实现蒸汽流量高准确度计量的方法

      0 引言

      蒸汽是化工企业中重要的能源，包括饱和蒸汽和过热蒸汽。由于蒸汽的温度、压力较高，使用量大，成本较高，长期以来，蒸汽计量中存在许多值得探讨的问题。准确的蒸汽流量计量，对节能降耗，成本核算，贸易结算和生产管理有非常重要的现实意义。

      1 流量计的选用

      目前在工业蒸汽计量中应用最为普遍的是传统型的节流装置流量计，由于众所周知的优点，节流装置几乎成为首选的流量测量装置，特别是对于高温、高压过热蒸汽。但是节流装置的系统结构比较复杂，安装工程量大，容易出现堵、漏、磨损等问题，需经常维护。同时，节流装置的流量测量范围比较窄，常规应用只能提供3：1的测量量程比。因此有效地解决节流装置的结构和系统测量范围已提到日程。以提高蒸汽计量的准确度和系统的稳定性。

      一体化节流装置是将传统的节流装置流量测量系统集成在一台测量设备上，包括节流件本体、取压装置、冷凝散热装置、排污装置、差压（温度、压力）测量功能等，具有结构简单，省却引压管线、泄漏点少、维护方便、安装施工量小等优点。配合1932喷嘴，能够有效减少磨损和压力损失，可以满足Ф50~Ф400管径条件下的蒸汽流量测量要求。例如，本公司生产的一体化节流装置，可以配用1932喷嘴和标准孔板，适用于4.0MPa以下的中低压蒸汽流量计量。

      2 流量公式的确定

      蒸汽计量中采用节流装置时，其流量公式为：

      q_m  质量流量                                             单位kg/s；
      △P 差压                                                    单位Pa；
      C   流出系数
      d   节流件在工况条件下的开孔直径                 单位m；
      ε  可膨胀性系数
      ρ  被测流体工况条件下的密度                        单位kg/m³；
      β  节流件孔径与直管段内径之比，β=d/D；

      从公式2-1中可以看出，参数△P、C、ε、d、β、ρ对流量计算的准确度影响较大。在传统的蒸汽流量计算中，C、ε、d、β均使用节流件设计时的计算结果，然而在实际应用中，计量系统的工作条件（如工作温度、压力）往往偏离了设计条件，这些参数也就发生了变化，而影响流量计量的准确度。因此，在节流件开孔径不变的条件下，动态修正C、ε、d、β等参数，对提高蒸汽流量计量准确度非常重要。

      3 蒸汽计量的密度补偿运算

      在蒸汽的计量中，密度是温度、压力的函数，但并不遵循理想气体状态方程，且在不同压力、温度区间，函数关系不同。饱和蒸汽、过热蒸汽的密度与压力，温度的函数关系也不同。

      工程上应用的水蒸气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。水蒸气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加以描达；所以，在蒸汽流量的计算中，水蒸气的状态参数值，大都从水蒸气表中查出。随着电子技术的发展，微处理器已广泛应用于流量计量显示仪表，其存储能力、快速计算能力为准确、快速的确定水蒸气的密度提供了有力的技术手段。

      4 流量测量范围

      传统节流装置蒸汽计量系统可以提供3：1的测量范围，这远远不能满足实际计量应用的需要。影响测量范围的主要因素有以下两个方面：

      4.1差压变送器的量程

      传统的差压变送器（DDZ-II，DDZ-Ⅲ）一般可以提供10：1的测量范围。从公式2-1中可以看出，差压值的平方根与流量成正比，在确保测量精度的前提下，10：1的差压测量范围所对应的流量范围约为3：1。因此，选用宽量程的差压变送器和获得准确的差压测量值是扩展节流装置测量范围的基本条件。

      4.2 节流件设计参数

      节流件的主要设计参数包括C、ε、d₂₀、β、△Pmax等，这些参数均为设计条件下的计算结果。但是，毕竟节流件是按照某一种工况条件完成设计计算的，当工况波动较大、工艺过程不稳定与设计值不符合时，继续使用设计参数值进行流量计算就会产生较大的计量误差。为了使节流装置在实用的测量范围内（10：1~15：1）均保持较高的计量准确度，就必须对上述设计参数进行在线修正。

      4.3 实现宽量程蒸汽计量的条件

      采用低压损耐磨损的廓型节流件（标准喷嘴、长径喷嘴），配套宽量程智能差压变送器以及具有现场总线通讯功能和节流装置计算参数在线修正功能的流量显示仪表或二次设备，在饱和蒸汽、过热蒸汽计量应用中均可实现宽量程流量计量。

      5 对计量仪表的要求

      5.1 差压变送器

      选用量程范围宽、精度高的差压变送器对蒸汽流量计量至关重要，宽量程（100：1）智能型差压变送器和多参量变送器均能实现高精度差压测量。但在模拟方式下，信号的变送，传输，隔离以及二次设备对模拟信号的转换处理均会产生一定的误差。而智能变送器的现场总线通讯方式，可以最大限度地发挥其高精度测量的优势。在节流装置宽量程蒸汽流量计量中，获得准确的差压参数值，是进行节流件设计参数在线修正的先决条件。但是，使用数据通讯方式读取差压测量值需要二次设备，特别是流量显示仪表的配合。

      5.2 流量显示仪表

      显示仪表是蒸汽计量系统中完成各种复杂运算，实现流量累积的关键设备。本公司提供的节流装置宽量程蒸汽流量计量系统，还承担对节流件设计参数的修正运算工作。从公式2-1中可以看出，节流件的主要设计参数C、ε、d₂₀、β等在工况条件下均为变量，单纯修正某一个参数很难解决实际问题。因此，要求显示仪可以实现节流装置设计计算标准GB/T2624-1993（ISO5167）中关于节流件设计的全部运算过程。包括蒸汽密度的温度、压力补偿，流出系数，可膨胀系数计算和对节流件开孔径以及β比的修正运算。同时，显示仪表应有较高的数据采集和转换精度，才能保证计算结果的真实性。为了获得准确的差压、压力、温度测量数据，显示仪表采用现场总线数据通讯的工作方式是非常必要的。

      6 关于节流件

      蒸汽计量中应用最多的是节流孔板．孔板在运行过程中容易出现边缘磨损、变形、密封面渗漏等问题，这将导致在相同工况条件下差压下降，最终引起计量数据出现负偏差，降低检测精度。

      廓形节流件，如标准喷嘴、长径喷嘴的耐磨损性能都优于孔板，在高温高压环境中的稳定期较长，非常适合于蒸汽测量。采用标准喷嘴不仅可以有效降低磨损对计量准确度的影响，同时也可以大大降低节流件的压力损失。

      定值节流件是指每种通径的测量管道配以有限数量的节流件，节流件的直径比（β值）按优先数系选用，每种通径配3~5种β值节流件。定值节流件有许多特点，如改变节流件对号入座便于快速采购和储备维修备件。同时定值节流件可以大批量生产，降低生产成本，为扩大使用创造条件。

      7 总结

      节流装置是一种历史悠久、应用极为广泛的传统蒸汽流量计量设备。科学地选用测量设备、计量方法和流量显示仪表，可以有效地扩展蒸汽流量计量的测量范围，提高系统计量准确度。智能化测量仪表、专业化流量显示仪表和现场总线技术的应用，是今后检测与计量系统发展的必然方向，并将赋予经典节流装置更强的生命力。