蒸汽流量的準確計量經(jīng)驗探討

楊 煒

（西安利君制藥有限責任公司，陜西 西安 710077）

蒸汽的準確計量，是多年來計量工作者的追求目標，實際操作中往往很難達到滿意的結(jié)果，冬季就更為嚴重，有的用能單位蒸汽計量誤差近20%。筆者認為主要原因有三點：蒸汽的物理特性、蒸汽流量測量裝置的選用及測量裝置的正確使用。

1 蒸汽方面的問題

1.1 過熱蒸汽

過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。過熱蒸汽的溫度與壓力參數(shù)是兩個獨立參數(shù)，其密度應由這兩個參數(shù)決定。過熱蒸汽在經(jīng)過長距離輸送后，隨著工況（如：溫度、壓力）的變化，特別是在過熱度不高的情況下，會因為熱量損失溫度降低而使其從過熱狀態(tài)，轉(zhuǎn)變成為飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。

1.2 飽和蒸汽

飽和蒸汽的溫度與壓力之間一一對應，二者之間只有一個獨立變量，飽和蒸汽的密度由兩者之一決定。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，并導致溫度與壓力的降低。含有液滴或液霧的蒸汽稱為濕蒸汽。嚴格來說，飽和蒸汽或多或少都含有液滴或液霧的雙相流體，所以，不同狀態(tài)下不能用同一氣體狀態(tài)方程式來描述。飽和蒸汽中液滴或液霧的含量反映了蒸汽的質(zhì)量，一般用干度這一參數(shù)來表示。蒸汽的干度是指單位體積飽和蒸汽中干蒸汽所占的百分數(shù)。

1.3 兩相流對測量流量的影響

飽和蒸汽由于其本身的物理特性，在輸送過程中因管道保溫不完善常常是以汽、水兩相流出現(xiàn)（即飽和蒸汽的干度小于100%），濕蒸汽是飽和蒸汽實際存在的幾乎唯一形式。過熱蒸汽在經(jīng)過長距離的輸送后也往往會成為濕蒸汽。濕蒸汽實質(zhì)是一種飽和蒸汽和水的兩相流，任何汽、液兩相流的測量方案中都必須要測量干度這一重要參數(shù)。如不考慮干度，將帶來很大誤差。對測量質(zhì)量流量是如此，對能量測量亦是如此。據(jù)有關(guān)資料顯示：當蒸汽壓力為2.5MPa,干度85%時，如不考慮干度的影響，以干蒸汽密度代替濕蒸汽密度，將帶來14.5%左右的質(zhì)量流量測量誤差和5.2%左右的能量流量測量誤差[1]。目前的蒸汽計量表沒有對干度進行修正，要想準確計量飽和蒸汽流量，就必須最大限度地提高蒸汽干度。期待開發(fā)有干度修正的蒸汽計量儀表早日應用。

1.4 提高蒸汽干度的辦法

輸送蒸汽的管路必須保證有良好的保溫措施，防止熱量損失。

鍋爐操作中應避免出現(xiàn)汽包液位過高現(xiàn)象，盡量減少負荷出現(xiàn)大的波動，提高供汽品質(zhì)。

2 蒸汽流量測量裝置的問題

由于歷史原因，蒸汽供需雙方以質(zhì)量流量作為經(jīng)濟結(jié)算依據(jù)，最終將以能量結(jié)算?，F(xiàn)在人們廣泛使用的蒸汽質(zhì)量流量計大部分為推導式（也稱間接式測量）流量計，測量裝置主要由流量傳感器、溫壓補償單元、流量積算儀等系統(tǒng)組成，目前，流量傳感器主要有渦街流量計、差壓式流量計、阿牛巴流量計等，現(xiàn)使用渦街流量計、節(jié)流式孔板流量計較為普遍。這些流量傳感器都是體積流量計，在實際應用系統(tǒng)中，測出測量點附近的流體溫度、壓力，通過有溫壓補償功能的積算儀求得蒸汽的質(zhì)量流量。

2.1 渦街流量計

渦街流量計是基于卡門渦街原理而研制成功的一種新型流量計，70年代以來得到了迅速發(fā)展，是孔板流量計的替代產(chǎn)品之一。渦街流量計主要的基本結(jié)構(gòu)由渦街發(fā)生體、檢測元件、信號處理放大電路組成。特點：結(jié)構(gòu)簡單牢固，無可動部件；維護十分方便，安裝費用低；測量范圍寬，量程比可達1：15（智能型量程比更高）；壓力損失較小；測量精度高，一般為±(1～1.5)%R，但渦街流量計存在一定的局限性：渦街流量計是一種速度式流量計，旋渦分離的穩(wěn)定性受流速影響，故它對直管段有一定的要求。應力式渦街流量計采用壓電晶體作為檢測傳感器，故其受溫度的限制，一般為-40℃～+300℃。

2.2 差壓式孔板流量計

孔板流量計應用歷史悠久，有國際標準，測量精度屬中等水平，應用十分普遍，但經(jīng)過幾十年的應用，發(fā)現(xiàn)孔板流量計有以下不足：應用中許多因素（設(shè)計參數(shù)與工況參數(shù)不符、上游直管段不足、孔板和管道不同心、孔板A面受污、銳角磨損等）對其測量精度有非常大的影響，使其測量誤差增大；安裝較為麻煩，維護及拆洗的工作量較大；流量量程比為1∶3（現(xiàn)已開發(fā)出智能型孔板流量計，量程比增加），局限性大；若安裝不正確，容易發(fā)生泄漏、堵塞、凍結(jié)；壓力損失較大，運行費用高。

2.3 影響蒸汽測量裝置準確計量的主要問題及解決辦法

關(guān)于蒸汽計量方面，目前存在不少誤區(qū)，很多用戶認為購買了高品質(zhì)的流量計就可以得到準確的計量結(jié)果。蒸汽的計量不同于其它介質(zhì)，在實際測量中影響其精確測量的因素較多，經(jīng)常會出現(xiàn)流量計本身檢定合格，而實際卻感覺計量“不準”的現(xiàn)象。蒸汽流量準確計量從以下六個方面考慮。

2.3.1 重視蒸汽流量傳感器的正確選型

選擇蒸汽流量傳感器，應重點考慮三點，一是量程問題。蒸汽流量傳感器選型時測量范圍對準確計量影響很大。用汽高峰時瞬時值相當大，而用汽低谷時瞬時值又很小，一般蒸汽傳感器的測量范圍就難以適應，此時應采用大量程比的智能型流量計（最大量程比可達100∶1）或選擇多個流量計并聯(lián)，必要時要對管道縮徑改造。二是管道直徑問題。若選用節(jié)流式流量計，在設(shè)計節(jié)流裝置時，往往基本上都采用工藝提供的公稱名義管徑值，其實公稱名義管徑值與實際管徑值還是有誤差的，特別是卷管，公稱名義管徑值與實際值有時差值還較大，造成計量誤差增大，測量的準確度就難以達到設(shè)計要求，設(shè)計前最好實測管徑，以減少計算誤差。三是信號輸出制式問題。若選用渦街流量計，則在制式選擇時，最好選用脈沖輸出，避免信號在傳輸時的附加誤差。

2.3.2 重視測溫傳感器的正確選用

一般溫度傳感器都首選鉑熱電阻，對于Pt100的鉑熱電阻：A級誤差：0.15+0.002t，B級誤差：0.30+0.005t，t為被測介質(zhì)的溫度，若用于飽和蒸汽流量測量中的補償，假如[2]：飽和蒸汽的壓力為0.7MPa,對應的溫度為170.5℃，密度為4.132 kg/m3，如果測溫誤差為-1℃，則查得密度為4.038 kg/m3，A級、B級的誤差限差值為0.662℃，這將造成1.5%的密度誤差，顯然，B級鉑熱電阻引起的誤差是客觀的，所以，最好選用A級鉑熱電阻。

2.3.3 重視壓力變送器的正確選用

壓力測量誤差與壓力變送器的精度等級和量程有關(guān)，假如，選用0.5級精度、0MPa～1MPa測量范圍與選用0.5級精度、0MPa～2.5MPa測量范圍的壓力變送器測量0.7MPa飽和蒸汽壓力，其誤差限分別為：±5kPa、±12.5kPa，如果用此查蒸汽密度表，將造成±0.625%、±1.56%的密度誤差，若選擇后者，計量誤差明顯增大，所以，壓力變送器的精度等級和量程要按規(guī)定選擇，常用蒸汽壓力應工作在滿量程的1/2～2/3之間。

2.3.4 蒸汽的密度補償測量方法要正確

為了準確計量蒸汽的質(zhì)量流量，必須考慮蒸汽壓力和溫度的變化，即蒸汽密度補償。不同類型的流量計受密度變化影響的方式不同。渦街流量計的工況體積流量只和流速有關(guān)，而和介質(zhì)的密度、壓力和溫度無關(guān)，而節(jié)流式孔板流量計的工況體積流量與流量計的幾何外型、差壓平方根和密度平方根有關(guān)。①補償精確度的差異。測溫對補償精確度影響較大。如采用相同精度等級的溫度和壓力感應器，測溫誤差引起的密度差異要大于測壓誤差。②壓力測量影響因素。在蒸汽壓力的測量中，由于引壓管內(nèi)冷凝水的重力作用會使壓力變送器測量到的壓力同蒸汽壓力之間出現(xiàn)一定的差值，如果不予以校正，則會帶來蒸汽密度的誤差。③溫度測量影響因素。溫度測量誤差除了測溫元件的固有誤差之外，還同安裝的不規(guī)范有關(guān)。

2.3.5 蒸汽干度的影響（前面已敘述）

2.3.6 正確安裝蒸汽流量測量裝置

任何蒸汽計量儀表都必須安裝正確，正確安裝蒸汽流量儀表，要做到以下七點：

2.3.6.1 在所安裝流量傳感器前后必須按規(guī)范要求留有足夠長的直管段，對于傳統(tǒng)的渦街或孔板流量計，其前后安裝直管段要求分別約為20D和5D。有的管徑不規(guī)范，最好選用標準通徑的直管段。

2.3.6.2 減小振動對渦街流量表的影響。首先在選擇傳感器安裝場所時盡量注意避開振動源。其次加裝管道支撐物是有效的減振方法。

2.3.6.3 在渦街流量表上游2-10D處取測壓點，下游5-10D處取測溫點，壓力變送器取壓口應于管道中心水平線上，測溫元件應探入管道內(nèi)部且迎向流體方向。

2.3.6.4 渦街流量計測蒸汽時，因電路板熱穩(wěn)定性問題，傳感器安裝時最好頭不要朝上，減少管道熱量對電路板的影響，以免造成測量誤差的增大。

2.3.6.5 嚴格按照要求進行接地，信號線要正確接好屏蔽線，兩線制電源的負端不要和傳感器外殼連接。

2.3.6.6 節(jié)流式流量計必須高度重視冷凝器的安裝。兩個冷凝器亦須處于同一水平上，兩個冷凝器的作用是使導壓管中被測蒸汽冷凝并使正、負導壓管中冷凝液面有相等高度及保持長期穩(wěn)定；為不使冷凝液面波動對測量產(chǎn)生誤差，冷凝器的有效容積應大于所使用的差壓變送器工作空間的最大容積變化的3倍，在水平方向的橫截面積不得小于差壓變送器的工作面積，系統(tǒng)確保密封良好，嚴禁泄漏；要充分考慮維護、拆換、吹掃便利。

2.3.6.7 使用差壓變送器時，導壓管長度最好在16 m內(nèi)，內(nèi)徑最好選用Φ18 mm以防堵塞為好。導壓管全程保溫并確保正負管處于同等溫度以免密度變化引起誤差。

3 蒸汽流量計的日常使用問題

3.1 正確設(shè)置流量計的技術(shù)參數(shù)

3.1.1 使用渦街流量計時要正確修正儀表系數(shù)。一般給出的是在20℃時的出廠流量系數(shù)，使用時要根據(jù)工況溫度進行正確調(diào)整，否則，計量誤差將增大，例如：當蒸汽溫度為200℃時，若不修正將產(chǎn)生誤差近1%。溫度修正公式如下：

式中：Kt— 傳感器工作溫度下的儀表常數(shù)(l/m3)；

K20— 傳感器出廠時的儀表常數(shù)(l/m3)；

t — 介質(zhì)溫度 (℃ )。

3.1.2 要正確設(shè)置流量積算儀有關(guān)參數(shù)，以下主要參數(shù)必須設(shè)置正確

（1）管道通徑；（2）測量類型（飽和蒸汽、過熱蒸汽選擇）；（3）顯示單位；（4）工作溫度下的流量系數(shù)Kt；（5）壓變、溫變量程；（6）輸出量程。

3.2 計量儀表檢修維護

3.2.1 檢修維護

由于流量傳感器長期處在高溫、高壓的水蒸汽環(huán)境中，很容易造成表件損壞、銹蝕、雜質(zhì)阻塞等，因此，需要經(jīng)常維護和定期檢修。差壓式孔板蒸汽流量計特別要檢查孔板開口的圓面是否銹蝕，有沒有附著臟物，要定期清洗，對銹蝕嚴重的孔板要更換。渦街流量傳感器在使用中要注意檢查三角柱縫隙是否有雜物阻塞、檢測元件是否失靈，等等。

3.2.2 定期校準（檢定）

計量儀表要定期周檢，在單體校準的基礎(chǔ)上，還必須對流量積算儀進行現(xiàn)場系統(tǒng)（含連接導線）綜合校驗，減少因系統(tǒng)的接線、線路電阻、其它附加誤差造成對測量信號的影響。

3.3 計量儀表日常運行

計量儀表日常運行中要及時采集流量測量數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)及實時曲線是否異常，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時解決問題。以下是筆者公司一蒸汽用戶儀表故障的一個實例，僅供參考。該用戶管道通徑為DN50，用汽以冬季采暖為主，去年12月份有一天發(fā)現(xiàn)用量偏小，經(jīng)檢查供電電源、壓電晶體、接線都正常無誤，現(xiàn)場實驗由小到大逐漸緩慢開啟用戶總閥門，發(fā)現(xiàn)本應瞬時流量隨閥門的開大而增大，但實際儀表顯示大到一定值后卻逐漸減小，將流量表拆回檢查，下圖為該儀表故障時用雙蹤示波器測出模擬流量信號的輸入、輸出波形圖。DN50渦街表測量蒸汽的范圍為：95Hz～1 300Hz(35 m3/h～490 m3/h)。更換放大板后，故障排除，儀表工作正常，此故障屬疑難雜癥類故障。

4 筆者公司蒸汽計量系統(tǒng)改造簡況

圖 儀表故障時用雙蹤示波器測出模擬流量信號的輸入、輸出波形圖

公司西區(qū)有供熱鍋爐4臺，額定總蒸發(fā)量65t/h，蒸汽為飽和蒸汽。次級用能單位及主要用能設(shè)備共計11路蒸汽，各用戶采用蒸汽分配站集中分配供汽方式，計量表集中安裝，計量系統(tǒng)未改造前采用帶壓力補償?shù)目装迨搅髁坑?，總表與分表誤差為10%～13%。經(jīng)過技術(shù)改造，全部選用帶溫度或壓力補償?shù)臏u街式流量計后，總表與分表誤差為3%～4%，下表為計量系統(tǒng)改造后的計量數(shù)據(jù)。

表 計量系統(tǒng)改造后的計量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

要準確的檢測蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的蒸汽流量，雖然不是容易的事情，但只要正確分析誤差來源并采取有效措施，正確合理配置計量儀表，測量結(jié)果也會達到滿意的效果。在此，建議有條件的單位最好配備一臺雙蹤示波器，以便及時、方便的發(fā)現(xiàn)與解決流量計存在的問題。

[1] 吳京安. 蒸汽流量測量若干問題的討論[J]. 工業(yè)計量，2002，6:49-50.

[2] 紀綱. 流量測量儀表應用技巧[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003，7-10.