寬量程蒸汽流量計計量及若干問題的討論分析：

[摘  要] 蒸汽流量計量是供熱行業計量工作中的一項主要內容，由于行業的點，現場運行儀表經常碰到超測量范圍、密度計算、儀表選型等問題。本文從介紹現代流量計量技術入手，結合目前供熱企業計量管理需求，提出了一套已經獲得成功應用的蒸汽流量計量器具配備方案，該方案解決了蒸汽流量寬量程、高精度、能量計量、數據上網等現代供熱計量的新要求。

1前言

蒸汽是城鎮供熱行業中主要的供熱介質，所以提高蒸汽的生產、輸送及使用效率可以節約大量的能源。準確的計量是提高能源管理水平的關鍵。由于蒸汽的殊性，在計量方面存在諸多困難，長期以來一直是城鎮供熱行業計量工作中的老大難問題，逐步建立一套適合我國城鎮供熱企業點，具有科學性，經濟性，實用性的蒸汽計量儀表的配備方案，是當前城鎮供熱計量管理的緊迫課題。目前蒸汽流量測量主要采用的還是標準節流裝置這一傳統的測量手段，但是常規的孔板流量計在蒸汽測量方面還有很多不足，主要體現在測量范圍小、壓損大，現場安裝、維護復雜、檢定周期短等方面。尤其是測量范圍小的缺點，在熱負荷變化大的情況下計量誤差大大增加，使供熱企業受到經濟損失。目前，通過現代技術手段，可以很好地解決這些問題，下面針對這些問題進行分析，并提出一套合理的蒸汽流量計量器具配備方案。

2供熱蒸汽流量計量面臨的問題

2.1關于寬量程的問題

我們都知道，雖然引起孔板流量計誤差因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設計與施工予以保證。一般儀表的準確度都是用測量范圍內相對誤差表示。因此當測量值越接近滿度值，其準確度越高。但在蒸汽輸送過程中，實際的流量范圍往往無法準確確定，在熱負荷變化大的情況下，使流量計長時間工作在測量范圍以外，這樣就造成了很大的測量誤差。因此在設計蒸汽流量計量系統時，應考慮使用具有寬量程補償運算功能的計量系統。對節流件流出系數C、可膨脹性系數ε等中間參數的實時計算是解決寬量程的關鍵。

節流式流量計流量計算公式為：

     式（1）

式中：qv——體積流量m3/s

C——流出系數

ε——可膨脹性系數

d——節流件開孔直徑，m

D——管道內徑，m

β——直徑比，(β=d/D)

——被測流體密度，kg/m3

Δp——差壓，Pa

其中：按GB/T2624-2006標準孔板流出系數C的計算式為：

式(2)
 
 

式中：ReD——雷諾數

流束可膨脹系數 的計算式為：

    式（3）

式中： ：等熵指數

      P1P2：分別節流件前后的壓力，Pa

傳統的節流式流量計是將流出系數C和可膨脹性系數ε視為定值（C和ε由專門的節流裝置設計計算軟件計算得到），置入現場的流量積算儀。圖1是一臺孔板流出系數曲線。

0.6264
 
0.6081
 
0.6000
 
0.6101
 
0.6176
 
0.5
 
1
 
3
 
5
 
10
 
102
 
103
 
104
 
C
 
流出系數C與雷諾數ReD曲線（D=50mm，β=0.5，法蘭取壓）
 
 圖1曲線表明：當 =3×104 ，C=0.6101； =1×104 ，C=0.6176；平均值 =0.6139，即 在3×104 ～1×104范圍內（3：1）其不確定度為0.61%。

當 =5×104 ，C=0.6081； =5×103 ，C=0.6264；平均值 =0.6173，即 在5×104 ～5×103范圍內（10：1）其不確定度為1.5%，遠不能滿足用于貿易結算的一級表對不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數ε在超測量范圍情況下，所引起的測量不確定度更不容忽視，例如，一臺角接取壓孔板流量計（D=100mm，β=0.5）測量過熱蒸汽（壓力=4Mpa，溫度=400℃）， 在28×105 ～2.8×105（介質流速：52～5.2米/秒）范圍內，可膨脹系數ε的不確定度為3.0%！因此要實現寬量程，就必須對流出系數C和可膨脹性系數ε進行實時計算。

由式（2）可以看流出系數C的計算很復雜。相關標準給出了計算流出系數C的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復雜的中間參數的補償運算。

智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節流式流量計成為可能。歸納起來它應具備三個條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2.差壓變送器與流量計算機之間數字通訊（Hart協議）除能滿足全量程差壓信號傳遞的準確性，而且能夠自動遷移測量范圍。3.流量計算機不僅可根據溫度、壓力等工況參數對工況流量進行修正，還可以實時計算流出系數C、可膨脹性系數ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準確度同時，流量測量范圍可真正達到10：1(或更寬)，節流式流量計的這一飛躍是多項技術進步的成果，它改變著人們對節流式流量計的傳統認識。

2.2關于蒸汽密度問題

對于蒸汽的流量測量，人們都知道要進行壓力和溫度補償，但是由于對蒸汽性質的復雜程度了解不夠，在整個一套測量系統中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準確與否，并盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位，從式（1）中可以看出差壓與密度在測量中是處于同等地位的。目前流量類二次顯示儀表（系統）中蒸汽流量密度的計算，有相當數量的儀表采用的是簡單的數學表達式或查表法，其準確度往往不能滿足要求。

和一般通用氣體相比，在計算水蒸汽流量時有三個難點：

(1)密度的確定：

水蒸汽的性質與理想氣體大不相同，應視為實際氣體。水蒸汽的物理性質較理想氣體要復雜的多，故不能用簡單的數學式子加以描述；所以，在以往的工程計算中，凡涉及水蒸汽的狀態參數數值，大都從水蒸汽表中查出。把蒸汽參數表裝入儀表中，數據量很大。

(2)水蒸汽在應用過程中由于參數的變化，會發生狀態變化；如過熱蒸汽變為飽和蒸汽，飽和蒸汽變為過熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態（是飽和蒸汽或是過熱蒸汽），再查不同的數表或用不同的公式計算。

(3)濕飽和蒸汽含有飽和水，是兩相流。要準確測量蒸汽流量還必須知道干度。而干度測量難度很大，國外已有一些研究成果，但未見普遍推廣應用，國內目前仍處于研究階段。

通常有以下兩種水蒸汽密度的確定方法：

(1)      查表法：把水蒸汽密度表裝入計算機中，根據工況的溫度、壓力，從表中查出相應的密度值。

(2)      計算法：

①   自己擬合公式（或者出版物給出的公式）

②   烏卡諾維奇公式

③   IFC1967公式

我國沒有制定“水蒸汽熱力學性質表”的標準，而是采用國外出版物的水蒸汽熱力學性質表。我國曾翻譯過美國的、前蘇聯的、西德的水蒸汽熱力學性質表，近年來逐步統一到 IFC1967公式的數表。因此，我們在流量測量中使用的儀表應該按照IFC1967公式進行實時的密度計算才是z理想和準確的方法。目前我國JJG1003-2005《流量積算儀》檢定規程已引用了該公式。

《JJG1003-2005》檢定規程的一個重要點是把流量積算儀表與流量變送器、被測流體緊密結合在一起，檢定的理論值*按有關標準給出的數學模型計算得到。由于涉及的流量變送器種類、被測流體的類型較多，計算公式各異且相當復雜。為此，中國計量科學研究院和北京博思達新世紀測控技術有限公司聯合開發了《FIMJ-01-WIN版流量積算儀檢定軟件》以滿足用戶對流量積算儀（含流量計算機、DCS、PLC數據采集系統等）型式檢定、出廠檢定、周期檢定以及對在線儀表進行現場檢定的需要。

2.3關于能量計量問題

不同狀態下等質量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如：在壓力為0.8Mpa、溫度為200℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2838.6千焦；在壓力0.8Mpa溫度為220℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2千焦，二者相差1.6%。所以，以質量為蒸汽的結算單位不能真實反映蒸汽的價值。針對上述情況，以能量作為蒸汽的結算單位，已不僅是學術界的共識，而且也得到了廣大蒸汽的生產和使用單位的響應，呼吁出臺相關標準以進一步科學的規范蒸汽計量，并考慮到人們多年使用蒸汽質量為交結單位的習慣，作為一種過渡，仍應保留以質量為蒸汽結算單位。改動貿易計量單位是一個較復雜的問題，但先在企業內部推行蒸汽的能量計量在技術層面上是可行的，在管理層面將是一項十分有益的實踐。

2.4關于非標準差壓式流量計

近年來，各種各樣的非標準差壓式流量計依其各自的點，在流量測量方面進行了積的探索。但是由于它們不能像標準節流件一樣，有成熟且通行的、標準支持，其儀表系數必須通過實流標定獲得（所謂實流標定一般是指在沒有標準明確規定的情況下，被測介質和實驗介質應為同一介質，及測量蒸汽的儀表應使用蒸汽進行標定）否則，在貿易計量中容易產生爭議。

2.5關于數據網絡的問題

目前企業的生產裝置自動化水平越來越高，很多供熱企業已經建立了數據網絡。為適應各種通訊網絡的要求，選用的流量計量儀表要具有多種網絡接口，生產廠家能提供使用多種通訊協議的軟件。

3 蒸汽流量計量儀表配備方案

3.1一套合理、先進的蒸汽計量系統應該具有以下征：

（1）現場儀表符合準確度要求、免維護、故障率低、穩定性好、檢定周期長。

（2）補償功能完善且補償的算法符合相關標準。

（3）具有較寬的測量范圍。

（4）具有歷史數據存儲、事件報警等管理功能。

（5）便于實現網絡化。

（6）具有能量計量的功能。

3.2一次儀表配備方案

本文推薦的蒸汽流量計量一次儀表是一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進行溫度、壓力補償。

節流式流量計在蒸汽計量中占有重要的地位。節流式流量計技術成熟，別是標準節流裝置按標準（ISO5167-2003E、GB/T2624-2006）設計、制造就無須實流標定，是其它流量計*的。實際上，目前我國蒸汽計量用表有90%以上的仍采用標準孔板節流裝置。為何大力推薦采用標準噴嘴而不是孔板，其原因如下：

標準孔板的一個缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發生鈍化，據悉國內有關部門曾對新裝孔板進行跟蹤校驗，在孔板連續使用2—3個月時，鈍化引起流出系數偏度在1—3%，個別嚴重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標準孔板鈍化問題的方法是采用標準噴嘴，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損（見圖2）。它的流出系數非常穩定，所以JJG640-94規程規定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年（孔板檢定周期是1年）。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多(僅為孔板的50-60%)，有利于減小能耗。長期運行情況表明，由于噴嘴在結構上的優勢具有耐沖擊抗變形的優點，適應于高溫、高壓、高流速介質。

節流式流量計的系統構成比較復雜，有較長的引壓管，容易阻塞，冬季運行還需對引壓管、冷凝系統進行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護工作量大。一體化噴嘴很好的解決了上述問題，一體化噴嘴是將節流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器，不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統，使系統構成簡單，無需保溫供熱，在減少維護量的同時，也節省了能源。

 一體化噴嘴的點：

◆   采用標準節流件，測量準確度有依據；

◆   采用防凍隔離技術，冬季運行無須伴熱，維護量少；

◆   噴嘴節流件阻力損失小(同樣流量下為相同β值孔板的60％左右)；

◆   沒有孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數穩定，檢定周期長（4年）；

◆   配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達10：1或更寬；

◆   安裝簡便。

3.3二次儀表配備方案

蒸汽流量計量二次儀表我們推薦采用流量計算機類產品。流量計算機具有高精度補償運算、數據顯示存儲以及運用網絡實現通訊功能的新一代計量儀表，其依據有關標準與建議、與行業標準，針對不同介質和流量計類型建立了多種數學模型和相應計算軟件。一臺流量計算機可完成溫度、壓力、濕度、密度、組分等補償運算。對節流式流量計的流出系數C、流束可膨脹系數ε、壓縮系數Z等參數作為動態量進行實時逐點運算。流量計算機所使用的流量計算軟件必須通過部門認證。

流量計算機具有以下優點：

◆   依據有關標準與建議、與行業標準，針對不同介質和流量計類型建立了多種數學模型和相應計算軟件，可以計算蒸汽質量流量和能量流量。

◆   對節流式流量計的流出系數C、可膨脹性系數ε等參數作為動態量進行實時逐點運算以實現寬量程。

◆   具有歷史數據存儲、報警記錄、儀表斷電、修改參數設置等審計記錄功能，即使網絡系統發生故障流量計量數據也會存儲在其中不至于丟失。

◆   的流量計算機所使用的流量計算軟件已通過部門認證。

◆   流量計算機具有強大的通訊功能，對現場儀表除可適配4～20mA信號、脈沖信號外，還可以適配HART、Modbus等數字信號；對上位機可采用包括程控網、以太網等方式構成計算機網絡應用系統，實現遠程監督管理和建立集散式計量管理系統。

4 結束語

目前，由一體化噴嘴流量計和流量計算機構成的蒸汽計量系統，將經典技術與現代技術相結合，克服了傳統孔板流量計量程小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短、系統安裝、維護復雜等缺點。實踐表明該方案在蒸汽流量計量方面已日趨成熟，并已在我國石化、化工、冶金以及城市供熱等行業中得到了廣泛應用，在蒸汽流量計量方面做了有益的探索。

參考文獻：

（1）GB/2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》

（2）JJG1003-2005《流量積算儀》

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