在我廠熱力管網(wǎng)中，蒸汽流量測量不準(zhǔn)確是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，而蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量，多年來一直是儀表人所追求的目標(biāo)，但是由于蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽，其性質(zhì)的復(fù)雜性，目前人們還沒能建立一個(gè)純理論的狀態(tài)方程來準(zhǔn)確計(jì)量蒸汽。由于蒸汽高溫高壓的特殊性質(zhì)，因此能用于流量測量的儀表目前只能限制在少數(shù)種類的流量儀表上，主要有：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)(高溫高壓蒸汽流量計(jì))；非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)；渦街流量計(jì)；旋翼式流量計(jì)；金屬浮子流量計(jì)等。其中渦街、浮子、旋翼流量計(jì)因?yàn)槭艿綔囟取⒖趶?、精度等限制，所以主流儀表還屬于標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)，通過對(duì)我廠已有測量手段和計(jì)算方法進(jìn)行分析，結(jié)合全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目”的蒸汽測量儀表的具體情況，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)在蒸汽流量測量中準(zhǔn)確度問題進(jìn)行討論。。
1、影響蒸汽流量測量的主要因素
1.1 測量元件
一次測量元件孔板的入口銳邊磨損、積污，節(jié)流件前后直管段內(nèi)結(jié)垢、粗糙程度改變等。
1.2 測量管
對(duì)測量管沒有按規(guī)定要求去做，安裝測量元件時(shí)直管不符合要求、內(nèi)徑D數(shù)值不準(zhǔn)確等。
1.3 密度
對(duì)密度的計(jì)算不準(zhǔn)確，我廠大部分蒸汽儀表測量是用DCS里的氣體補(bǔ)償方式、或用智能流量二次儀表的氣態(tài)方程來計(jì)算蒸汽的密度，再有就是根據(jù)工藝車間提供的數(shù)據(jù)直接做為蒸汽密度的參考值，雖然測量系統(tǒng)或多變量變送器（Honeywell SMV3000系列）有壓力溫度補(bǔ)償，但因?yàn)橛?jì)算公式或組態(tài)軟件使用不正確，使補(bǔ)償失準(zhǔn)。
1.4 相關(guān)系數(shù)
有的實(shí)際工作流量不在界限雷諾數(shù)范圍內(nèi)，使得流出系數(shù)C（或流量系數(shù)a）不再是一個(gè)恒定的常數(shù)，而DCS或智能一次表中又無修正功能，只能按常數(shù)計(jì)算，從而帶來測量誤差。
1.5 量程
有的儀表量程選用不合理，工作區(qū)經(jīng)常在滿量程的50%甚至20%以下，從而使相對(duì)誤差變大。
2、原因分析
2.1 節(jié)流元件磨損、臟污、變形
由于我廠的節(jié)流裝置大部分采用高溫高壓蒸汽流量計(jì)作為一次測量元件，因此孔板的好壞就成了影響計(jì)量準(zhǔn)確度重要因素之一。在實(shí)際使用中孔板入口邊緣的易磨損、氣蝕、前端面積污等，都是不易克服的缺點(diǎn)，由于節(jié)流裝置的計(jì)算數(shù)據(jù)是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下得到的，如果裝置中節(jié)流元件的實(shí)際條件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)條件或偏離規(guī)定，必然會(huì)帶測量結(jié)果的誤差。
2.2 測量管
測量管是節(jié)流裝置的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)有重要的影響，流體流經(jīng)諸如彎頭、閥門、縮徑管、擴(kuò)徑管等阻流件后，會(huì)產(chǎn)生速度畸變、旋轉(zhuǎn)流及非定常流，由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的各項(xiàng)參數(shù)是在充分發(fā)展管流、無旋轉(zhuǎn)流以及定常流的參考工作條件下實(shí)驗(yàn)得出的，如果不滿足規(guī)定的條件，就會(huì)造成流出系數(shù)偏離正常值，影響測量準(zhǔn)確度。當(dāng)然要在現(xiàn)場裝置使用中完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的條件，也是不現(xiàn)實(shí)的，但我們應(yīng)盡量在安裝過程中，*大化的向標(biāo)準(zhǔn)條件靠攏，力求測量誤差*小。
在我廠許多裝置中我發(fā)現(xiàn)，有的節(jié)流件上下游直管段不滿足要求，不管節(jié)流裝置的具體情況，例如彎頭，三通的數(shù)量及分布情況，直管段上縮、擴(kuò)管的情況，以及閥門的開度等情況，大部分采取前10D后5D的安裝，甚至小于前10D后5D的安裝。關(guān)于直管段內(nèi)徑D的數(shù)據(jù)，按規(guī)定應(yīng)該采取實(shí)測值，而實(shí)際情況是都沒有實(shí)測量D值，有的采用工藝提供的數(shù)據(jù)，有的是查以前資料，甚至有的用公稱通經(jīng)代替D值作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，從而使一開始計(jì)算書就有誤差。
關(guān)于測量管內(nèi)表面粗糙度對(duì)測量的影響是*為復(fù)雜的，也*易被忽略，特別是投用時(shí)間比較長的情況下，管內(nèi)的結(jié)垢，磨蝕等都會(huì)使粗糙度遠(yuǎn)差于新投用時(shí)的情況。即使是新安裝的管道，如果粗糙度達(dá)不到要求，都應(yīng)該進(jìn)行加工以達(dá)到規(guī)定的要求。即使是管流已達(dá)到充分發(fā)展管流時(shí)，粗糙度對(duì)流體仍是有影響的，見圖1。
圖1光滑管與粗糙管的流速分布
從圖1中可以看出：粗糙管的流速分布與光滑管是有區(qū)別的，因此流出系數(shù)也不會(huì)相同。我廠大部分的蒸汽測量管都是直接用工藝管道，沒有在定貨時(shí)與節(jié)流裝置整體加工，投用時(shí)粗糙度是否合乎要求也無從知道，況且經(jīng)過多年的運(yùn)行也沒有進(jìn)行過檢查和清理，粗糙度對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響肯定是存在的。
2.3 密度計(jì)算
對(duì)于蒸汽的流量測量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，但是由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在實(shí)際工作中往往存在一些不正確的做法。
蒸汽是比較特殊的介質(zhì)，一般情況下所說的蒸汽是指過熱蒸汽。而過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。其中絕不含液滴或液霧，屬于實(shí)際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數(shù)是兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，其密度應(yīng)由這兩個(gè)參數(shù)決定。
過熱蒸汽在經(jīng)過長距離輸送后，隨著溫度、壓力的變化，特別是在過熱度不高的情況下，會(huì)因?yàn)闊崃繐p失溫度降低而使其從過熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)。轉(zhuǎn)變成飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽容易凝結(jié)，在傳輸過程中如有熱量損失，蒸汽中便有液滴或液霧形成，俗稱溫蒸汽（其質(zhì)量一般用干度這一參數(shù)來表示，干度是指單位體積飽和蒸汽中干蒸汽所占的百分?jǐn)?shù)）。這時(shí)它已不屬于嚴(yán)格意義上的氣體，其密度也發(fā)生了很大變化。所以，不同狀態(tài)下不能用同一氣體狀態(tài)方程來描述。
在日常的流量測量中，大家往往只重視差壓信號(hào)的準(zhǔn)確與否，并常常使用高精度的差壓變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位。其實(shí)這個(gè)問題只要看一看節(jié)流裝置流量方程就非常清楚了，流量方程為：
qm=k(2△p·p)1/2
式中
qm-質(zhì)量流量，kg/s
C-流出系數(shù)；
ε-可膨脹性系數(shù)；
β-直徑比，d/D；
d-工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D-工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
△P-差壓，Pa；
P-流體密度，kg/m3。
從上式中我們可以看出差壓與密度在測量中是處于同等地位的。然而在實(shí)際使用中由于忽視了密度對(duì)流量測量的影響，因此往往不重視對(duì)密度的認(rèn)真研究和分析。
我們知道：對(duì)氣體流量的測量，如果沒有溫壓補(bǔ)償，測量結(jié)果是不準(zhǔn)確的。因此無論是以前的電III型儀表，還是近些年廣泛使用的智能儀表、DCS，乃至到去年我廠新安裝的多變量儀表（HoneyWellSMV3000），都有不同的補(bǔ)償方式。為求得準(zhǔn)確的氣體狀態(tài)方程，經(jīng)多年努力，仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的氣體狀態(tài)方程，只有眾多的實(shí)際氣體狀態(tài)方程。而本文所討論的蒸汽就有專用的方程，主要是因?yàn)檎羝诠ぷ鬟^程中有物質(zhì)狀態(tài)的變化，與理想的氣體的性質(zhì)有很大的差別，它的物體參數(shù)比理想氣體要復(fù)雜，不能用簡單的數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出來。而實(shí)際生產(chǎn)中，蒸汽流量密度的計(jì)算，大多數(shù)采用的恰恰是簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式。但由于使用測量的儀表不統(tǒng)一，僅智能流量二次表就有不同的型號(hào)，對(duì)密度的計(jì)算也各不相同，加上DCS，多變量等儀表的計(jì)算方式也不盡相同，造成密度計(jì)算的不準(zhǔn)確，因此對(duì)蒸汽流量測量的影響不亞于用一臺(tái)精度差的差壓變送器帶來的誤差。
2.4 相關(guān)系數(shù)的影響
流出系數(shù)C的定義是：通過節(jié)流裝置的實(shí)際流量與理論流量之比，將這個(gè)比值應(yīng)用到理論方程中，以獲得實(shí)際的流量。在一定的安裝條件下給定的節(jié)流裝置，C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)。
在節(jié)流裝置計(jì)算書中，根據(jù)提供的工藝條件計(jì)算出的C值是一個(gè)固定值，在DCS或智能二次表中都將流出系數(shù)C作為固定值參與流量計(jì)算，而實(shí)際上流出系數(shù)C只有雷諾數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)才可視為常數(shù)，實(shí)際使用時(shí)當(dāng)雷諾數(shù)不在這個(gè)范圍時(shí)，流出系數(shù)C就不能視為常數(shù)。特別是當(dāng)小流量時(shí)，隨著雷諾數(shù)變小，流出系數(shù)C將較大的變化，流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系如下圖2：
雷諾數(shù)Re
圖2流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系圖
從圖2中可以看出：只有雷諾數(shù)Re≥104時(shí)，流出系數(shù)C才可以為是一個(gè)常數(shù)。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)Re=103時(shí)（β=0.6），附加誤差可達(dá)-19%，而當(dāng)Re=250時(shí)附加誤差增加到-26%。在實(shí)際測量中，由于流量變化而使雷諾數(shù)小于界限值的情況時(shí)有發(fā)生。我廠熱電車間某蒸汽流量，*小可達(dá)1t/h，而*大時(shí)可達(dá)28T/h，實(shí)際量程比達(dá)到了28:1。在低限流量時(shí)流出系數(shù)將變化很大，如果不進(jìn)行修正，仍按計(jì)算書的C值來計(jì)算流量，會(huì)帶來較大的誤差。在我廠大部分DCS和二次儀表中，都沒有對(duì)流出系數(shù)C的修正功能，由此可見流出系數(shù)對(duì)測量系統(tǒng)的影響是普遍存在的。
實(shí)際上，孔板從安裝使用*一天開始，嚴(yán)格上講，它的入口銳邊就開始經(jīng)歷由尖銳到平鈍的一個(gè)變化過程，只不過這種變化*為緩慢人們不易察覺，或者說對(duì)儀表準(zhǔn)確度的影響是一個(gè)從小到大的緩慢過程，常常不會(huì)被人注意。如果被測介質(zhì)是高流速的流體，影響可能會(huì)更為顯著。根據(jù)某專業(yè)雜志報(bào)道，在流體高速臟污的場合，流出系數(shù)C變化百分之十幾也不足為奇，而我廠使用的孔板*長達(dá)上10年，短的也用了3、4年時(shí)間，因此流出系數(shù)C問題帶來的測量誤差是可想而知的。
2.5 儀表量程設(shè)置
在全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目施工中，我逐漸發(fā)現(xiàn)，有部分車間的選用的儀表量程過大，使儀表經(jīng)常工作在量程的50%甚至20%以下，這樣就造成了相對(duì)誤差變大后果。我們都知道，一般儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)都用引用誤差表示的，其實(shí)引用誤差是一種簡化的相對(duì)誤差。若儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2、0.5或1.0級(jí)，所標(biāo)明的是儀表的引用誤差不能超過的界限，也就是說合格儀表*大引用誤差不會(huì)超過0.2%、0.5%、1.0%，而不能認(rèn)為它的各刻度點(diǎn)上的示值都具有0.2%、0.5%、1.0%，的準(zhǔn)確度。
設(shè)一臺(tái)儀表的準(zhǔn)確度為S%，量程為0～Xn，測量點(diǎn)為X，相對(duì)誤差應(yīng)按下式求得：
相對(duì)誤差≤Xn/X×S%。
如果這臺(tái)儀表的量程是0～150，準(zhǔn)確度是0.5，用上式計(jì)算測量點(diǎn)75、50、30、15的相對(duì)誤差分別為：1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可見，當(dāng)測量值越接近滿度值，其準(zhǔn)確度越高。這就是我們?cè)谶x用儀表量程時(shí)，盡可能在儀表的上限值處鄰近或2/3量程以上的原因。
3 、解決的方法
3.1 節(jié)流元件改用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴
對(duì)于大多數(shù)節(jié)流件孔板入口磨損及臟污等問題，我們應(yīng)該選用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。由于噴嘴入口是一個(gè)光滑的曲面，它的抗磨損、抗積污、抗變形程度遠(yuǎn)好于孔板，流出系數(shù)穩(wěn)定性也比孔板好，在相同流量和相同β值條件下，阻力損失也比孔板小的多（只有孔板的30%～50%），而且它的檢定周期為4年，大大減少了維護(hù)費(fèi)用。
3.2 節(jié)流裝置整套加工
對(duì)于測量管的影響問題，應(yīng)該采取指定專業(yè)生產(chǎn)廠家，統(tǒng)一加工節(jié)流件，統(tǒng)一加工法蘭、直管段，統(tǒng)一開壓力溫度取樣點(diǎn)，統(tǒng)一加工冷凝罐，統(tǒng)一整體組裝。這次全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目中，有許多節(jié)流裝置就采用了這種辦法進(jìn)行定貨，雖然造成了費(fèi)用高了一些，但是由于測量準(zhǔn)確度的提高，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多花的費(fèi)用的。
3.3 采用正確公式計(jì)算密度
關(guān)于密度的計(jì)算，針對(duì)計(jì)算公式不統(tǒng)一的問題，我們這次全廠計(jì)量儀表完善項(xiàng)目中，統(tǒng)一采用了美國HoneyWell公司的SMV3000系列多變量儀表，而且蒸汽的測量信號(hào)（差壓、壓力、溫度）先進(jìn)入SMV3000儀表進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算后的流量信號(hào)再根據(jù)需要送至DCS或全廠計(jì)量儀表系統(tǒng)進(jìn)行顯示，累積。
3.4 量程選用盡量合理
關(guān)于量程選用的問題，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，在滿足工藝要求的前提條件下，盡量使儀表工作在滿量程的2/3以上。但因有些生產(chǎn)工藝的特殊性，在低流量下運(yùn)行的情況還是存在的。
4 、效果評(píng)價(jià)
全廠蒸汽流量儀表在改造以前，熱電車間與工藝車間的蒸汽計(jì)量誤差在10%～20%之間，改造后，經(jīng)過儀表專業(yè)技術(shù)人員的努力，蒸汽計(jì)量誤差已經(jīng)小于6%，效果還是比較理想的。
由于目前使用流量儀表測量蒸汽流量，由于被測介質(zhì)的特殊性，對(duì)于相流經(jīng)常變化的蒸汽，肯定會(huì)存在測量不準(zhǔn)確的情況，而解決這一問題的根本辦法是開發(fā)一種可測兩相流動(dòng)介質(zhì)的流量儀表。我相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，提高測量水平的呼聲越來越高，因此針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況，做一些細(xì)致的技術(shù)工作，一定會(huì)探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。

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