引言

       目前世界能源日益枯竭，節(jié)能降耗已成為能源利用的一致訴求。對(duì)在能源領(lǐng)域占有重大比重的蒸氣進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，對(duì)于促進(jìn)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)能源管理水平起著關(guān)鍵的作用。蒸汽是一種特殊的汽液兩相流動(dòng)的介質(zhì)，它隨著溫度和壓力的變化，性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽是飽和濕蒸汽，其蒸發(fā)速度等于冷凝速度，是工業(yè)上較好的熱源。蒸汽不同于其他流體如水、空氣等介質(zhì)，其流量測(cè)量難度較大，在實(shí)際測(cè)量中影響其精確測(cè)量的因素較多，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量計(jì)本身檢定合格，而實(shí)際卻感覺(jué)計(jì)量“不準(zhǔn)”的現(xiàn)象。影響蒸汽流量準(zhǔn)確計(jì)量的因素主要有以下３方面：一是實(shí)際蒸汽流量低于流量計(jì)的可精確計(jì)量的非常小流量，即量程比不足引起的小流量時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)；二是流量計(jì)上下游安裝的直管段不足，存在流動(dòng)擾動(dòng)；三是蒸汽的密度補(bǔ)償不正確，蒸汽的溫度和壓力的變化會(huì)引起密度的變化［１］。

 

１蒸汽測(cè)量?jī)x表的選擇

 

       目前蒸汽流量測(cè)量大部分采用速度式測(cè)量方式，測(cè)量得到的是體積流量，若要得到質(zhì)量流量，必須由積算儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的換算。測(cè)量蒸汽流量的一次儀表的選擇主要集中在孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)上，但這２種流量計(jì)在測(cè)量蒸汽工況時(shí)，都存在一定的局限性，選型使用時(shí)需要考慮其影響。

 

１．１孔板流量計(jì)

       孔板流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)，其通過(guò)在管道中插入一塊開(kāi)有小孔的節(jié)流元件來(lái)限制流動(dòng)，流體流經(jīng)一個(gè)收縮截面，產(chǎn)生一定的壓差。為了測(cè)量流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓差，在孔板的上下游開(kāi)有壓力感應(yīng)孔，壓力感應(yīng)孔與二次儀表（差壓變送器）相連�？装辶髁坑�(jì)測(cè)得的質(zhì)量流量與差壓的關(guān)系用式（１）來(lái)確定：

       式中：ｑｍ為質(zhì)量流量（ｋｇ／ｓ）；Ｃ為流出系數(shù)；β為直徑比，β＝ｄ／Ｄ；Ｄ為管道內(nèi)徑（ｍ）；ε為可膨脹系數(shù)；ｄ為工作條件下節(jié)流件的開(kāi)孔直徑（ｍ）；Δｐ為差壓（Ｐａ）；ρ１為節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度（ｋｇ／ｍ３）。

 

       式（１）中，β為常數(shù)，流量示值與ρ１密切相關(guān)，而蒸汽工況的變化，必然使ρ１產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此對(duì)差壓進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，必須對(duì)密度進(jìn)行補(bǔ)償。飽和蒸汽的密度變化與其壓力或溫度成正比關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，常用測(cè)量點(diǎn)附近的流體溫度、壓力，經(jīng)查表和計(jì)算后求得相應(yīng)的密度，與差壓變送器產(chǎn)生的信號(hào)一起輸出至積算儀，以求得瞬時(shí)質(zhì)量流量。

 

孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能適用于各種均勻的、單一狀態(tài)的氣體、液體或蒸汽，且適用溫度區(qū)域廣。但其缺點(diǎn)也較為明顯，一是測(cè)量范圍窄（量程比僅為１∶３～１∶５），在小流量條件下容易計(jì)量不準(zhǔn)，主要原因是引壓管線較長(zhǎng)，很容易產(chǎn)生幾十帕的差壓疊加到孔板產(chǎn)生的差壓，導(dǎo)致非常終測(cè)量數(shù)據(jù)失真；二是壓力損失大（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常為０．５倍差壓），輸出能耗效率較低；三是安裝長(zhǎng)度要求較高，為了保證精度，必須保證上下游至少有１０Ｄ和５Ｄ的直管段。另外，當(dāng)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，由于水錘的作用，孔板可能會(huì)變形，會(huì)堵塞管道，影響測(cè)量精度，因此需要經(jīng)常維護(hù)和檢定［３］。

 

１．２渦街流量計(jì)

 

       渦街流量計(jì)（旋渦流量計(jì)）是根據(jù)卡門（Ｋａｒｍａｎ）渦街原理生產(chǎn)的體積流量計(jì)，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)，其輸出只與體積流量成反比。其特點(diǎn)是壓力損失�。ㄖ挥锌装辶髁坑�(jì)的１／５），量程范圍大（量程比可達(dá)１∶２０），精度高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、黏度等參數(shù)的影響。由于測(cè)量部分無(wú)可動(dòng)部件，其工作可靠高，壽命長(zhǎng)，維護(hù)量少。盡管渦街流量計(jì)克服了壓損大和量程比小的影響，但在測(cè)量蒸汽流量時(shí)仍有一定局限性，一是其在流速較低時(shí)，不產(chǎn)生旋渦，流量計(jì)讀數(shù)偏低甚至為零，計(jì)量會(huì)不準(zhǔn)；二是由于是采用渦街發(fā)生（自激振蕩）原理進(jìn)行測(cè)量，對(duì)周圍環(huán)境振動(dòng)較為敏感，振動(dòng)會(huì)引起誤差；三是安裝條件較苛刻，上游需要至少１５Ｄ的直管段。另外，以目前的材料技術(shù)和生產(chǎn)水平，所測(cè)量流體的溫度不宜高于４００℃，一般選擇在３００℃以下較為合適。

 

２基于皮托管原理的新式差壓流量計(jì)

２．１皮托管流量測(cè)量原理

       皮托管插入式流量計(jì)屬于點(diǎn)流速計(jì)型插入式流量計(jì)，其基本結(jié)構(gòu)如圖１所示，是根據(jù)插于管道中的測(cè)量頭所測(cè)流速，依據(jù)管道內(nèi)的流速分布與傳感器的幾何尺寸等計(jì)算出管道內(nèi)的流量。一次原件直接提取管道內(nèi)流體中心流速，再換算成流體體積流量與質(zhì)量流量的差壓式流量計(jì)。

       皮托管是由２根同心圓管組成，內(nèi)管前端敞開(kāi)，外管前端封閉，但管側(cè)壁在距前端一定距離處開(kāi)有一些小孔［４］。將傳感器插入管道中心，迎面測(cè)壓孔測(cè)量的是總壓，與總壓管相連通，引出總壓信號(hào)，背面測(cè)壓孔測(cè)量的是靜壓，與靜壓管相通，引出靜壓信號(hào)，２個(gè)壓力信號(hào)分別與差壓變送器“＋”“－”端相通，傳感器探頭產(chǎn)生的差壓信號(hào)，由差壓變送器進(jìn)行測(cè)量，然后進(jìn)入流量積算儀或ＤＣＳ系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到流量信號(hào)。和孔板流量計(jì)一樣，對(duì)于密度受溫壓變化的蒸汽流體，還要進(jìn)行溫度、壓力修正補(bǔ)償，將溫度與壓力信號(hào)、差壓信號(hào)及流量系數(shù)等一同輸入智能積算儀中進(jìn)行運(yùn)算后，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。流量計(jì)算的基本公式為［５］：

       式中：ｑｖ為流體的體積流量（ｍ３／ｓ）；ｖｐ為介質(zhì)在管道內(nèi)各點(diǎn)流速的平均值（ｍ／ｓ）；Ｓ為管道內(nèi)的橫截面積（ｍ２）；ｋ為流量計(jì)的修正系數(shù)。對(duì)于點(diǎn)流速計(jì)式插入式流量計(jì)，流量系數(shù)ｋ是決定儀表計(jì)量精度的關(guān)鍵參數(shù)。它是指通過(guò)節(jié)流裝置的實(shí)際流量值與理論流量值之比，將它應(yīng)用到理論流量方程中以獲得實(shí)際的流量。對(duì)于皮托管式差壓流量計(jì)，該值的計(jì)算式是以大量實(shí)驗(yàn)所確定的數(shù)值為依據(jù)，與傳感器探頭的速度分布系數(shù)和風(fēng)洞系數(shù)有關(guān)，并以標(biāo)準(zhǔn)的形式給出。

 

２．２新式差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)

２．２．１傳感器防堵塞

       新式差壓式流量計(jì)對(duì)傳統(tǒng)的皮托管測(cè)量頭進(jìn)行了改進(jìn)，探頭部分采用開(kāi)放式的取壓孔結(jié)構(gòu)，Ｖ字型的斜面能夠有效的防堵，流量計(jì)從管道上部垂直向下安裝，流體流動(dòng)時(shí)在總壓孔前部形成高壓區(qū)，撞擊在取壓孔上的固體塵粒受自身重力作用自然下落，從原理上解決了傳感器堵塞的問(wèn)題，能長(zhǎng)時(shí)間保持測(cè)量精度。新式差壓式流量計(jì)探頭形式如圖２所示。

２．２．２測(cè)量精度高

       由于新式差壓式流量計(jì)的傳感器測(cè)出的是管道中心點(diǎn)的介質(zhì)流速，不能直接作為平均流速進(jìn)行流量計(jì)算，必須依據(jù)專用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修正。該數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)對(duì)不同管道狀態(tài)下的流速分布建成無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停�其中包括各種介質(zhì)、壓力、溫度下的補(bǔ)償，以及管道直管段不足情況下的實(shí)驗(yàn)修正值，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

 

２．２．３壓力損失小

       傳感器探頭截面積很小，幾乎無(wú)壓力損失，運(yùn)行成本大大減少，與孔板流量計(jì)相比，具有明顯的節(jié)能效果。該新式差壓式流量計(jì)可以逐臺(tái)設(shè)計(jì)校驗(yàn)，壓力損失僅為０．０３倍差壓，在相同的差壓下，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該流量計(jì)與孔板流量計(jì)的能耗比約為１∶１６。

２．２．４安裝方便

       安裝時(shí)只需在管道合適的位置（直管段來(lái)流方向７０％處），開(kāi)一個(gè)適當(dāng)?shù)目�，把傳感器的頭部插到管道中心即可，對(duì)有些工況還可實(shí)現(xiàn)帶壓在線安裝。由于傳感器屬于差壓式測(cè)量原理，本身無(wú)需維護(hù)，只需按計(jì)量器具定期檢定要求，對(duì)差壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)和滿度校驗(yàn)，以及二次表輸入相應(yīng)的電流進(jìn)行檢驗(yàn)即可。

２．２．５直管段要求短

       不同于孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)對(duì)安裝條件的嚴(yán)苛性，該新式差壓式流量計(jì)僅需要非常短前直管段３Ｄ。若不滿足此條件，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管段長(zhǎng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)標(biāo)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

 

２．３系統(tǒng)構(gòu)成

       新式差壓式流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量的系統(tǒng)構(gòu)成如圖３所示。

       １）傳感器的總、靜壓接口處各安裝一個(gè)截止閥，安裝此閥的目的是為了在必要時(shí)，隔離傳感器和差壓變送器等儀表，可以在線維修校驗(yàn)。

       ２）該新式差壓式流量計(jì)與其他差壓式流量計(jì)相比，其突出特點(diǎn)在于其中的“一體化冷凝罐”。冷凝罐的作用是使導(dǎo)壓管內(nèi)被測(cè)量的蒸汽冷凝成水，并充滿導(dǎo)壓管內(nèi)，使高溫蒸汽與變送器隔離，達(dá)到保護(hù)變送器的目的。２個(gè)冷凝罐亦須處于同一水平上，使正、負(fù)導(dǎo)壓管中冷凝液面有相等高度及保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，保證測(cè)量精度。

       ３）在差壓變送器前安裝一個(gè)三閥組，用于保護(hù)差壓變送器，并起到使總、靜壓平衡，達(dá)到調(diào)零的功能。

 

２．４流量計(jì)的標(biāo)定

       流量計(jì)的標(biāo)定技術(shù)和設(shè)備是保證流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)ＪＪＧ５１８《皮托管檢定規(guī)程》，風(fēng)洞試驗(yàn)是對(duì)皮托管流量計(jì)流體測(cè)量校驗(yàn)的非常有效手段，標(biāo)準(zhǔn)皮托管安裝在風(fēng)洞工作段的一側(cè)，被檢皮托管安裝在另一側(cè)。標(biāo)準(zhǔn)皮托管和被檢皮托管的總壓孔應(yīng)處于風(fēng)洞工作段同一截面上，且必須對(duì)準(zhǔn)氣流來(lái)向。

 

       針對(duì)上述新式差壓式流量計(jì)，設(shè)計(jì)了流量計(jì)專用閉口直流式風(fēng)洞設(shè)備，如圖４所示，對(duì)流量計(jì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。需校驗(yàn)的傳感器放入風(fēng)洞中，設(shè)定不同的風(fēng)速（范圍０～１００ｍ／ｓ），將流量計(jì)的設(shè)計(jì)流量與風(fēng)洞的標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行校驗(yàn)對(duì)比，根據(jù)取得的數(shù)據(jù)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高流量計(jì)質(zhì)量，保證流量計(jì)精準(zhǔn)。

３應(yīng)用實(shí)例

       某海上熱采平臺(tái)３英寸（Ｄ＝０．０８ｍ）蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度４００℃，設(shè)計(jì)壓力１９．５ＭＰａ，流量范圍為ｑｍ＝１０～１８ｔ／ｈ，介質(zhì)黏度ｖ＝０．０６ｃＰ，允許壓力損失１０ｋＰａ。工況溫度為３５７℃，工況壓力為１８．１ＭＰａ，查表得工況下蒸汽密度為９０．９４ｋｇ／ｍ３。經(jīng)研究和初步計(jì)算，孔板流量計(jì)壓損較大，約為５０ｋＰａ，不滿足上述壓損要求；渦街流量計(jì)不適用于４００℃高溫。因此，擬選擇皮托管式新式差壓式流量計(jì)，下面將根據(jù)工況和流量范圍進(jìn)行差壓變送器的選擇和壓力損失的驗(yàn)證。

 

       該流量計(jì)采用風(fēng)洞標(biāo)定裝置，其流量系數(shù)根據(jù)雷諾數(shù)、速度分布系數(shù)α＝０．８５８和風(fēng)洞系數(shù)γ＝０．８５確定。流量系數(shù)Ｋ＝α×γ＝０．８５８×０．８５＝０．７２９。非常大流量中心流速：

 

       選擇羅斯蒙特３０５１ＤＰ２Ａ系列差壓變送器，量程為－６２．２～６２．２ｋＰａ。４結(jié)論該文介紹的新式差壓式流量計(jì)較好地克服了傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽時(shí)的壓力損失大、量程比小和溫度適用范圍窄等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成和嚴(yán)格的標(biāo)定流程進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，是既達(dá)到工藝要求，又具有高可靠性、低造價(jià)的蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)。選用合適的蒸汽測(cè)量?jī)x表不僅能節(jié)約能源，還從根本上提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。