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聚酯高温高压导热油换热器蒸汽软流量计

涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质，涡街流量计特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响；无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小；涡街流量计参数能长期稳定。夹持型涡街流量计采用压电应力式传感器,可靠性高，可在-20℃～+450℃的工作温度范围内工作，有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的流量仪表。

主要特点：

•精确度较高，液体测量精度为±1.0%；气体测量精度为±1.5%
•压损小，约为孔板流量计的1/4，属于节能流量仪表
•安装方式灵活，可水平，垂直和不同角度倾斜安装
•采用消扰电路和抗震动传感头，具有一定抗坏境震动性能
•无可动部件，仪表寿命长

技术参数：

流量范围：

 注：表中（300）—（1000）口径为插入式。

聚酯高温高压导热油换热器蒸汽软流量计的设置探讨：

在内部供汽案例中,取消了蒸汽进导热油换热器的流量计,通过建立导热油与蒸汽换热器的数学模型,使用IAPWSIF97提供的方法,间接计算出蒸汽用量,用于厂内结算。以减少高压蒸汽输送时的阻力降,提高蒸汽利用率并降低投资成本和运行风险。

PET聚酯生产供热一般都是由链条煤炉供应,随着环保政策收紧,行内淘汰了一大批小锅炉,取而代之的是大蒸发量的CFB锅炉或天燃气锅炉,天燃气锅炉由于其运行成本较高,若环保达标,聚酯厂家更愿意选择CFB锅炉,但由于CFB锅炉炉膛易磨损的特点,有些厂家将导热油放入炉膛,增加了安全隐患,所以更多的厂家选择锅炉产出高压蒸汽,然后再用高压蒸汽作为媒介加热导热油的方案满足聚酯生产需要。此时涉及到蒸汽计量设置的问题,按照惯例,用于蒸汽结算的流量计需选择孔板流量计,孔板流量计的特点是阻力较大,对于内部供汽用户不经济,同时流量计的存在对管道施工、维护都增加了一定的难度。提出了利用热媒参数设置软流量计,间接得出蒸汽用量,为内部供汽提供衡算依据的方法和过程,以作探讨。

1 模型建立

导热油与高压过热蒸汽进行热交换,导热油达到设定温度后向聚酯装置供热,而高压蒸汽换热后凝结成过冷高压凝结水回到锅炉。换热流程如图1。

根据传热原理,忽略热损失,可以得出以下关系:

总热量守恒式 Q热媒=Q蒸汽 (1)

热媒侧 Q热媒=[H(T2)-H(T1)]·qv热媒·ρ热媒 (2)

蒸汽侧 Q蒸汽=[H’(T3,P3)-H’(T4,P4)]·Qm蒸汽 (3)

其中:

Q热媒 为热媒热流量,Kj/h;

Q蒸汽 为汽热流量,Kj/h;

T1,T2为热媒进出口温度,℃;

T3,T4为蒸汽进出口温度,℃,高550 ℃;

P3,P4为蒸汽进出口压力,MPa,高14 MPa;

H(T1),H(T2)为分别热媒进出口焓值,Kj/Kg;

qv热媒为换热器进口热媒流量,m3/h;

ρ热媒为换热器进口热媒密度,Kg/m3;

Qm蒸汽为蒸汽质量流量,kg/h,此为要求计算的量;

h(T3,P3),h(T4,P4)为分别为蒸汽进出口焓值,Kcal/kg。

换热器热媒侧进口设流量计,进出口设温度计;蒸汽侧进出口均设温度计和压力变送器。于是qv热媒、T1、T2、T3、T4为可测定量。以上关系式整理可得蒸汽用量与热媒参数的关系如下:

查询文献,进行数据拟合后可得出热媒焓值、密度与温度的关系式如下:

焓值(Kj/kg) H(T)=1.49+3.64×10-3T (5)

密度(kg/m3) ρ(T)=1021.51-0.66T+5.65×10-5T2-6.86×10-7T3 (6)

注:热媒焓值以-18℃时热焓为0作为基准。

至此,找到蒸汽(凝液)焓值随温度,压力变化关系,即可求得蒸汽流量。

2 方法介绍

在化工热电及其相关领域,水和水蒸气的热力学性质计算方式有IFC-67,IAPWS-IF95,IAPWS-IF97等方法。IFC-67是20世纪60年代国际公式化委员会通过的水和水蒸气性质公式,使用经验表明存在一些缺陷,在一些高参数或超高参数的工况下计算误差较大;IAPWS-IF95是国际水和说蒸汽学会IAPWS在1995年提出的一个通用水和水蒸气热力性质计算公式,因其模型形式过于复杂,使用难度高限制了其在工业上的推广和应用;IAPWS-IF97是IPAPWS在1997年提出了新的计算公式,以取代IFC-67,IAPWS-IF97还给出了水的动力黏度、导热系数、普朗特数、表面张力,静介电常数、折射率等新的计算公式和表格,不论是计算精度还是计算速度上均好于IFC-67,自其推出后在国际上得到了推广和应用。

对IAPWS IF97公式进行焓值计算,此公式适用范围为:

273.15 K ≤ T ≤ 1073.15 K , p ≤ 100 MPa;

1073.15 K < T ≤ 2273.15 K, p ≤ 50 MPa ;

由于涉及到的蒸汽高温度和压力分别为:550 ℃(823.15 K),14 MPa,所以均在IAPWS IF97的使用范围以内。

IAPWS-IF97公式将适用整个范围划分5个区域,并给出了对应的方程,如图2所示,文档显示1、2、3区交接点为623.15 K,16.5292 MPa。根据本文实际适用范围,仅涉及1、2、4区,大致区域如图中方框所示,故选取对应区域方程即可。IAPWS-IF97中对各区域算式提供了计算机程序查证核对表,故省略了程序的验证过程。

2.1 1区方程

1区为过冷水区,可用于凝结水的焓值计算,边界范围为:

273.15K≤T≤623.15 K,Ps(T)≤p≤100 MPa;

本区域的基本方程及导出方程如下:

吉布斯自由能基本方程g(p,T)RT         

推导出h(π,τ)RT

其中:

P,T为介质压力和温度(MPa,K);

Ps(T)为对应温度T下的饱和压力的计算函数;

π=p/p*(p*=16.53MPa),τ=T*/T(T*=1 386 K);

R为气体常数:R=0.461526 KJ/(KgK);

ni,Ii,Ji为方程中的常系数,对于不同区域值不相同。

2.2 2区方程

2区为过热蒸汽区,可用于进气侧计算,边界范围为:

273.15 K ≤ T ≤ 623.15 K,0 <p ≤ ps (T);

623.15 K < T ≤ 863.15 K,0 < p ≤ p (T) ;

863.15 K < T ≤ 1073.15 K,0 < p ≤ 100 MPa;

本区域的基本方程与I区相同,均为吉布斯自由能基本方程,但根据热力学剩余性质为了理想气体部分γo,和剩余部分γr,其方程及导出方程如下:      

其中:

P,T为介质压力和温度(MPa,K);

ps(T)为对应温度T下的饱和压力;

p(T)为 2区和3区的边界函数,本文不涉及。

π=p/p*(p*=1MPa),τ=T*/T(T*=540 K);

R为气体常数:R=0.461526 KJ/(KgK);

noiio,Joiio,ni,Ii,Ji:方程中的常系数,对于不同区域值不相同。

2.3 4区方程

4区为饱和线区,可已知饱和温度或饱和压力中的任一参数计算得到另外一个参数。本文中,本区域的作用是根据温度(T)、压力(P)数值确定介质状态所处哪一区,故只需根据温度求得饱和压力(ps),再与实际压力对比即可得出判断依据:

若ps=p :介质处于饱和态,使用(10)或(17)方程求解;

若ps>p :介质处于气态,使用(17)方程求解;

若ps<p :介质处于液态,使用(10)方程求解。

本区域饱和压力计算方程计算

饱和压力方程]

A=φ2+n1φ+n2

B=n3φ2+n4φ+n5

其中 C=n6φ2+n7φ+n8

温度适用范围:273.15K≤T≤647.096 K。

其中:

Ps、Ts:饱和压力及饱和温度,MPa,K;

P*、T*为参考温度、压力,P*=1 MPa,T*=1 K;

n1,n2 ,n3 ...n8 :为方程中的常量。

3 程序设定

根据上述方法梳理,采用高级计算机语言编制计算程序,并导入DCS,即可根据热媒数据计算蒸汽量,并可利用DCS自带累积函数生产日或月用量用于报表统计,实现逻辑如图3。

4 结语

介绍了如何利用IAPWS_IF97的方法,设置高压蒸汽软流量的过程。软流量计的设置是通过数据建模的方法,拟合热媒密度和焓值随温度的变化,然后再使用IAPWS_IF97的方法求得蒸汽进出口焓差,继而间接得出蒸汽使用量。设置蒸汽软流量计可为内部结算提供依据,减少了设备投入和运行成本。本文仅根据自身需要截取了IAPWS_IF97中一部分方法,若需求得更多的热力学参数,在程序中逐步进行添加。