李 江

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司計(jì)量所，200540)

蒸汽既是石油化工企業(yè)重要的二次能源，也是企業(yè)成本核算的一項(xiàng)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著企業(yè)內(nèi)部獨(dú)立核算的不斷深入，蒸汽計(jì)量越來(lái)越受到企業(yè)的重視。它不僅關(guān)系到企業(yè)的能耗水平，更直接關(guān)系的用汽單位和產(chǎn)汽單位的經(jīng)濟(jì)利益，還可能對(duì)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)產(chǎn)生影響。

在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，蒸汽計(jì)量一直采用質(zhì)量計(jì)量和結(jié)算，國(guó)內(nèi)外專家、同行也對(duì)如何提高蒸氣的質(zhì)量計(jì)量準(zhǔn)確度，提出了很多對(duì)策和措施。但對(duì)蒸氣質(zhì)量計(jì)量的合理性方面討論較少，尤其具體到石油石化行業(yè)，裝置大多數(shù)時(shí)候是利用蒸汽的熱能，而不是蒸汽本身，即蒸汽本身的質(zhì)量和其所含的熱量并沒(méi)有線性關(guān)系。而這種用汽、算汽方式的不一致，會(huì)直接影響到用熱方的經(jīng)濟(jì)利益和節(jié)能降耗。

1 計(jì)量方式分析

前已述及，大多數(shù)裝置和用戶購(gòu)買蒸汽，是為了使用蒸汽的熱量，而不是蒸汽本身。若用質(zhì)量計(jì)量單位作為蒸汽計(jì)量和結(jié)算的單位，難以真實(shí)、準(zhǔn)確的反映蒸汽的品質(zhì)和價(jià)值，可能會(huì)直接影響用熱方的經(jīng)濟(jì)利益。在不同的狀態(tài)下，即便同等質(zhì)量的蒸汽，其所含的熱量也會(huì)不同，主要是因?yàn)檎羝撵孰S狀態(tài)變化而發(fā)生改變。

焓是工質(zhì)在某一狀態(tài)下所具有的總能量，它是內(nèi)能U和壓力勢(shì)能(流動(dòng)能)即壓力P和體積V乘積之和，是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，其定義式為［1］:

式中:H——工質(zhì)的焓，J或kJ;

U——內(nèi)能，J或 kJ;

P——壓力，Pa;

V——體積，m3。

單位質(zhì)量工質(zhì)的焓稱為比焓，用符號(hào)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(nèi)能和溫度、壓力的函數(shù)，是單位蒸汽所含的全部熱能。不同狀態(tài)的蒸汽，所含的熱能完全不一樣，過(guò)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(tài)的蒸汽，因溫度和壓力變化，其焓值也有較大差異。如對(duì)兩種過(guò)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(wǎng)中，蒸汽從鍋爐產(chǎn)出，通過(guò)管道輸送到遠(yuǎn)近不同的各個(gè)用戶，在輸送過(guò)程中，由于沿途熱損和用戶引進(jìn)，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(dǎo)致蒸汽的品質(zhì)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(zhì)量計(jì)量，對(duì)下游用戶帶來(lái)的損害是顯而易見(jiàn)的。以上海石化為例，過(guò)熱蒸汽(350℃、3.7 MPa，其焓值約為3.102 MJ/kg)，采用階梯式循環(huán)運(yùn)行方式，及蒸汽經(jīng)過(guò)兩級(jí)(或多級(jí))裝置做功，蒸汽(仍是過(guò)熱蒸汽)的溫度、壓力逐級(jí)降低，焓值也逐級(jí)下降，但流經(jīng)各級(jí)裝置的質(zhì)量流量不變。以質(zhì)量流量做為結(jié)算單位，難以準(zhǔn)確進(jìn)行單套裝置的能耗考核和獨(dú)立的成本核算。而用熱量計(jì)量，則可以避免由此引起的不合理數(shù)據(jù)，體現(xiàn)計(jì)量的公正公平。質(zhì)量測(cè)量法對(duì)蒸汽產(chǎn)方也不總是有利的，因?yàn)楫a(chǎn)熱方為了保證用熱方的蒸汽品質(zhì)指標(biāo)，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(zhì)量測(cè)量對(duì)產(chǎn)熱方來(lái)說(shuō)就意味著利潤(rùn)的損失。

2 蒸汽計(jì)量

2.1 熱量計(jì)量的依據(jù)

要實(shí)現(xiàn)蒸汽的熱量計(jì)量，首先要有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的支持，蒸汽的焓值，目前有兩套公式可以遵循，一個(gè)是由第六屆國(guó)際水蒸氣性質(zhì)會(huì)議的國(guó)際公式化委員會(huì)(IFC)擬定的“工業(yè)用1967年IFC公式”，另一個(gè)是1997年在德國(guó)(Erlangen)召開(kāi)的水和水蒸氣國(guó)際聯(lián)合會(huì)(IAPWS)擬定的IAPWS－IF97公式。這兩公式在使用范圍、區(qū)域劃分、計(jì)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(qū)域劃分的差別。IFC－67將使用范圍內(nèi)的水和水蒸氣分為6個(gè)子區(qū)域;IAPW－IF97將使用范圍內(nèi)的水和水蒸氣分為5個(gè)子區(qū)域，即將IFC－67的第3和4子區(qū)域合并為一個(gè)子區(qū)域，將IFC－67的第5和6子區(qū)域合并為一個(gè)子區(qū)域，并增加一低壓高溫區(qū)，即第1區(qū)為常規(guī)水區(qū)、第2區(qū)為過(guò)熱蒸汽區(qū)、第3區(qū)為臨界區(qū)、第4區(qū)為飽和線區(qū)、第5區(qū)為低壓高溫區(qū)。

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

2.2 熱量計(jì)量的具體過(guò)程

2.2.1 蒸汽的質(zhì)量計(jì)量

蒸汽熱量的計(jì)量是建立在質(zhì)量基礎(chǔ)上的。目前，工業(yè)用流量?jī)x表種類多達(dá)60余種，主要有渦街流量計(jì)、差壓式(孔板、均速管、彎管)流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、分流旋翼式流量計(jì)、阿牛巴流量計(jì)、浮子式流量計(jì)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(zhì)量測(cè)量來(lái)說(shuō)，無(wú)論是工礦企業(yè)還是市政集中供熱系統(tǒng)，使用最多的是孔板式(噴嘴式)流量計(jì)和渦街流量計(jì)，在煉化企業(yè)的蒸汽管網(wǎng)中，主要采用了孔板和渦街兩種流量計(jì)，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(jì)?？装辶髁坑?jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量的公式為［3］:

式中:qm——蒸汽質(zhì)量流量，kg/s;

C——流出系數(shù);

d——工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔或喉部直徑，m;

ε——可膨脹性系數(shù);

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(jì)測(cè)量蒸汽的質(zhì)量流量是目前人們普遍使用的一種較為成熟的測(cè)量方法。渦街流量計(jì)是一種體積流量計(jì)，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí)，其輸出只與體積流量成正比。渦街流量計(jì)的輸出信號(hào)有頻率信號(hào)和模擬信號(hào)兩種，模擬輸出是在頻率輸出的基礎(chǔ)上經(jīng)f/I轉(zhuǎn)換得到。這一轉(zhuǎn)換大約要損失0.1%的精確度，所以為獲得較高的測(cè)量精度，建議用戶選用頻率輸出的渦街流量計(jì)。該流量計(jì)測(cè)量質(zhì)量流量的表達(dá)式為［4］:

式中:qm——蒸汽質(zhì)量流量，kg/h;

f——渦街流量計(jì)輸出頻率，脈沖數(shù)/s;

kt——流量系數(shù)，脈沖數(shù)/l;

ρf——工作狀態(tài)下的流體密度，kg/m3。

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

圖1 用渦街流量計(jì)測(cè)量飽和蒸汽質(zhì)量流量的系統(tǒng)

(2)當(dāng)被測(cè)流體為過(guò)熱蒸汽時(shí)，可從ρf=y(pf，tf)查表求得工作狀態(tài)下的流體密度，其測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 用渦街流量計(jì)測(cè)量過(guò)熱蒸汽質(zhì)量流量的系統(tǒng)

目前，智能型流量積算儀的EPROM中寫(xiě)入了過(guò)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(guò)用戶填寫(xiě)組態(tài)菜單選定所查的表格，自動(dòng)查表計(jì)算。

關(guān)于蒸汽的質(zhì)量計(jì)量，無(wú)論是采用差壓式流量計(jì)還是速度式流量計(jì)，重點(diǎn)是選擇合適的儀表量程，并做好儀表的溫壓補(bǔ)償工作，安裝時(shí)注意位置的選擇，保證前后直管段。

2.2.2 蒸汽的熱量計(jì)量

如上所說(shuō)，蒸汽的熱量計(jì)量是建立在質(zhì)量計(jì)量的基礎(chǔ)上的，他們之間的關(guān)系是蒸汽質(zhì)量與蒸汽的比焓的乘積即為熱量，其關(guān)系式為［1］:

式中:Q——熱量，kJ;

hf——蒸汽比焓，kJ/kg。

(1)當(dāng)流體為過(guò)熱蒸汽時(shí)，h=f(p，t);(2)當(dāng)流體為飽和蒸汽時(shí)，h=f(p)，或h=f(t)，其中p和t分別為蒸汽壓力和溫度。在準(zhǔn)確測(cè)得蒸汽質(zhì)量后，通過(guò)查表獲得測(cè)量時(shí)工況下的比焓，再由公式(5)求得蒸汽的熱量。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)有許多儀表廠家生產(chǎn)智能型儀表，除了具有質(zhì)量流量演算、補(bǔ)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(jù)流體壓力和溫度查國(guó)際蒸汽比焓表，得到hf，在按公式(5)計(jì)算熱量，然后積算顯示，為蒸汽的熱量計(jì)量提供了極大的方便。

3 蒸汽熱量計(jì)量應(yīng)用

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)的蒸汽熱網(wǎng)管道長(zhǎng)度約78 km，承擔(dān)著為各生產(chǎn)裝置供汽的重要任務(wù)。上海石化蒸汽熱量計(jì)量改造始于2000年，主要是為了節(jié)能降耗，提高裝置能耗指標(biāo)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，消除裝置使用質(zhì)量相同而品質(zhì)不同的蒸汽卻要支付相同的費(fèi)用現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)改造計(jì)劃分兩步實(shí)施:第一步，先對(duì)企業(yè)外部貿(mào)易及所屬二級(jí)單位間的蒸汽計(jì)量設(shè)施進(jìn)行整改，增加熱量積算儀，在企業(yè)層面實(shí)施熱量計(jì)量、結(jié)算;第二步，對(duì)二級(jí)單位內(nèi)部進(jìn)出裝置的計(jì)量設(shè)施進(jìn)行整改，在企業(yè)全方位實(shí)施熱量計(jì)量和結(jié)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(yùn)行，采用熱量結(jié)算后，管道熱損直接體現(xiàn)出來(lái)，最高時(shí)達(dá)到12%，這對(duì)管道維護(hù)單位帶來(lái)了直接壓力，一改過(guò)去由于質(zhì)量計(jì)量結(jié)算帶來(lái)的熱網(wǎng)管道保溫積極性不高的情況，維護(hù)單位想方設(shè)法加強(qiáng)管道保溫工作，減少熱量損失，熱網(wǎng)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(jì)算，一年節(jié)能約500 kt(熱量約為1.5×106GJ)。

同時(shí)由于采用熱量計(jì)量，下游裝置的能耗指標(biāo)也明顯好轉(zhuǎn)，原來(lái)上海石化腈綸事業(yè)部生產(chǎn)裝置汽源不同，能耗指標(biāo)差異明顯，當(dāng)油電廠供汽時(shí)，由于供汽位置就在隔壁，管道短，熱量損失少，蒸汽品質(zhì)好，相同質(zhì)量的蒸汽熱量相對(duì)高，裝置的能耗指標(biāo)明顯好;當(dāng)煤電廠供汽時(shí)，由于腈綸事業(yè)部位于供汽管道的末端，蒸汽品質(zhì)差，相同質(zhì)量的蒸汽熱量相對(duì)低，裝置的能耗指標(biāo)明顯變差，腈綸事業(yè)部一直呼吁要用油電廠的蒸汽。熱量改造完成后，這種現(xiàn)象有了明顯改善，因?yàn)椴捎脽崃拷Y(jié)算，無(wú)論是油電廠供汽還是煤電廠供汽，能耗指標(biāo)的變化不大，提高了裝置能耗指標(biāo)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

上海石化第一步改造完成后，雖然節(jié)能效果明顯，但由于整個(gè)中國(guó)石化集團(tuán)公司仍然采用質(zhì)量指標(biāo)對(duì)裝置的能耗進(jìn)行考核，若只有上海石化采用熱量計(jì)量結(jié)算，相關(guān)數(shù)據(jù)與中國(guó)石化總部存在銜接問(wèn)題，也難以比較同類裝置能耗指標(biāo)的高低，正是由于此類原因，涉及第二步的改造目前尚未實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)蒸汽采用熱量計(jì)量，雖然當(dāng)前國(guó)家還未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但其計(jì)量方式的合理性、準(zhǔn)確性，不僅僅是學(xué)術(shù)界的共識(shí)，也得到了大量蒸汽生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)。

(2)上海石化初步應(yīng)用的事實(shí)表明，蒸汽熱量計(jì)量對(duì)加強(qiáng)能源管理，促進(jìn)節(jié)能降耗效果明顯，可以預(yù)計(jì)蒸汽的熱量計(jì)量將是一種技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展趨勢(shì)。

1 華自強(qiáng).工程熱力學(xué)［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(zhì)通用計(jì)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(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

4 盧嘉，史云肖，鄭永輝.用渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽的質(zhì)量流量［J］.石油化工自動(dòng)化，2006(4):79－80.