蒸汽流量计量方案((含宽量程问题,蒸汽密度计算问题))

4～20mA手操迁移量程 普通差压变送器
一体化
差压变送器
智能差压变送器
4～20mA或HART协议
带有流量参数（C、ε）实时 补偿功能的流量显示设备 *扩展功能：能量计量
显示设备
普通流量显示设备（仅 进行密度修正）
只有通过将节流件、差压变送器、流量显示设备、
流量计算软件集合为一体，发挥现代技术的综合优势， 才能有效地克服传统节流装置的缺点。因此，引出一 体化的概念。 由此看来，这是一个综合技术的集合，在选型、
2．宽量程补偿计算
虽然引起孔板流量计误差因素很多，诸如直管段条 件、安装条件等都可通过设计与施工予以保证，但超范 围是引起误差的主要原因，特别是用在流量变化范围大 的情况下，使仪表在相当长时间内工作在测量范围以外，
所以解决扩展测量范围问题是解决问题的关键所在。智
能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计 算机的问世，使我们能拥有宽量程的智能化节流式流量 计成为可能。 ①智能化的宽量程差压变送器（差压范围为100：1）。
围可真正达到10：1（或更宽）。
节流式流量计的这一飞跃是多项技术进步的成果， 它改变着人们对节流式流量计的传统认识。
流量系数C等中间参数的实时计算 节流式流量计用于蒸汽计算的实用公式为：
qm C 1 4


4
d 2 2P
……………（1）
式中： q m ——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
用测量范围（温度0℃--600℃，压力0.1MPa—
5MPa）,两公式计算结果偏差极小（0.1%以内），
所以正确使用IFC1967公式是可以满足蒸汽计量
会议又将骨架表的压力和温度范围放宽，并加以改进。
随着计算机技术的发展，国际水蒸汽会议认为推导一 套工业应用的水和水蒸汽性质公式很有必要，因此在 1963年（纽约）的第六届会议上成立了国际公式化委 员会（IFC），这个国际会议推出的公式是由一整套
方程式组成，用该公式计算出的数值，不论在哪一点，
都在骨架表的允差之内。目前大多采用的水蒸汽表的
比容、焓、比热都是根据这些公式计算出来的，并被 国际水蒸汽性质协会成员国的决议确认，工业用1967 年IFC公式就是该工作的成果。 IAPW-IF97与IFC-1967比较
随着工程技术以及科学研究水平的不断提高，对
水和水蒸汽热力性质计算精度和速度要求不断提高，
因此，1997年在德国召开的水和水蒸汽性质国际联合
流出系数C与雷诺数ReD曲线 （D=50mm，β=0.5，法兰取压）
Re
图中曲线表明：
当 ReD=3×104 ， C=0.6101 ； 内（3：1）其不确定度为0.61%。 当ReD =5×104，C=0.6081； ReD =5×103， C=0.6264；平均值C=0.6173，即在5×104～5×103范 围内（10：1）其不确定度为1.5%，远不能满足用于 ReD=1×104 ，
会（IAPWS）通过并发表了由德、俄、英、加等7国12 位科学家组成的联合研究小组提出的一个全新的水和 水蒸汽计算模型，即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； (1) 使用范围： IFC-67，温度0.1℃--800℃、压力0—100Mpa IAPW-IF97,温度0℃--800℃、压力0—100MPa 及800℃--2000℃、压力0—10Mpa (2) 区域划分： IFC-67将使用范围内的水和水蒸汽分为六个子区域
——可膨胀性系数；
——直径比(β=d/D)
P ——差压，Pa。
——工作条件下蒸汽的密度
其中：流出系数的计算式为（以角接取压为例）：
C 0.5959 0.0312
2.1
0.1840 0.0029
8
2.5
10 6 R eD

……（2）
设计、使用、维护都体现出了“一体化”的概念。
小结（三）几种流量计比较
传统孔板 准确度 范围度 阻力损失 耐高温性能 低流速特性 抗振性能 1.0 3：1 大 好 好 好 涡街流量计 1.0 10：1 小 一般 一般 差 一体化节流式 （ISA1932喷嘴） 流量计 1.0 10：1 或 20：1 小 好 好 好
隔离器，节约能源。（专利号：00211532.9）
●引压管不积存冷凝水
●优选定值ISO1932喷嘴，压损小（同流量，同β值情
况下，为孔板的60%），检定周期长（是孔板的4倍）
●测量范围宽10：1 （或更宽 20：1）
●介质适用性强（特别适用于蒸汽流量测量），动态
性能好，结构简单，故障率低，安装维护简便
②差压变送器与流量计算机之间的数字通讯（Hart协
议）除能满足全量程差压信号传递的准确性，而且 能够自动迁移测量范围。 ③流量计算机不仅可根据温度、压力等工况参数对工 况流量进行修正，还可以实时计算流出系数C、流
速可膨胀性系数ε等。符合上述条件的宽量程智能
化差压式流量计，在满足准确度同时，流量测量范
蒸汽湿度影响
检定周期 系统构成
小
一年 复杂
大
二年 简单
小
四年 简单
安装维护
引压管冷凝水液位差
复杂
可能有
简单
无
简单
无
3.蒸汽密度计算 水蒸汽密度计算的特点 工程上应用的水蒸汽的性质与理想气体大不相同， 应视为实际气体。水蒸汽的物理性质较理想气体要复 杂的多，故不能用简单的数学模型加以描述；所以，
在以往的工程计算中，凡涉及水蒸汽的状态参数数值，
IAPW-IF97将使用范围内的水和水蒸汽分为五个 子区域，即将IFC-67的第三、四子区域合并为一个子 区域，将IFC-67的第五、六子区域合并为一个子区域，
并增加一低压高温区，即第一区为常规水区、第二区
为过热蒸汽区、第三区为临界区、第四区为饱和线区、 第五区为低压高温区。 (3)计算精度： 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16.54MPa），用IFC-67计算误 差为6％，用IAPW—97计算误差在1％以内。但是在常
算流量，会带来较大的误差。
流量计算机可自动实时计算流出系数C、（和流速
可膨胀系数ε），这是实现节流式流量计宽量程自动
补偿的关键所在。
小结 针对传统孔板流量计：量程小、阻力损失大，易 磨损，检定周期短，系统维护复杂等缺陷而提出
节流件 一 体 化 连 接 传 统 连 接
ISA1932喷嘴 标准孔板 其他节流件
水蒸汽密度的确定有查表法和计算法。查表法：
把水蒸汽密度表装入计算机中，根据工况的温度、压
力，从表中查出相应的密度值；计算法：（1）自己
拟合公式（或者出版物给出的公式）（2）乌卡诺维 奇公式（3）IFC1967公式
我国没有“水蒸汽热力学参数”的国家标准，而
是采用国外出版物的水蒸汽热力学性质表。我国曾翻 译过一些工业发达国家的水蒸汽热力学性质表，不管 是哪个国家的水蒸汽性质表，凡符合IFC1967公式的 数表，都是可以采用的。（JJG1003-2005《流量积算
相同的，流出系数C的计算式是以大量实验所确定的数
值为依据，并以标准的形式给出。 传统的节流装置量程比较窄，主要是流出系数C、 可膨胀性系数ε等中间参数引起的。传统的节流式流 量计是将流出系数C和可膨胀性系数ε视为定值（C
和ε由专门的节流装置设计计算软件计算得到），置 入现场的流量积算仪。下图是一台孔板流出系数曲线。
企业能源计量管理及贸易结算的需求，提出了一套已
经获得成功应用的蒸汽流量计量解决方案。
问题的提出：
1.一次仪表的选用
2.宽量程及相关标准
3.蒸汽密度计源自文库 4.超宽量程（20：1）流量测量
5.双向流量测量
6.能量计量
1.一次仪表的选用
目前一次仪表的选择 标准节流装置 涡街流量计 非标准节流装置
仪表选择的参考因素
仪》国家检定规程指出蒸汽密度计算引用该公式）一
些出版物给出的水蒸汽密度计算公式都是根据水蒸汽 性质表拟合得到，这些公式一般适用范围比较小，而 且有一定的拟合误差。这些公式在一些特定的场所是 可行的，但作为计量仪表的计算模型是不合适的。
IFC1967公式的由来
第二届和第三届国际水蒸汽性质会议制定了众所 周知的水蒸汽骨架表，根据各国科学家的大量试验数 据，列出了骨架上在某一压力和温度下蒸汽的热力学 性质。并给出了由于测量手段造成的误差。随后几届
大都从水蒸汽表中查出。 水蒸汽在运行过程中由于工况参数的变化，会发 生状态变化；如过热蒸汽变为饱和蒸汽，饱和蒸汽变 为过热蒸汽。所以必须先判别蒸汽的状态（饱和或是 过热），再查不同的数表或用不同的公式计算。
湿饱和蒸汽含有饱和水，是两相流。要准确测量
蒸汽流量还必须知道干度。而在线干度测量难度很大， 国外虽有一些研究成果，但未见普遍推广应用，国内 目前仍处于研究阶段。 常用水蒸汽密度的计算方法
非标准节流装置
●结构创新，促进仪表技术发展（注意总结应用经 验）。
●无标准支持（呼吁有关部门加速建标准）。
●仪表须实流标定（注意：仪表用液体标定，不可 用于蒸汽计量）。 ●可用于一般场合流量计量和某些工艺控制量监测； 贸易计量必须实流标定。 ●对结构安全给予重视。
传统孔板 ①入口边缘易磨损 ②阻损大 ③易变形，一般采用非 定值 ④检定周期短（一年）
式中：节 ——直径比(
d/D
)
ReD ——管径雷诺数
d、D值的单位为毫米。
流出系数是指通过节流装置的实际流量值与理论
流量值之比，将它应用到理论流量方程中以获得实际 的流量。在一定条件下，对于给定的节流装置，该值 仅与雷诺数有关，对于不同的节流装置，只要这些装 置是几何相似，并且在相同的雷诺数条件下，则C值是
孔板和喷嘴的流出系数C曲线图
孔板C-ReD曲线
喷嘴C-ReD曲线
从图中可以看出,当雷诺数ReD≥2×105时，孔板
的流出系数C进入线性区，流出系数C方可以认为是一
个常数；当雷诺数ReD≥4×105时，喷嘴的流出系数C 进入线性区，流出系数C方可以认为是一个常数。在实 际测量中，由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情 况时有发生，如果不进行修正，仍按计算书的C值来计
ISA1932喷嘴 ①入口圆滑不易变形 ②阻损小（是孔板的0.6倍） ③不易变形（特别对高速介质 情况） ④推荐采用定值 ⑤检定周期长（四年）
传统孔板与一体化喷嘴比较
传统孔板 ①传统接线：构成复杂容易 堵塞且动态性能差 ②维护工作量大：冬季采取 伴热、保温措施 ③引压管内冷凝水易产生液 位差 一体化喷嘴
C=0.6176；平均值=0.6139，即在3×104～1×104范围
贸易结算的一级表对不确定度的要求。
同样，可膨胀性系数ε在超测量范围情况下，所
引起的测量不确定度更不容忽视。
例如，一台角接取压孔板流量计（D=100mm，
β=0.5）测量过热蒸汽（压力=4Mpa，温度=400℃）， 雷诺数在28×105～2.8×105（介质流速：52～5.2米/ 秒）范围内，可膨胀系数ε的不确定度为3.0%！
标准节流装置
●有国际标准、国家标准（最新标准）强大支持。
●无须实流标定。
●应用经验丰富，应用广泛（占在用仪表70%）， 历史悠久。
●传统标准节流装置测量范围小、阻损大、检定周 期短、系统构成和维护复杂。
涡街流量计
●有标准支持，具有一定的使用经验。 ●测量范围宽，10：1 ，系统构成简捷。 ●需实流标定。 ●在耐高温、低流速、特别是抗振动的性能尚须提 高。 ●蒸汽的湿度对信号干扰严重,且无规律。目前， 还没有有效措施，易引起贸易纠纷。
①不需另加隔热或防冻措 施，安装、维护简单 ②系统构成简单，不易堵 塞，动态性能好 ③引压管不积存冷凝水
一体化节流式流量计，它将节流装置和差压变送器
做成一体，并通过差压变送器和流量显示设备采用各种 模式的通讯，构成一个完整的流量检测系统。它具有以
下特点：
●采用专利技术——防冻隔离器，不需伴热、保温和
蒸汽流量计量方案
（含宽量程问题，蒸汽密度计算问题）
前
言
蒸汽作为重要的载能工质，在石油、石化、化工、
冶金以及城镇供热行业中广泛应用。由于蒸汽物性的
特殊性，在计量方面存在诸多困难，长期以来一直是 能源计量工作中的老大难问题。因此研究出一套具有 科学性、公正性、经济性、实用性的蒸汽计量系统方 案，是我们面临的紧迫而重要的课题。我们结合目前