常采用固定干度补偿,所得到的名义饱和蒸汽流量与实际的流量相差较大,准确度降低。干度变化引起弯管流量计流量测量的误差见表1。
由表1可以看出,当实际干度偏离设定干度越大,误差越大,远远超出弯管流量计的测量准确度。在实际生产的计量中,建议采用间接方法进行修正,下面举例说明。
2 锅炉生产饱和蒸汽计量的修正实例
饱和蒸汽的干度与锅炉负荷、工作压力、汽包水位高度有关。在实际生产中,由于司炉工的操作不当使得蒸汽压力和汽包水位波动较大,有的由于生产工艺需要使得蒸汽流量变化大,这些都是造成饱和蒸汽干度大范围变化的原因。在无法获得确切的干度时,只有采用固定干度补偿,造成了较大的计量误差,影响了日常考核的公正性如果不采用适当的手段加以修正,就会失去计量的作用。
在蒸汽锅炉中除检测蒸汽流量外,还需检测给水流量,通过这两者的关系间接计算出饱和蒸汽的干度,进一步修正蒸汽流量。
饱和蒸汽流量=给水流量-连排水流量-定排水流量-其他泄漏量
定排是定期排污,主要排除炉底部杂质;连排是连续不断地排污,主要是排除汽包水汽分界面上的漂浮物。这两个排水的目的都是为了改善炉水质量,提高蒸汽品质。锅炉正常运行时“其他泄漏量”为零。在干度的修正测试过程中,需将这两个排水同时关闭,排水流量为零,这样实际饱和蒸汽流量就等于给水流量,再根据流量计测量的名义蒸汽流量,就可以计算出蒸汽的干度。
为了验证干度变化对计量结果造成的影响,该测试分为在两种锅炉操作模式下进行:一种为人工操作模式,工作压力、汽包水位高度变化大;另一种为PLC可编程控制器的自动操作模式,工作压力和汽包水位高度稳定。将测量数据对比说明,以便凸显干度修正对计量的重要性。测试数据如表2所示。
直观地从表2可以看到:
(1)人工操作时,蒸汽流量的测量值存在较大误差,蒸汽的干度低,实际饱和蒸汽的流量应与给水流量相等,即为6.76t/h;自动操作时,蒸汽流量的测量值吻合,蒸汽的干度高,与设定的干度基本相符。
(2)根据由名义蒸汽流量推导出的吨汽耗煤量的数据,可以得到锅炉自动操作较人工操作省煤6%的结论。
名义蒸汽流量与实际值存在较大的误差,由它推导出的结论(2)也是不准确的。表3给出了修正后的蒸汽流量、干度和吨汽耗煤量。
由表3可以看到:锅炉在人工操作时的吨汽耗煤量要低于自动操作,于是得出了人工操作省煤6.1%的结论,似乎可以否定锅炉的自动操作模式。然而我们再从热值角度分析,就可以推翻这一结论,表4给出了锅炉按热值分析的数据。
其中:饱和蒸汽热焓=干度×蒸汽热焓+(1-干度)×饱和水热焓-给水热焓。
由表4可以得出人工操作模式所产生的蒸汽热焓只有1920kJ/kg,锅炉的自动操作模式产出的蒸汽热焓为2330kJ/kg,品质远远高出人工操作;产生相同热量时自动操作模式可以省煤14.37%。
3 结论
通过以上的分析可以看出:
(1)饱和蒸汽计量时,干度可以通过质量守恒或其他关系间接地获得,有了干度就可以对名义蒸汽流量进行修正,从而获得较准确的实际饱和蒸汽的质量流量。
(2)对饱和蒸汽的考核,不仅要从流量的角度出发,还要从热量的角度分析。干度对饱和蒸汽的热焓影响更大,流量大不等于热量高,蒸汽是作为载热工质使用的,输送热量是最终的目的。正确的计量方法是节能降耗的前提。