蒸汽流量测量的准确性分析

蒸汽流量测量的准确性分析

发表时间:2009-8-19 作者：李忠良

摘要：简要介绍了蒸汽流量测量的方法，分析了引起测量误差较大的原因。针对蒸汽流量的实际情况，提出了提高流量测量准确性的方法和措施，以及正确选用蒸汽流量刚量仪表应注意的事项，可供流量测量工作借鉴。

1 过热蒸汽流量测量的不确定性

过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温获得。过热蒸汽的温度与压力是两个独立参数，其它状态参数由这两个参数决定。过热蒸汽在经过输送后，随着工况（如温度、压力）的变化，特别是在过热度不高的情况下，因为热量损失温度降低而使其从过热状态进入饱和或过饱和状态，转变成为饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽突然大幅度减压，一部分液滴在绝热膨胀时也会转变成为过热蒸汽，这样就形成汽液两相流介质，一般流量计都不能准确检测两相流体的流量，从而产生流量测量误差。

2 饱和蒸汽流量测量的不确定性

饱和蒸汽的温度与压力之间一一对应，二者之间只有一个独立参数。饱和蒸汽容易凝结，在传输过程中如有热量损失，蒸汽中便有液滴或液雾形成，并导致温度与压力的降低。含有液滴或液雾的蒸汽称为湿蒸汽。严格来说，饱和蒸汽或多或少都含有液滴或液雾，所以不同状态下不能用同一气体状态方程式来描述。饱和蒸汽中液滴或液雾的含量反映了蒸汽的质量，一般用干度这一参数来表示。蒸汽的干度是指单位体积饱和蒸汽中干蒸汽所占的百分数。

准确计量饱和蒸汽流量较困难，一般流量计都不能准确检测两相流体的流量，蒸汽压力波动将引起蒸汽比体积的变化，流量测量值会产生附加误差。所以，在饱和蒸汽测量中，必须设法保持测量点处蒸汽断度稳定，必要时还应采取补偿措施。

3 测量误差分析

目前使用流量仪表测量蒸汽流量，测量介质都是指单相流的过热蒸汽或饱和蒸汽。对于相流经常变化的蒸汽，会存在测量不准确的问题。对此，需保持蒸汽的过热度，尽量减少蒸汽的含水量，例如加强蒸汽管道的保温措施，减少蒸汽的压力损失等，以提高测量的准确度。然而，这些方法并不能彻底解决蒸汽流量测量准确的问题，解决这一问题的根本办法是开发一种可测两相流动介质的流量仪表。

用于检测气体流量的流量计种类很多，以速度式和比体积流量计应用最普遍，它们的共同特点是可测定气体的比体积流量，而比体积流量Gv又是状态的函数，工作状态下气体的比体积流量并不能确切的反映实际流量。对此，工程上一般都以标准状态比体积流值或质量流量表示。采用刻度气体流量计时，选定气体正常温度、压力为设计条件，将设计状态下的比体积流量折算为标准比体积流量或质量流量，其折算系数中含有气体比体积的因素，当气体的工作状态偏离设汁状态，比体积流量测量值将产生误差。此外，气体的禅分、含量或温度的变化，都对流量测量产生影响。所以，蒸汽流量的测量更需要采取补偿措施，并且因蒸汽的状态变化补偿因素也比较复杂。

过热蒸汽的比体积由蒸汽的温度、压力两个参数决定，而且在不同的参数范围内，比体积的表达形式也不相同，无法用同一通式表示，所以不能获得统一的比体积计算公式，只能个别推导求得温度、压力补偿公体。在温度、压力波动范围较大的场合，除进行温度、压力补偿外，还需要考虑对过热蒸汽体积膨胀系数ε的补偿。

无论采用何种流量计测量饱和蒸汽的流量，在蒸汽压力波动的条件下，必须采取压力补偿措施，这是因为在流量方程中，工作条件与设计条件不一致时，蒸汽比体积读数会产生误差，误差的大小和工作压力与设计压力偏差的大小有关，实际压力大于设计压力将出现负误差，否则将出现正误差。蒸汽的干度是关系到能否准确测量蒸汽流量的重要条件，正在研制的在线蒸汽干度检测仪表应用于蒸汽流量计量与补偿系统，将进一步提高计量的准确性。因此，目前的蒸汽流量测量应采取以下3 项措施。

(l) 输送蒸汽的管路须有良好的保温措施防止热量损失。

(2) 在蒸汽管路上要逐段疏水，在管道的最低处及表前的管道上应设置疏水器，及时排出疏水。

(3) 锅炉运行操作中应避免出现汽包液位过高现象，尽量减少出现大的负荷波动。

4 流量仪表的选型

蒸汽流量测量在选择流量仪表时应考虑5个主要因素：(l)被测流体特性；(2)生产工艺情况；(3)安装条件；(4)维护需求；(5)仪表特性。本文着重讨论流量仪表的特性、安装条件、维护需求以及选用流量仪表应注意的几个问题。目前，测量蒸汽流量的仪表主要有涡街流量计、差压式(孔板、均速管、弯管)流量计、分流旋翼式流量计、阿牛巴流量计、浮子式流量计等，下面以涡街流量计、孔板流量计和弯管流量计为例加以说明。

4.1 涡街流量计

涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制的一种新型流量计，具有以下特点：(1)结构简单牢固，无可动部件，长期运行可靠；(2)维护方便，安装费用较低；(3)传感器不直接接触介质，性能稳定，寿命较长；

(4)输出与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高，并方便与计算机联网；(5)流量量程比可达1:10，测量范围较宽；(6)压力损失小，运行费用较低；(7)在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组分变化影响，仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关，测量流体的比体积流量无需补偿，调换配件后无需重新标定仪表的系数；(8)应用范围较广，气体、液体的流量均可测量；(9)检定周期一般为2-4年。

该流量计也存在一定的局限性：(l)涡街流量计是一种速度式流量计，漩涡分离的稳定性受流速影响，故对直管段长度有一定的要求，一般测点前后直管段长度分别为10D、5D(D为管道直径); (2)测量液体时，受压损和气蚀现象限制，上限流速一般是0.5-8m/s; (3)测量蒸汽时，上限流速受介质可压缩性的限制，下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制，蒸汽流速是8~25m/s;(4)应力式涡街流量计对振动较为敏感，故在振动较大的管道安装流量计时，管道要有一定的减震措施；(5)应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器，要受温度的限制，一般为一40-300℃。

4.2 差压式流量计

以孔板流量计为代表的差压式流量计理论精度高，应用较普遍，但也存在不足：(l)设计参数与工况参数不符，上游直管段长度不足，孔板和管道不同心，孔板A 面(进口侧)受污染、锐角磨损等因素对其测量精度有显著影响，使其测量误差增大；(2)安装较为麻烦，维护及拆洗的工作量较大；(3)需配差压变送器使用，增加了维护的工作量，另需敷设导压管，且在冬季需对导压管进行保温，不能在室外安装；

(4)流量量程比较小(1, 3)，量程范围较窄；(5)若安装不正确容易发生蒸汽泄漏；(6)压力损失较大，运行费用较高。

4.3 弯管流量计

弯管流量计实际上是一个90°标准弯头，是结构较为简单的流量传感器，其特点是：(1)结构简单，价格低廉；(2)传感器耐磨损，对微量磨损不敏感；(3)安装简单，可采用直接焊接法进行安装，较彻底地解