工控摘要：針對影響蒸汽流量正確測量的各種常見因素進(jìn)行分析, 闡述了蒸汽流量計(jì)應(yīng)具備的主要性能, 介紹了彈簧負(fù)載變截面式流量計(jì)的原理和特點(diǎn)及蒸汽流量計(jì)系統(tǒng)安裝的注意要點(diǎn)。

1 前言

    自工業(yè)革命以來, 蒸汽由于具有容易產(chǎn)生、輸送、控制、熱容量高以及無毒、無味等特點(diǎn),常作為工作流體或載熱介質(zhì)被廣泛應(yīng)用。

  蒸汽流量的計(jì)量一直是蒸汽應(yīng)用的重要內(nèi)容之一。使用蒸汽流量計(jì)的主要目的包括: 改進(jìn)工廠的效率,確定用汽高峰時(shí)間和設(shè)備,合理使用蒸汽的制造方法,避免鍋爐的超負(fù)荷運(yùn)行;監(jiān)視能源的使用效率;改進(jìn)工藝制程的控制;計(jì)量蒸汽用量,進(jìn)行內(nèi)部或外部的計(jì)費(fèi)。

    但由于蒸汽的計(jì)量不同于其它流體如水、空氣等介質(zhì),在實(shí)際測量中影響其測量的因素較多,同時(shí)在國內(nèi)關(guān)于蒸汽測量方面也存在不少誤區(qū)。針對影響蒸汽流量正確測量的一些因素提出了解決方法,闡述了流量計(jì)應(yīng)具備的主要性能以及在實(shí)際的安裝使用中需要注意的事項(xiàng)。

b.差壓式流量計(jì)

    如孔板流量計(jì):孔板和差壓變送器輸出的是差壓信號。其質(zhì)量流量與流量計(jì)的幾何外型、差壓平方根和密度平方根有關(guān)。因此,對于一個(gè)給定的流量計(jì),在一定的差壓下,壓力變化引起的誤差如下:

2.3 蒸汽干度對于飽和蒸汽的影響

    目前,用于測量蒸汽流量的流量計(jì)大部分為體積流量計(jì),首先測得體積流量,然后通過蒸汽的密度（固定密度或根據(jù)溫度、壓力補(bǔ)償）計(jì)算質(zhì)量流量,也就是假定蒸汽為*干燥。但是,蒸汽并非*干燥,這幾乎適用于所有的情況,特別是目前國內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽品質(zhì)普遍較差,蒸汽輸送管道沒有有效的凝結(jié)水排放。因此通過以上方法測得的蒸汽質(zhì)量不盡正確。如果不考慮蒸汽干度的影響, 得出的數(shù)據(jù)會(huì)低于實(shí)際的流量。

    實(shí)際的蒸汽流量和假定干蒸汽（ 蒸汽干度=1）所測得的流量可以用以下公式近似表達(dá):

    因此流量計(jì)的積算儀應(yīng)該包括能設(shè)置飽和蒸汽干度的功能。但在實(shí)際工況確定蒸汽的干度也很困難。如果能夠改進(jìn)蒸汽流量計(jì)入口處的蒸汽品質(zhì),則能改進(jìn)蒸汽流量計(jì)的測量精度。例如根據(jù)圖4,如果蒸汽的干度為0.95,而測量時(shí)認(rèn)為*的干蒸汽,則誤差為2.6%。

    因此,建議在流量計(jì)的上游安裝汽水分離裝置,以提高測量正確性。

    以上我們討論了3個(gè)比較重要但容易被忽略的影響蒸汽測量蒸汽流量的因素,當(dāng)然影響測量正確程度的因素還包括正確的安裝、流量計(jì)的選型等。

3 蒸汽流量計(jì)應(yīng)具有的性能

   “沒有計(jì)量,就沒有管理”, 為了正確測量蒸汽的流量,一個(gè)蒸汽流量計(jì)必須具備以下性能:

3.1 良好的再現(xiàn)性

    再現(xiàn)性是描述流量計(jì)能多次顯示一個(gè)確定的流量值的能力。再現(xiàn)性不應(yīng)該和測量精度混淆。一個(gè)流量計(jì)對一個(gè)確定的流量能多次顯示良好的同一性,但其值有可能是錯(cuò)誤的或者是不正確的。流量計(jì)的再現(xiàn)性有助于改進(jìn)工廠的效率、改進(jìn)工藝過程的控制。

3.2 高的測量精度

    測量精度是衡量蒸汽流量計(jì)的顯示值和“真實(shí)”值的吻合程度。精度有兩種差別很大的方法表示:

3.2.1 測量值誤差或?qū)嶋H示值誤差

    如果流量計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際示值誤差為±3%,并且指示流量為1000kg/h,其“不確定值”在1030kg/h和970kg/h之間。當(dāng)流量為500kg/h時(shí),其誤差仍然為±3%,“不確定值”在515kg/h和485kg/h之間。

3.2.2  F.S.D或者全量程誤差

    在本表示方法中,誤差以流量計(jì)的zui大測量值的百分比表示。假定一個(gè)流量計(jì)其zui大測量值為1000kg/h,其精度為全量程的±3%,則當(dāng)流量為500kg/h 時(shí),其“不確定值“在530和470之間。可以看出,此時(shí)對于“實(shí)際測量值”其不確定性為±6% 。并且當(dāng)流量減少時(shí),其不確定性增大,也即誤差增大。

    所以在考察一個(gè)流量計(jì)的精度時(shí),一定要注意是示值誤差還是全量程誤差。

3. 3 量程比

         一個(gè)流量計(jì)精度很重要,但口徑選擇正確和使流量計(jì)盡可能接近用戶的實(shí)際需要也很關(guān)鍵。量程比是指一個(gè)流量計(jì)能確保給定的精度和再現(xiàn)性的范圍內(nèi),所能測量的zui大流量和zui小流量之比。表1為一些常用的蒸汽流量計(jì)典型的量程比。

4.1 工作原理

    與其它常見的差壓流量計(jì),如孔板流量計(jì)和文丘利式流量計(jì)一樣,Gilflo ILVA流量計(jì)的一次元件應(yīng)用管道內(nèi)能量守恒定律。如圖4所示:隨著流量的變化,圓錐移動(dòng),流體通過的圓環(huán)面積連續(xù)變化,中心定位的圓錐隨壓縮彈簧的阻力變化沿軸向自由移動(dòng),產(chǎn)生不同的差壓, 推導(dǎo)出瞬時(shí)流量。

    Gilflo ILVA的*設(shè)計(jì)極大地?cái)U(kuò)大了流量差壓測量的能力,關(guān)鍵之處則在于圓孔和圓錐的設(shè)計(jì)減少了上游速度截面的影響,并同時(shí)在差壓和流量線形的基礎(chǔ)上,獲得了*的量程比。

4. 2 主要特點(diǎn)

a.適用于大多數(shù)工業(yè)流體,特別是蒸汽系統(tǒng)。

b.量程比可達(dá)100: 1,滿足不同負(fù)載變化的要求。

c.精度高。經(jīng)過蒸汽實(shí)測,在5~* 的范圍內(nèi)示值誤差優(yōu)于±2%;在1~5% 的范圍內(nèi)為±0.1% 的全量程。

d.流量再現(xiàn)性優(yōu)于±0.5%。

e.非常緊湊的對夾式安裝,上下游分別只需6D和3D 的直管道。

f.自動(dòng)密度補(bǔ)償功能。

5 蒸汽流量計(jì)系統(tǒng)安裝的注意要點(diǎn)

    正確安裝流量計(jì)也是確保能正確計(jì)量蒸汽的關(guān)鍵之一。由于蒸汽系統(tǒng)不同于一般的流體系統(tǒng),蒸汽流量計(jì)用戶在安裝流量計(jì)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

a.流量計(jì)上游應(yīng)安裝汽水分離裝置和過濾器。

蒸汽中的水分不僅影響計(jì)量的正確性,同時(shí)會(huì)對流量計(jì)造成機(jī)械性的傷害,如水錘、沖蝕等。流量計(jì)上游應(yīng)安裝汽水分離裝置,并用浮球式疏水閥進(jìn)行疏水。流量計(jì)前也應(yīng)安裝過濾器,確保流量計(jì)不受管道垃圾、雜質(zhì)的損壞, 過濾器應(yīng)經(jīng)常清洗,特別是新系統(tǒng)起用以后。

b.所有管道應(yīng)足夠支撐和良好的疏水。這可以避免在停機(jī)階段的積水和再次起動(dòng)時(shí)對流量計(jì)的損害。

c.流量計(jì)口徑的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷而非管道口徑, 過大的口徑造成實(shí)際量程比的下降。

d.在流量計(jì)管道單元的下游應(yīng)安裝止回閥, 以避免倒流對流量計(jì)造成的機(jī)械破壞。

e.流量計(jì)盡可能不要直接安裝在減壓閥的下游, 否則會(huì)造成計(jì)量的不正確或?qū)α髁坑?jì)造成損傷。

f.流量計(jì)不要直接安裝在帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)閥下游。否則會(huì)造成流量的急劇變化,而對流量計(jì)造成損傷。

g.確保法蘭墊片的突出至管道中。

h.流量計(jì)的上游應(yīng)安裝波紋管密封的截止閥。

i.流量計(jì)的上下游應(yīng)該有足夠的直管道。良好的安裝見圖5。

6 結(jié)束語

    為了正確測量蒸汽的流量,用戶在實(shí)際應(yīng)用中必須注意：

a.蒸汽流量的變化。盡可能選擇流量量程比大的流量計(jì),避免在小流量時(shí)測量不正確和流量“丟失”現(xiàn)象。

b.蒸汽系統(tǒng)壓力和溫度的變化。壓力恒定的蒸汽系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中幾乎是不存在。為避免壓力或溫度的波動(dòng)引起的非測量性誤差,蒸汽流量計(jì)應(yīng)具有自動(dòng)蒸汽密度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br />

c.飽和蒸汽干度的影響。應(yīng)注意干度的修正,同時(shí)確保供給流量計(jì)高品質(zhì)的蒸汽。

d.應(yīng)選擇一個(gè)適合實(shí)際蒸汽系統(tǒng)測量的流量計(jì)。一個(gè)性能良好的流量計(jì)應(yīng)該具有,良好的度和再現(xiàn)性、較高的量程比、自動(dòng)密度補(bǔ)償功能等。

e.確保蒸汽流量正確計(jì)量,流量計(jì)良好的安裝也很關(guān)鍵。

3. 4 蒸汽密度的自動(dòng)補(bǔ)償功

    在前面關(guān)于影響蒸汽流量正確測量中討論到,在現(xiàn)實(shí)世界中,*恒定的蒸汽壓力是不存在的。圖3表示一個(gè)典型的飽和蒸汽應(yīng)用的變化周期。在起機(jī)階段,系統(tǒng)壓力逐漸升高至正常的5barg,然而由于工藝過程負(fù)載等各種因素的變化, 系統(tǒng)的壓力總是在波動(dòng)。對于一個(gè)簡單的、沒有密度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì),在一天中的累計(jì)誤差是很明顯的。因此,對應(yīng)用于蒸汽系統(tǒng)的流量計(jì)必須具有自動(dòng)密度補(bǔ)償功能。

4 Gilflo ILVA流量計(jì)的工作原理和主要特點(diǎn)

    針對目前蒸汽流量計(jì)量中普遍存在的問題,作為蒸汽控制工程的專家,斯派莎克專門設(shè)計(jì)一種彈簧負(fù)載變截面蒸汽流量計(jì)。

2 影響正確測量蒸汽流量的因素

    能否正確測量蒸汽的流量除了流量計(jì)本身的計(jì)量性能以外,還受到很多因素的影響,下面將討論其中幾個(gè)：

2.1 蒸汽流量的變化

    為了確保得到的流量信息能夠正確表示在整個(gè)制程工況或需求范圍內(nèi)的蒸汽流量,流量計(jì)必須能夠測量從的低負(fù)荷至zui大負(fù)荷的整個(gè)范圍。而實(shí)際的蒸汽負(fù)荷可能無法知道或變化很大,因此流量計(jì)在可能的流動(dòng)工況下具有盡可能大的量程比。但涉及量程比時(shí)我們必須小心,因?yàn)榱砍瘫仁蔷佑诂F(xiàn)實(shí)的流動(dòng)速度上,例如對于蒸汽系統(tǒng)一般的zui大允許速度為35m/s,更高的流動(dòng)速度會(huì)引起系統(tǒng)的沖蝕和噪音。而不同的流量計(jì)允許的zui低流速是不同的,例如一般渦尖流量計(jì)所能測量的zui低蒸汽流速為2.8m/s,而Gilflo ILVA 流量計(jì)的zui低允許流速為0.6m/s。因此對于流量變化比較大的系統(tǒng),很容易造成在低流量（低流速）時(shí)有些流量計(jì)無法正確計(jì)量或不能計(jì)量的事實(shí)。

2.2 蒸汽壓力和溫度變化所引的密度變化

    在理想情況下,蒸汽的壓力能保持的恒定。然而,在現(xiàn)實(shí)世界中,蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷的變化、系統(tǒng)的壓力降和制程參數(shù)的變化都會(huì)引起壓力的變化,有時(shí)這種變化是很大的。在過熱蒸汽系統(tǒng)中,即使在壓力不變時(shí)過熱度的變化也會(huì)引起蒸汽密度的變化。

  為了正確計(jì)量蒸汽的質(zhì)量流量,必須考慮蒸汽壓力和溫度的變化。對于蒸汽流量計(jì)必須具有內(nèi)置的管線壓力和溫度補(bǔ)償功能,即蒸汽密度補(bǔ)償。

  然而目前用來測量蒸汽質(zhì)量流量的大多數(shù)流量計(jì)系統(tǒng)沒有自動(dòng)的壓力和溫度補(bǔ)償, 操作在某一壓力下。如果管道壓力（ 對過熱蒸汽包括溫度） 能真正固定,則很好,但是,即使是相對很小的壓力變化也會(huì)影響測量精度。不同類型的流量計(jì)影響的方式不同：

a.速度式流量計(jì)

    例如渦尖流量計(jì):渦尖流量計(jì)的信號輸出只和流速有關(guān),而和介質(zhì)的密度、壓力、溫度無關(guān)。即對于給定的流動(dòng)速度3barg和17barg的蒸汽,對同一個(gè)渦尖流量計(jì)其輸出信號是相同的。因此,對于一個(gè)渦尖蒸汽流量計(jì)在某壓力下工作,而實(shí)際運(yùn)行于不同的壓力,則誤差可用以下方法簡單計(jì)算: