国内外蒸汽流量计量的现状介绍

［1］ 石书喜 . 蒸汽流量测量的现状及发展［J］． 中国仪器仪 表，2002，22（ 2） ： 1-5.
［2］ N Barton. A review of steam flowmetering technology［M］． London： NEL，2004.
［3］ 王云红 . 蒸汽流量测来自存在的问题及改进［J］． 传感器 与仪器仪表，2007，11 （ 5） ： 54-58.
2 蒸汽流量计量存在问题的分析
2. 1 密度补偿混乱 蒸 汽 应 用 是 利 用 其 所 载 之 热 能 或 做 功 能 力，
因此蒸汽流量的计量采用热能计量最为合理，但 受限于计量水平和传统的以质量为结算单位的习 惯，目前 在 实 际 操 作 中 仍 然 采 用 质 量 进 行 计 量。 涉及到质量计量就需要面对密度补偿的问题，到 目前为止，ISO 国际标准委员会和我国计量机构没
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蒸汽流量计量现状及存在问题
毕 英1，3 ，许传军2 ，许文达3 ，张文伟3 ，辛龙海3
（ 1. 烟台市计量所，山东 烟台 264003； 2. 东营市供热管理处，山东 东营 257000； 3. 国家蒸汽流量计量站，山东 烟台 264003）
摘要： 介绍了国内外蒸汽流量计量的现状，分析了目前蒸汽流量计量存在的三个问题： 一是蒸汽计量密度补偿 混乱，二是蒸汽干度测量精度低，三是用空气和水作为替代介质进行蒸汽仪表的量值溯源会使仪表系数偏大。 已通过实验数据验证了这一判断。 关键词： 蒸汽流量； 密度补偿； 干度； 量值溯源
［4］ 王京安 . 蒸汽流量测量若干问题的讨论［J］． 工业计 量，2002，10 （ 6） ： 39-42.
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有确定统一标准的密度补偿模型，导致实际使用 中各种密度补偿方式并存。由此导致的第 1 个计 量问题就是蒸汽密度补偿混乱。
参照其他气体介质，水蒸气的各热力学参数 之间应存有简单、规律性的相互联系的关系，这 样在具有部分测量参数的条件下，可通过简单的 参数关系求解出其他参数。但在实际测量研究中 发现，水蒸气的各个热力学参数之间的关系非常 复杂，很难用简单的线性关系式来表达，其关系 式是非 线 性 的， 且 计 算 量 非 常 大［6］。 针 对 不 同 温 度范围和使用要求，研究者开发出了众多的密度 补偿模型。国际公式化委员会 （ IFC） 于 1967 年， 在第 6 届水蒸气性质国际会议上，研究公布了水 蒸气的国际标准公式 IFC － 67 。后来为了解决 IFC － 67 公式在某些状态临界区域精度比较低和状态 临界区域边界上按照不同方式求解存在不一致性 的问题，1997 年国际水和水蒸气协会提出用 IAPWS － IF97 水蒸气数学模型取代 IFC － 67。与 IFC － 67 相比，这一模型具有精确度高、计算速度快等 优点［7］。此外 基 于 状 态 方 程 法 的 密 度 补 偿 公 式 有 乌卡诺维奇方程和莫里尔方程。乌卡诺维奇方程 是工程热力学中著名的公式之一，其在 250 ℃ 以内 的过热蒸汽与数表有很好的符合程度，然而其线 性化处理后作饱和蒸汽计算时存在较大的原理误 差，需采用最小二乘法进行修正。而莫里尔状态 方程公式简单，同时在压力不很高的时候具有相 当的准确度。 2. 2 蒸汽计量干度补偿精度低
水蒸气是煤、天然气、石油、核能等转化能 量的一种媒介，是一种重要的二次清洁能源，主 要是利用其所载之热能或其做功能力。由于水蒸 气具有清洁环保、能效高等特点，因而被广泛应 用于电厂、石 油 化 工、 食 品、 机 械 加 工 等 工 业 生 产和人民的日常生活中。据统计，我国每年产蒸 汽 20 亿 t （ 不含电厂发电用汽） ，产值达 4 000 多 亿元； 在美国 45% 燃料用于制造业中加热产生蒸 汽，用于生产［1］。
3 结束语
随着科学技术的快速发展，蒸汽流量计量面 临的密度补偿混乱的局面必将由国家制定统一规 范的密度补偿方法来打破； 蒸汽干度测量方面也 将会随着氯 根 法、 热 力 学 法、 光 学 法、 微 波 法 以 及超声波法等技术的不断完善而实现快速准确的 高精度计量； 蒸汽仪表溯源方面一是积极推广蒸 汽实流标定提高测量精度，另一方面国家蒸汽流量
结合图 1 数据并综合国家蒸汽流量计量站几 年来积累的不同规格型号的涡街流量计的实验数 据看，以空气为介质检定得到的仪表系数 K 值比 以水为介质检定得到的仪表系数 K 值偏大 0. 3% ～ 0. 7% ，比以蒸汽为介质检定得到的仪表系数 K 值 偏大 1. 5% ～ 3% ，仪表系数 K 值偏差的大小因仪 表厂家和规格型号的不同而略有变化，但从定性 分析上看，偏差的正负基本趋势相同。由此可见， 蒸汽仪表用空气和水作为替代介质进行量值溯源 对蒸汽流量计量精度带来的误差不容忽视。
或者饱和状态。 2. 3 蒸汽流量仪表量值溯源难
目前，用于蒸汽流量计量值溯源和检定测试 的实流标准装置按照介质分类主要有 3 类，第 1 类 是以蒸 汽 为 检 测 介 质 的 蒸 汽 实 流 计 量 标 准 装 置， 这种装置的检测条件虽然与使用工况条件最为相 近，但由于装 置 设 计 要 求 高、 实 现 难 度 大、 检 测 成本高等特点，所以很少使用。目前国内仅国家 蒸汽流量计量站有一套在用。第 2 类是以水为介 质的液 体 流 量 计 量 标 准 装 置， 此 类 装 置 精 度 高， 但是与蒸汽的工况条件相差甚远。第 3 类是以空 气为介质的气体流量计量标准装置。由于蒸汽介 质装置难以实现，目前国内外允许用水流量和空 气流量标准装置替代蒸汽实流装置对蒸汽流量仪 表进行检测 。为了验证用空气和水作为替代介质 进行检定是否可行，由此引入的计量误差到底有 多大，国家蒸汽流量计量站利用本站的蒸汽流量 标准装置和空气标准装置以及水流量标准装置进 行了大量的对比实验，通过实验发现以空气或水 代替蒸汽进行量值溯源存在两大问题： 一是无法 检验蒸汽仪表测量部件的耐高温高压特性； 多年 的蒸汽计量工作中发现大量蒸汽仪表特别是国产 仪表的耐高温高压特性较差，在高温高压下失去 仪表特性，降至室温后重新放置到空气装置上又 恢复了良好的计量精度。二是在蒸汽、空气和水 介质中都能保持良好计量特性的蒸汽仪表检测出 来的仪表系数存在较大差异。具体差异以下述一 个实验事例说明： 将 DN50 mm 口径涡街流量计分 别在水、空气、蒸汽三种流量标准装置上进行标 定实验，保证前直管段 20D （ D 为管道直径） 、后 直管段 10D，依次选取最小流量 （ qmin ） 到最大流 量 （ qmax） 的 20% 、40% 、60% 、80% 和 100% 共 计 6 个流量点，每个流量点重复检定 3 次，分别计 算其仪 表 系 数、重 复 性 等 相 关 数 据。水、空 气、 蒸汽三种介质的实验工况条件如表 1 所示。实验 得到的水、空气、蒸汽三种介质下的仪表系数对 比图如图 1 所示。
1 蒸汽计量现状
从国内外的研究报道来看，蒸汽流量计量现 存在着 诸 多 问 题。英 国 国 家 工 程 研 究 所 （ NEL） 在一份 “蒸汽流量测量技术现状” 的报告中指出 蒸汽流量计量由于受蒸汽状态多变影响，所以精 度普遍不高，有的计量偏差甚至在百分之十几以 上［2］，报告还 指 出 人 们 普 遍 将 精 力 投 放 在 如 何 提 高蒸汽的利用率，而忽视了蒸汽流量的准确计量。
［8］ 李炎锋，王新军 . 蒸汽透平中流动湿蒸气湿度测量方 法的分 析 与 比 较［J］． 汽 轮 机 技 术，2000，42 （ 3 ） ： 156-161.
［9］ Williams G J. Instruments for wet steam measurements ［C］/ / Sixth Thermodynamics and Fluid Mechanics Convention. Instn： Mech Engrs ，1976： 116-121.
［7］ Wagner W，Prub A. The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use［J］． Phys Chem，2002，31（ 7） ： 387-395.
蒸汽流量计量的第 2 个问题是目前蒸汽仪表 计量时的蒸汽状态只能为过热蒸汽或者饱和蒸汽， 一旦蒸汽转换为气液两相流就束手无策。在实际 的蒸汽传送中，经过长距离的输送，由于热量的 散失，饱和蒸汽不可避免地会转换为湿蒸汽。对 于湿蒸汽的计量也有不少学者进行了研究，西安 交通大学的李炎峰研制了基于加热法的双层套管 结构用于测量蒸汽干度［8］； 英国 GEC 研制了基于 凝结法的凝结式量热计［9］； 韩中合、张淑娥等研 究了一种基于微波谐振腔微扰的快速无接触蒸汽 干度测量方 法［10］， 但 是 这 些 方 法 的 测 量 精 度 和 适 用范围都有较大局限性，目前还没有较为实用的 两相流蒸汽计量仪表。在蒸汽干度测量技术成熟 之前为了保证蒸汽流量计量精度需要对蒸汽品质 实施动态监控，确保蒸汽仪表测量介质处于过热
目前世界能源日益枯竭，节能降耗已成为能 源利用的一致诉求。对在能源领域占有重大比重 的水蒸气的准确计量对于促进节能降耗、提高产 品质量和企业能源管理水平起着关键的作用。然 而蒸汽性质比较复杂，蒸汽流量在计量的过程中 受蒸汽性质状态以及蒸汽流量计的设计、安装和 使用等各种因素的影响，导致其计量精度相对于 液体和其他气体流量的计量精度要低。本文结合 国家蒸汽流量计量站多年的工作经验，对目前的 蒸汽流量计量现状及存在的问题进行归纳梳理。
介质
水 空气 蒸汽
压力 / MPa 0. 4
0. 1 0. 3
表 1 实验工况条件
流速范围 / （ m /s）
0. 5 ～ 7. 2
雷诺数范围 （ × 104 ）
2. 3 ～ 32. 5
7. 0 ～ 58. 0 1. 9 ～ 16. 1 7. 0 ～ 58. 0 3. 9 ～ 32. 8
温度范围 / ℃
长期以来，蒸 汽 在 工 业 生 产、 输 送、 使 用 和 损 耗 上以质量流量作为结算单位，这样对主要以热能 为利用目的的蒸汽在计量方案、检测手段和收费 政策等方面造成了诸多不便。在国内，研究者和 工程技术人员对蒸汽流量计量现状反映的问题也 比较多。王 云 红［3］ 指 出 公 司 内 部 蒸 汽 的 计 量 管 网 偏差达到了 16% ，认为蒸汽的性质、仪表的选型 安装、仪 表 的 检 定 是 出 现 计 量 问 题 的 主 要 因 素。 虽然通过改进仪表的选型安装，蒸汽的管网计量 偏差会降低，但受蒸汽性质及采用气体介质进行 仪表检定方式的影响，还会存在大约 5% 的计量偏 差。王京安［4］ 指 出 蒸 汽 计 量 存 在 的 问 题 较 多， 认 为我国在蒸汽计量上存在无统一的标准，蒸汽的 计量无干度的修正、缺乏仪表的选型与安装规范 等问题，导 致 蒸 汽 计 量 精 度 比 较 低。 郑 灿 亭［5］ 指 出，目前在我国石油石化系统是蒸汽的使用大户， 其内部 蒸 汽 计 量 问 题 比 较 多。 蒸 汽 计 量 精 度 低， 供需双方偏差最高可达 45% ，偏差在 20% 以上是 经常的事。
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计量站也将利用自身的有利条件继续进行深入实 验研究，以期建立一套用空气和水作为替代介质 检定时的仪表系数数学补偿模型，来提高低检定 成本时的计量精度。
参考文献：
图 1 DN50 mm 口径空气、水、蒸汽介质下 的仪表系数比较