蒸汽流量测量若干问题的讨论

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《蒸汽标准》的制定对蒸汽流量测量作了原则性规定，使我国的蒸汽计量更具科 学性、准确性及合理性，必将丰富我国计量科学的内容。在促进计量科学发展的同时， 我们也应注意到《蒸汽标准》是一个方法标准，它不可能也不应该去具体评价一个计 量系统、计量仪表的优劣。在符合标准的基本原则的情况下，构建一个合理的测量系 统是十分必要的。 节流式流量计在蒸汽计量中占有重要的地位。节流式流量计技术成熟，特别是标 准节流装置按标准 GB/T2624-93 、ISO5167-2003（ E ）设计、制造就无须实流标定，是 其它流量计无法比拟的。在蒸汽测量研究上，国内外学者用标准节流装置进行了大量 的试验，给出了修正的数学模型，所以采用标准节流装置测量蒸汽有明显的优越性。 孔板流量计的主要特点为结构简单牢固，性能稳定可靠，使用周期长，价格低廉等。 它的缺点是测量范围小、压损大，现场安装条件要求高。 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，但超测量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。归纳起来它应具备 三个条件： 1.智能化的宽量程差压变送器（差压范围为 100：1） 。 2. 差压变送器与流 量计算机之间数字通讯（ 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。 3.2 流出系数 C、流束可膨胀系数 ε 等中间参数的实时计算 流出系数 C 、流束可膨胀系数 ε 等中间参数的实时计算是解决宽量程计算的关键。 节流式流量计流量计算公式为：
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对引压管、冷凝系统进行保温、伴热，稍有不慎便造成故障，且仪表的维护工作量大。 一体化喷嘴较好的解决了上述问题，一体化喷嘴是将节流件和差压变送器做成一体， 并装有防冻隔离器，不仅缩短了引压管线，还省去了冷凝和排污系统，使系统构成简 单，无需保温供热，在减少维护量的同时，也节省了能源。 另外，受季节和工况的影响，蒸汽的流量测量范围变化比较大，在没有采用宽量 程技术的节流式流量计，超测量范围现象十分普遍，这造成了很大的测量误差，随着 智能化差压变送器广泛应用，利用手操器迁移现场差压变送器的量程成为可能，但问 题是迁移量程的依据；人工计算是一项烦杂工作，不仅耗时，而且往往因数据查寻引 入偏差，利用《节流装置设计计算及管理软件》 ，它有丰富准确的数据资料，可以在 数分钟内完成：已知开孔径、流量、求差压或已知开孔径、差压、求流量的计算，为 现场仪表提供准确数据。这不仅使工作更为便捷，也大大提高了节流式流量计的管理 水平。 4．水蒸汽密度计算问题 4.1 水蒸汽密度计算的复杂性 和一般通用气体相比，在计算水蒸汽流量时有三个难点： (1)密度的确定： 工程上应用的水蒸汽大多处于刚刚脱离液态或离液态较近，它的性质与理想气体 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 单的数学式子加以描述；所以，在以往的工程计算中，凡涉及水蒸汽的状态参数数值， 大都从水蒸汽表中查出。把蒸汽参数表装入仪表中，数据量很大。 (2)水蒸汽在应用过程中由于参数的变化，会发生物态变化；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（是饱和蒸汽或是过热 蒸汽） ，再查不同的数表或用不同的公式计算。 (3)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。 而干度测量难度很大，国外已有一些研究成果，但未见普遍推广应用，国内目前仍处 于研究阶段。 随着电子技术的发展，计算机（或单片机）已广泛应用于流量测量仪表中，其存 储能力、快速计算能力为准确、快速的确定水蒸汽的密度提供了有力的手段。 4.2 常用水蒸汽密度的确定方法 (1) 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
qV
3
C 1 4


4
d2
2p
1
„„„„„（ 1）
式中： qv——体积流量 m /s； C——流出系数；
3
ε ——可膨胀性系数； d——节流件开孔直径， m； β ——直径比， (β =d/D)； D——管道内径， m；
1 ——被测流体密度，kg/m3；
Δ p——差压， Pa。
其中：按 GB/T2624-93 角接取压标准孔板流出系数 C 的计算式为：
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流出系数曲线表明，当 Re=3×104 时，流出系数为 0.6113，Re=1×105 时，流出系 数为 0.6067，仅在 3 ： 1 测量范围内，其附加误差为 0.75%，当测量范围超出 3： 1 ， 其附加误差更大。所以要实现宽量程，就必须对流出系数 C 进行实时计算，由公式可 以看流出系数 C 的计算很复杂。标准中给出计算流出系数 C 的迭代方法，同理，流束 可膨胀性系数 ε 等参数，也须实时计算。FC2000 系列流量计算机具有高速、高精度的 运算功能和比较大的存贮空间，其可以完成这些 复杂的中间参数的实时补偿计算。 3.3 孔板流量计入口钝化问题 标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度在流 体冲刷下易发生钝化，据悉国内有关部门曾对新 装孔板进行跟踪校验， 在孔板连续使用 2 —3 个月 时，钝化引起流出系数偏度在 1—3% ，各别严重 的在 4%以上， 这已引起了人们的高度重视。 目前， 解决标准孔板钝化问题的最好方法是采用标准喷 嘴，由于喷嘴的入口为光滑曲面，不易磨损（见 图 2） 。它的流出系数非常稳定，所以 JJG640-94 规程规定 ISA1932 喷嘴的检定周期为 4 年。 再者， 喷嘴在相同流量和相同 β 值条件下，阻力损失比 图2 孔板小得多 ( 仅为孔板的 50-60%)。从节流式流量计发展历史看，影响标准喷嘴广泛应 用的原因是因为其制造成本高，特别是在传统的已知流量、差压，求开口径的传统设 计模式下，仅因为开孔径有些偏差，而废弃一个节流件。如果引入定值节流件的概念， 就可以改变这种状况。定值节流件是指对每种口径的管道，配以有限数量（ 3-5 个） 的节流件，其 β 值按优选数系选用，改变节流件对号入座的缺陷，将已知流量、差压， 计算开孔径的方法改为已知开孔径、差压，求流量或已知开孔径、流量，求差压的方 法，在制造方面节流件由单件生产方式转为标准化的批量生产，使采用数控机床进行 加工成为可能，大大降低了成本。为扩大应用创造了条件，这既便于质量监督与管理， 同时也给用户带来了极大的方便。 3.4 节流式流量计的维护与管理 节流式流量计的系统构成比较复杂，有较长的引压管，容易阻塞，冬季运行还需
蒸汽流量测量若干问题的讨论
北京博思达新世纪测控技术有限公司 王京安 摘要：分析我国蒸汽流量计量现状，结合相关国家标准的制定动态，提出了采用 ISA1932 喷嘴配套流量计算机的宽量程高精度蒸汽流量计量解决方案。分析指出了目 前节流装置在蒸汽流量计量中误差产生的原因。探讨了水蒸气密度补偿计算的准确计 算方法。 关键词：蒸汽；流量计量； ISA1932 喷嘴；干度；密度补偿；宽量程 1．问题的提出 要提高能源管理水平，必须要有准确的计量。但是蒸汽（特别是湿蒸汽）的准确 计量是长期以来困扰着流量测量工作者的老大难问题。其存在的问题： (1) 我国现有蒸汽计量没有统一的标准， 对仪表系统不确定度不能做出权威性的评估， 使贸易双方由于量差引起的矛盾难以解决。 (2) 仪表选型缺乏规范性的技术依据的指导，使仪表选型、安装、使用不合理或超测 量范围使用造成测量的偏差过大。 (3) 饱和蒸汽由于其本身的物理特性，在输送过程中常常是以汽、水两相流出现（即 饱和蒸汽的干度小于 100%） ，目前的蒸汽计量没有对干度进行修正，使测量的准确 度大为下降。 (4) 用户使用蒸汽是用所载之热能，而不是工质本身，所以用质量作为蒸汽结算单位 不尽合理。 2． 《蒸汽流量测量方法》国家标准（制定中）涉及的几个主要问题 2.1 关于能量计量问题 热能是一个状态参数，不同状态、等质量的蒸汽含有的热能相差很大。所以，以 质量为蒸汽的结算单位不能真实反映蒸汽的价值。这会造成一些热用户不积极利用蒸 汽，而寻求新的热源。 《蒸汽测量方法》国家标准（以下简称《蒸汽标准》 ）针对上述 情况，将以能量作为蒸汽的结算单位，并给出相应的数学模型和不确定度的计算，以 及根据不同的用热方式来确定能量计算的参考点。同时考虑到人们多年使用蒸汽质量 为交结单位的习惯，作为一种过渡，仍保留以质量为蒸汽结算单位，并给出相应的数 学模型和不确定度的计算。 2.2 关于湿蒸汽干度修正问题
1 (0.41 0.35 4 )
P 10 6 P1
按上公式计算的可膨胀系数的不确定度为 4P / P ％ 传统的节流式流量计是将该流出系数 C 、 视为定值，置入现场的流量积算仪，图 1 是 D=50mm， β =0.52 的孔板流出C 0.5959 0.0312 2.1 0.1840 8 0.0029 2.5 10 6 / Re D


0.75
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。 流束可膨胀系数 的计算式为： 按 GB/T2624-93 计算
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饱和蒸汽在蒸汽中占有相当大的比例，湿蒸汽是饱和蒸汽实际存在的几乎唯一形 式。过热蒸汽在经过长距离的输送后也往往会成为湿蒸汽。湿蒸汽实质是一种饱和蒸 汽和水的两相流，任何汽、液两相流的测量方案中都必须要测量干度这一重要参数。 如不考虑干度，将带来很大误差。对测量质量流量是如此，对能量测量亦是如此。例 如：当蒸汽压力为 2.5Mpa,干度 85%时，如不考虑干度的影响，以干蒸汽密度代替湿 蒸汽密度，将带来 14.5%左右的质量流量测量误差和 5.2%左右的能量流量测量误差。 而 GB/T1716-1997《企业能源计量器具配备和管理导则》中对企业蒸汽流量计量准确 度要求为 2.5%，所以目前的蒸汽测量方法远达不到 GB/T17167-1997 的要求。国内外 许多专家学者对湿蒸汽计量进行了大量的研究、试验工作。国内一些企业也对干度计 进行了试制工作，但由于没有标准，并未在实际生产中应用。 《蒸汽标准》将给出湿 蒸汽的修正公式及干度的测量方法，它将进一步推动干度计的研制、产生和使用。 2.3 关于蒸汽的品质问题 目前，蒸汽的计量是以质量作为结算单位，即按热量结算，也涉及蒸汽的品质品 位，然而不同品质品位的蒸汽不仅热量不同，而且做功能力有很大差异。例如：我国 大型热电厂的锅炉燃烧效率均与国外无大的差异均达 98%以上） ， 但发电效率却明显低 于发达国家（我国约 36%，世界先进水平已达 42%） ，除了管理水平等因素外，主要的 技术原因是能源品位利用水平的差距。工业蒸汽的利用上这种差距更为明显，而且供 气含水较多。如果有关的价格政策、国家标准以及作为技术基础的评价和测量方法研 究不能体现出这种差异，就谈不上作为商品的蒸汽按质论价，不利于蒸汽生产、输送 质量的提高，高品位的蒸汽得不到合理的应用，导致我国蒸汽利用率普遍低下，挫伤 了热用户用汽积极性，造成资源严重浪费。因此，蒸汽品质品位的评价，也将是《蒸 汽标准》要解决的课题之一。 2.4 关于仪表的选型问题 目前测量蒸汽用得最多的是标准孔板节流装置，但是由于蒸汽温度高、流速快、 范围度宽、孔板不能完全满足要求。 《蒸汽标准》不局限于标准孔板的应用，而是涵 盖了 GB/T2624-93，以及 ISO5167-2003（ E）中涉及的所有标准节流装置的应用，特 别是现代机械加工手段的普及，使用者可根据具体条件有更多的选择余地，其中更适 合蒸汽检测的标准喷嘴将成为首选产品。 3．蒸汽流量测量（质量计量）应用方案的讨论 3.1 节流式流量计宽程方案