蒸汽熱量計量應用的探析

李 江

(中國石化上海石油化工股份有限公司計量所，200540)

蒸汽既是石油化工企業重要的二次能源，也是企業成本核算的一項重要的經濟指標。隨著企業內部獨立核算的不斷深入，蒸汽計量越來越受到企業的重視。它不僅關系到企業的能耗水平，更直接關系的用汽單位和產汽單位的經濟利益，還可能對生產工藝的改進產生影響。

在過去相當長的時間里，蒸汽計量一直采用質量計量和結算，國內外專家、同行也對如何提高蒸氣的質量計量準確度，提出了很多對策和措施。但對蒸氣質量計量的合理性方面討論較少，尤其具體到石油石化行業，裝置大多數時候是利用蒸汽的熱能，而不是蒸汽本身，即蒸汽本身的質量和其所含的熱量并沒有線性關系。而這種用汽、算汽方式的不一致，會直接影響到用熱方的經濟利益和節能降耗。

1 計量方式分析

前已述及，大多數裝置和用戶購買蒸汽，是為了使用蒸汽的熱量，而不是蒸汽本身。若用質量計量單位作為蒸汽計量和結算的單位，難以真實、準確的反映蒸汽的品質和價值，可能會直接影響用熱方的經濟利益。在不同的狀態下，即便同等質量的蒸汽，其所含的熱量也會不同，主要是因為蒸汽的焓隨狀態變化而發生改變。

焓是工質在某一狀態下所具有的總能量，它是內能U和壓力勢能(流動能)即壓力P和體積V乘積之和，是一個復合狀態參數，其定義式為［1］:

式中:H——工質的焓，J或kJ;

U——內能，J或 kJ;

P——壓力，Pa;

V——體積，m3。

單位質量工質的焓稱為比焓，用符號h表示，單位為J/kg或kJ/kg，表示為:

由此可以推斷出，蒸汽的比焓是其內能和溫度、壓力的函數，是單位蒸汽所含的全部熱能。不同狀態的蒸汽，所含的熱能完全不一樣，過熱蒸汽、飽和干蒸汽和飽和濕蒸汽(即汽水混合物)的焓差異很大。即使同一狀態的蒸汽，因溫度和壓力變化，其焓值也有較大差異。如對兩種過熱蒸汽而言，p1=1.3 MPa、t1=300℃蒸汽的比焓約為3 606 kJ/kg，而 p2=1.2 MPa、t2=280 ℃蒸汽的比焓約為3 587 kJ/kg，比焓減少了3%左右。即使在同一蒸汽管網中，蒸汽從鍋爐產出，通過管道輸送到遠近不同的各個用戶，在輸送過程中，由于沿途熱損和用戶引進，蒸汽的工況變化難以避免，鍋爐出口的壓力、溫度和管道末端用戶的溫度、壓力變化很大，導致蒸汽的品質下降，末端用戶的蒸汽中可能含較大比例的熱水，所含熱量明顯降低，所以蒸汽用質量計量，對下游用戶帶來的損害是顯而易見的。以上海石化為例，過熱蒸汽(350℃、3.7 MPa，其焓值約為3.102 MJ/kg)，采用階梯式循環運行方式，及蒸汽經過兩級(或多級)裝置做功，蒸汽(仍是過熱蒸汽)的溫度、壓力逐級降低，焓值也逐級下降，但流經各級裝置的質量流量不變。以質量流量做為結算單位，難以準確進行單套裝置的能耗考核和獨立的成本核算。而用熱量計量，則可以避免由此引起的不合理數據，體現計量的公正公平。質量測量法對蒸汽產方也不總是有利的，因為產熱方為了保證用熱方的蒸汽品質指標，總要留有余量，即要高于用熱方所要求的溫度、壓力，此余量若用質量測量對產熱方來說就意味著利潤的損失。

2 蒸汽計量

2.1 熱量計量的依據

要實現蒸汽的熱量計量，首先要有相應標準的支持，蒸汽的焓值，目前有兩套公式可以遵循，一個是由第六屆國際水蒸氣性質會議的國際公式化委員會(IFC)擬定的“工業用1967年IFC公式”，另一個是1997年在德國(Erlangen)召開的水和水蒸氣國際聯合會(IAPWS)擬定的IAPWS－IF97公式。這兩公式在使用范圍、區域劃分、計算精度上都有一定的差別［2］。

(1)使用范圍的差別。IFC－67:溫度0.1～800℃、壓力0～100 MPa;IAPW－IF97:溫度0～800℃、壓力0～100 MPa及800～2 000℃、壓力0 ～10 MPa。

(2)區域劃分的差別。IFC－67將使用范圍內的水和水蒸氣分為6個子區域;IAPW－IF97將使用范圍內的水和水蒸氣分為5個子區域，即將IFC－67的第3和4子區域合并為一個子區域，將IFC－67的第5和6子區域合并為一個子區域，并增加一低壓高溫區，即第1區為常規水區、第2區為過熱蒸汽區、第3區為臨界區、第4區為飽和線區、第5區為低壓高溫區。

(3)計算精度的差別。一般說，IAPW－IF97的計算精度比IFC－67高一個數量級，特別是邊界點(從分區圖看是溫度為350～374.15℃、壓力大于16.54 MPa)，用IFC－67計算誤差為6%，用IAPW－97計算誤差在1%以內。但是在常用測量范圍(溫度0～600℃，壓力0.1～5 MPa)，兩公式計算結果偏差極小(0.1%以內)，所以正確使用IFC－67公式是可以滿足蒸汽計量準確度的要求。

2.2 熱量計量的具體過程

2.2.1 蒸汽的質量計量

蒸汽熱量的計量是建立在質量基礎上的。目前，工業用流量儀表種類多達60余種，主要有渦街流量計、差壓式(孔板、均速管、彎管)流量計、質量流量計、分流旋翼式流量計、阿牛巴流量計、浮子式流量計等，任何一種儀表都有它特定的適用性，也有其局限性。就蒸汽質量測量來說，無論是工礦企業還是市政集中供熱系統，使用最多的是孔板式(噴嘴式)流量計和渦街流量計，在煉化企業的蒸汽管網中，主要采用了孔板和渦街兩種流量計，選型原則是:DN＞200的基本采用孔板，DN≤200的多選用渦街流量計。孔板流量計測量蒸汽質量的公式為［3］:

式中:qm——蒸汽質量流量，kg/s;

C——流出系數;

d——工作條件下節流件的節流孔或喉部直徑，m;

ε——可膨脹性系數;

β——直徑比(β =d/D);

ΔP——差壓，Pa;

ρ——工作條件下蒸汽的密度，kg/m3。

渦街流量計測量蒸汽的質量流量是目前人們普遍使用的一種較為成熟的測量方法。渦街流量計是一種體積流量計，即流體雷諾數在一定范圍內時，其輸出只與體積流量成正比。渦街流量計的輸出信號有頻率信號和模擬信號兩種，模擬輸出是在頻率輸出的基礎上經f/I轉換得到。這一轉換大約要損失0.1%的精確度，所以為獲得較高的測量精度，建議用戶選用頻率輸出的渦街流量計。該流量計測量質量流量的表達式為［4］:

式中:qm——蒸汽質量流量，kg/h;

f——渦街流量計輸出頻率，脈沖數/s;

kt——流量系數，脈沖數/l;

ρf——工作狀態下的流體密度，kg/m3。

(1)當被測流體為飽和蒸汽時，若工作狀態下的壓力為pf，工作狀態下的溫度為tf，則可從ρf=y1(pf)或ρf=y2(tf)查表求得工作狀態下的流體密度，其測量系統如圖1所示。

圖1 用渦街流量計測量飽和蒸汽質量流量的系統

(2)當被測流體為過熱蒸汽時，可從ρf=y(pf，tf)查表求得工作狀態下的流體密度，其測量系統如圖2所示。

圖2 用渦街流量計測量過熱蒸汽質量流量的系統

目前，智能型流量積算儀的EPROM中寫入了過熱蒸汽密度表ρf=y(pf，tf)和飽和蒸汽密度表 ρf=y1(pf)、ρf=y2(tf)，可通過用戶填寫組態菜單選定所查的表格，自動查表計算。

關于蒸汽的質量計量，無論是采用差壓式流量計還是速度式流量計，重點是選擇合適的儀表量程，并做好儀表的溫壓補償工作，安裝時注意位置的選擇，保證前后直管段。

2.2.2 蒸汽的熱量計量

如上所說，蒸汽的熱量計量是建立在質量計量的基礎上的，他們之間的關系是蒸汽質量與蒸汽的比焓的乘積即為熱量，其關系式為［1］:

式中:Q——熱量，kJ;

hf——蒸汽比焓，kJ/kg。

(1)當流體為過熱蒸汽時，h=f(p，t);(2)當流體為飽和蒸汽時，h=f(p)，或h=f(t)，其中p和t分別為蒸汽壓力和溫度。在準確測得蒸汽質量后，通過查表獲得測量時工況下的比焓，再由公式(5)求得蒸汽的熱量。

當前，國內有許多儀表廠家生產智能型儀表，除了具有質量流量演算、補償、積算、顯示功能之外，還具有熱量演算功能，這種演算器在使用者指定了熱量演算功能之后，先根據流體壓力和溫度查國際蒸汽比焓表，得到hf，在按公式(5)計算熱量，然后積算顯示，為蒸汽的熱量計量提供了極大的方便。

3 蒸汽熱量計量應用

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)的蒸汽熱網管道長度約78 km，承擔著為各生產裝置供汽的重要任務。上海石化蒸汽熱量計量改造始于2000年，主要是為了節能降耗，提高裝置能耗指標的真實性和準確性，消除裝置使用質量相同而品質不同的蒸汽卻要支付相同的費用現象。當時改造計劃分兩步實施:第一步，先對企業外部貿易及所屬二級單位間的蒸汽計量設施進行整改，增加熱量積算儀，在企業層面實施熱量計量、結算;第二步，對二級單位內部進出裝置的計量設施進行整改，在企業全方位實施熱量計量和結算。表1為熱量改造后的歷年差率。

表1 熱量改造后的歷年差率 GJ

第一階段改造于2000年底完成并正式運行，采用熱量結算后，管道熱損直接體現出來，最高時達到12%，這對管道維護單位帶來了直接壓力，一改過去由于質量計量結算帶來的熱網管道保溫積極性不高的情況，維護單位想方設法加強管道保溫工作，減少熱量損失，熱網損失逐年下降，近幾年一直保持在6%左右，按照上海石化年耗蒸氣8 000 kt計算，一年節能約500 kt(熱量約為1.5×106GJ)。

同時由于采用熱量計量，下游裝置的能耗指標也明顯好轉，原來上海石化腈綸事業部生產裝置汽源不同，能耗指標差異明顯，當油電廠供汽時，由于供汽位置就在隔壁，管道短，熱量損失少，蒸汽品質好，相同質量的蒸汽熱量相對高，裝置的能耗指標明顯好;當煤電廠供汽時，由于腈綸事業部位于供汽管道的末端，蒸汽品質差，相同質量的蒸汽熱量相對低，裝置的能耗指標明顯變差，腈綸事業部一直呼吁要用油電廠的蒸汽。熱量改造完成后，這種現象有了明顯改善，因為采用熱量結算，無論是油電廠供汽還是煤電廠供汽，能耗指標的變化不大，提高了裝置能耗指標的真實性和準確性。

上海石化第一步改造完成后，雖然節能效果明顯，但由于整個中國石化集團公司仍然采用質量指標對裝置的能耗進行考核，若只有上海石化采用熱量計量結算，相關數據與中國石化總部存在銜接問題，也難以比較同類裝置能耗指標的高低，正是由于此類原因，涉及第二步的改造目前尚未實施。

4 結束語

(1)蒸汽采用熱量計量，雖然當前國家還未出臺相關標準規范，但其計量方式的合理性、準確性，不僅僅是學術界的共識，也得到了大量蒸汽生產和使用單位的響應。

(2)上海石化初步應用的事實表明，蒸汽熱量計量對加強能源管理，促進節能降耗效果明顯，可以預計蒸汽的熱量計量將是一種技術進步的發展趨勢。

1 華自強.工程熱力學［M］.北京:高等教育出版社，2009.

2 孫玉寶，田貫三.水和水蒸氣熱力性質通用計算模型IAPWSIF97與 IFC67的比較［EB/OL］.2005［2011－01－04］.http://www.shuigong.com/papers/dianqi/20051116/paper10123.shtml.

3 紀綱.流量測量儀表應用技巧［M］.北京:化學工業出版社，2009.

4 盧嘉，史云肖，鄭永輝.用渦街流量計測量蒸汽的質量流量［J］.石油化工自動化，2006(4):79－80.