蒸汽热量计量应用的探析

李 江

(中国石化上海石油化工股份有限公司计量所，200540)

蒸汽既是石油化工企业重要的二次能源，也是企业成本核算的一项重要的经济指标。随着企业内部独立核算的不断深入，蒸汽计量越来越受到企业的重视。它不仅关系到企业的能耗水平，更直接关系的用汽单位和产汽单位的经济利益，还可能对生产工艺的改进产生影响。

在过去相当长的时间里，蒸汽计量一直采用质量计量和结算，国内外专家、同行也对如何提高蒸气的质量计量准确度，提出了很多对策和措施。但对蒸气质量计量的合理性方面讨论较少，尤其具体到石油石化行业，装置大多数时候是利用蒸汽的热能，而不是蒸汽本身，即蒸汽本身的质量和其所含的热量并没有线性关系。而这种用汽、算汽方式的不一致，会直接影响到用热方的经济利益和节能降耗。

1 计量方式分析

前已述及，大多数装置和用户购买蒸汽，是为了使用蒸汽的热量，而不是蒸汽本身。若用质量计量单位作为蒸汽计量和结算的单位，难以真实、准确的反映蒸汽的品质和价值，可能会直接影响用热方的经济利益。在不同的状态下，即便同等质量的蒸汽，其所含的热量也会不同，主要是因为蒸汽的焓随状态变化而发生改变。

焓是工质在某一状态下所具有的总能量，它是内能U和压力势能(流动能)即压力P和体积V乘积之和，是一个复合状态参数，其定义式为［1］:

式中:H——工质的焓，J或kJ;

U——内能，J或 kJ;

P——压力，Pa;

V——体积，m3。

单位质量工质的焓称为比焓，用符号h表示，单位为J/kg或kJ/kg，表示为:

由此可以推断出，蒸汽的比焓是其内能和温度、压力的函数，是单位蒸汽所含的全部热能。不同状态的蒸汽，所含的热能完全不一样，过热蒸汽、饱和干蒸汽和饱和湿蒸汽(即汽水混合物)的焓差异很大。即使同一状态的蒸汽，因温度和压力变化，其焓值也有较大差异。如对两种过热蒸汽而言，p1=1.3 MPa、t1=300℃蒸汽的比焓约为3 606 kJ/kg，而 p2=1.2 MPa、t2=280 ℃蒸汽的比焓约为3 587 kJ/kg，比焓减少了3%左右。即使在同一蒸汽管网中，蒸汽从锅炉产出，通过管道输送到远近不同的各个用户，在输送过程中，由于沿途热损和用户引进，蒸汽的工况变化难以避免，锅炉出口的压力、温度和管道末端用户的温度、压力变化很大，导致蒸汽的品质下降，末端用户的蒸汽中可能含较大比例的热水，所含热量明显降低，所以蒸汽用质量计量，对下游用户带来的损害是显而易见的。以上海石化为例，过热蒸汽(350℃、3.7 MPa，其焓值约为3.102 MJ/kg)，采用阶梯式循环运行方式，及蒸汽经过两级(或多级)装置做功，蒸汽(仍是过热蒸汽)的温度、压力逐级降低，焓值也逐级下降，但流经各级装置的质量流量不变。以质量流量做为结算单位，难以准确进行单套装置的能耗考核和独立的成本核算。而用热量计量，则可以避免由此引起的不合理数据，体现计量的公正公平。质量测量法对蒸汽产方也不总是有利的，因为产热方为了保证用热方的蒸汽品质指标，总要留有余量，即要高于用热方所要求的温度、压力，此余量若用质量测量对产热方来说就意味着利润的损失。

2 蒸汽计量

2.1 热量计量的依据

要实现蒸汽的热量计量，首先要有相应标准的支持，蒸汽的焓值，目前有两套公式可以遵循，一个是由第六届国际水蒸气性质会议的国际公式化委员会(IFC)拟定的“工业用1967年IFC公式”，另一个是1997年在德国(Erlangen)召开的水和水蒸气国际联合会(IAPWS)拟定的IAPWS－IF97公式。这两公式在使用范围、区域划分、计算精度上都有一定的差别［2］。

(1)使用范围的差别。IFC－67:温度0.1～800℃、压力0～100 MPa;IAPW－IF97:温度0～800℃、压力0～100 MPa及800～2 000℃、压力0 ～10 MPa。

(2)区域划分的差别。IFC－67将使用范围内的水和水蒸气分为6个子区域;IAPW－IF97将使用范围内的水和水蒸气分为5个子区域，即将IFC－67的第3和4子区域合并为一个子区域，将IFC－67的第5和6子区域合并为一个子区域，并增加一低压高温区，即第1区为常规水区、第2区为过热蒸汽区、第3区为临界区、第4区为饱和线区、第5区为低压高温区。

(3)计算精度的差别。一般说，IAPW－IF97的计算精度比IFC－67高一个数量级，特别是边界点(从分区图看是温度为350～374.15℃、压力大于16.54 MPa)，用IFC－67计算误差为6%，用IAPW－97计算误差在1%以内。但是在常用测量范围(温度0～600℃，压力0.1～5 MPa)，两公式计算结果偏差极小(0.1%以内)，所以正确使用IFC－67公式是可以满足蒸汽计量准确度的要求。

2.2 热量计量的具体过程

2.2.1 蒸汽的质量计量

蒸汽热量的计量是建立在质量基础上的。目前，工业用流量仪表种类多达60余种，主要有涡街流量计、差压式(孔板、均速管、弯管)流量计、质量流量计、分流旋翼式流量计、阿牛巴流量计、浮子式流量计等，任何一种仪表都有它特定的适用性，也有其局限性。就蒸汽质量测量来说，无论是工矿企业还是市政集中供热系统，使用最多的是孔板式(喷嘴式)流量计和涡街流量计，在炼化企业的蒸汽管网中，主要采用了孔板和涡街两种流量计，选型原则是:DN＞200的基本采用孔板，DN≤200的多选用涡街流量计。孔板流量计测量蒸汽质量的公式为［3］:

式中:qm——蒸汽质量流量，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，m;

ε——可膨胀性系数;

β——直径比(β =d/D);

ΔP——差压，Pa;

ρ——工作条件下蒸汽的密度，kg/m3。

涡街流量计测量蒸汽的质量流量是目前人们普遍使用的一种较为成熟的测量方法。涡街流量计是一种体积流量计，即流体雷诺数在一定范围内时，其输出只与体积流量成正比。涡街流量计的输出信号有频率信号和模拟信号两种，模拟输出是在频率输出的基础上经f/I转换得到。这一转换大约要损失0.1%的精确度，所以为获得较高的测量精度，建议用户选用频率输出的涡街流量计。该流量计测量质量流量的表达式为［4］:

式中:qm——蒸汽质量流量，kg/h;

f——涡街流量计输出频率，脉冲数/s;

kt——流量系数，脉冲数/l;

ρf——工作状态下的流体密度，kg/m3。

(1)当被测流体为饱和蒸汽时，若工作状态下的压力为pf，工作状态下的温度为tf，则可从ρf=y1(pf)或ρf=y2(tf)查表求得工作状态下的流体密度，其测量系统如图1所示。

图1 用涡街流量计测量饱和蒸汽质量流量的系统

(2)当被测流体为过热蒸汽时，可从ρf=y(pf，tf)查表求得工作状态下的流体密度，其测量系统如图2所示。

图2 用涡街流量计测量过热蒸汽质量流量的系统

目前，智能型流量积算仪的EPROM中写入了过热蒸汽密度表ρf=y(pf，tf)和饱和蒸汽密度表 ρf=y1(pf)、ρf=y2(tf)，可通过用户填写组态菜单选定所查的表格，自动查表计算。

关于蒸汽的质量计量，无论是采用差压式流量计还是速度式流量计，重点是选择合适的仪表量程，并做好仪表的温压补偿工作，安装时注意位置的选择，保证前后直管段。

2.2.2 蒸汽的热量计量

如上所说，蒸汽的热量计量是建立在质量计量的基础上的，他们之间的关系是蒸汽质量与蒸汽的比焓的乘积即为热量，其关系式为［1］:

式中:Q——热量，kJ;

hf——蒸汽比焓，kJ/kg。

(1)当流体为过热蒸汽时，h=f(p，t);(2)当流体为饱和蒸汽时，h=f(p)，或h=f(t)，其中p和t分别为蒸汽压力和温度。在准确测得蒸汽质量后，通过查表获得测量时工况下的比焓，再由公式(5)求得蒸汽的热量。

当前，国内有许多仪表厂家生产智能型仪表，除了具有质量流量演算、补偿、积算、显示功能之外，还具有热量演算功能，这种演算器在使用者指定了热量演算功能之后，先根据流体压力和温度查国际蒸汽比焓表，得到hf，在按公式(5)计算热量，然后积算显示，为蒸汽的热量计量提供了极大的方便。

3 蒸汽热量计量应用

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)的蒸汽热网管道长度约78 km，承担着为各生产装置供汽的重要任务。上海石化蒸汽热量计量改造始于2000年，主要是为了节能降耗，提高装置能耗指标的真实性和准确性，消除装置使用质量相同而品质不同的蒸汽却要支付相同的费用现象。当时改造计划分两步实施:第一步，先对企业外部贸易及所属二级单位间的蒸汽计量设施进行整改，增加热量积算仪，在企业层面实施热量计量、结算;第二步，对二级单位内部进出装置的计量设施进行整改，在企业全方位实施热量计量和结算。表1为热量改造后的历年差率。

表1 热量改造后的历年差率 GJ

第一阶段改造于2000年底完成并正式运行，采用热量结算后，管道热损直接体现出来，最高时达到12%，这对管道维护单位带来了直接压力，一改过去由于质量计量结算带来的热网管道保温积极性不高的情况，维护单位想方设法加强管道保温工作，减少热量损失，热网损失逐年下降，近几年一直保持在6%左右，按照上海石化年耗蒸气8 000 kt计算，一年节能约500 kt(热量约为1.5×106GJ)。

同时由于采用热量计量，下游装置的能耗指标也明显好转，原来上海石化腈纶事业部生产装置汽源不同，能耗指标差异明显，当油电厂供汽时，由于供汽位置就在隔壁，管道短，热量损失少，蒸汽品质好，相同质量的蒸汽热量相对高，装置的能耗指标明显好;当煤电厂供汽时，由于腈纶事业部位于供汽管道的末端，蒸汽品质差，相同质量的蒸汽热量相对低，装置的能耗指标明显变差，腈纶事业部一直呼吁要用油电厂的蒸汽。热量改造完成后，这种现象有了明显改善，因为采用热量结算，无论是油电厂供汽还是煤电厂供汽，能耗指标的变化不大，提高了装置能耗指标的真实性和准确性。

上海石化第一步改造完成后，虽然节能效果明显，但由于整个中国石化集团公司仍然采用质量指标对装置的能耗进行考核，若只有上海石化采用热量计量结算，相关数据与中国石化总部存在衔接问题，也难以比较同类装置能耗指标的高低，正是由于此类原因，涉及第二步的改造目前尚未实施。

4 结束语

(1)蒸汽采用热量计量，虽然当前国家还未出台相关标准规范，但其计量方式的合理性、准确性，不仅仅是学术界的共识，也得到了大量蒸汽生产和使用单位的响应。

(2)上海石化初步应用的事实表明，蒸汽热量计量对加强能源管理，促进节能降耗效果明显，可以预计蒸汽的热量计量将是一种技术进步的发展趋势。

1 华自强.工程热力学［M］.北京:高等教育出版社，2009.

2 孙玉宝，田贯三.水和水蒸气热力性质通用计算模型IAPWSIF97与 IFC67的比较［EB/OL］.2005［2011－01－04］.http://www.shuigong.com/papers/dianqi/20051116/paper10123.shtml.

3 纪纲.流量测量仪表应用技巧［M］.北京:化学工业出版社，2009.

4 卢嘉，史云肖，郑永辉.用涡街流量计测量蒸汽的质量流量［J］.石油化工自动化，2006(4):79－80.