無節(jié)流元件蒸汽流量測量的一種可行方法

沈永鳳， 王 鑫

（1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064； 2.91439部隊，遼寧大連 116041）

無節(jié)流元件蒸汽流量測量的一種可行方法

沈永鳳1， 王 鑫2

（1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064； 2.91439部隊，遼寧大連 116041）

介紹了目前常用的蒸汽流量測量方法——直接測量法，對其測量原理、特點及測量誤差進(jìn)行了分析。針對系統(tǒng)工況負(fù)荷變化頻繁、蒸汽流量經(jīng)常出現(xiàn)大幅度波動、直接測量流量誤差較大的問題，提出了一種流量軟測量，即無節(jié)流元件的蒸汽測量方法。利用此方法對蒸汽流量進(jìn)行計算，并與實際流量計測量值對比，得出在流量波動時，流量計測量誤差為10%，而軟測量誤差最大不超過5%。

計量學(xué)；蒸汽流量；節(jié)流元件；軟測量；調(diào)節(jié)閥

1 引 言

目前蒸汽流量的測量普遍采用節(jié)流裝置，即孔板或噴嘴。其原理是根據(jù)伯努利定律，通過測量流體流動過程中產(chǎn)生的差壓信號來測量流量［1］，在保證設(shè)計參數(shù)情況下測量精度較高，而當(dāng)偏離設(shè)計值時，測量誤差較大。特別是對于艦船動力系統(tǒng)，由于機(jī)動性要求，工況負(fù)荷變化頻繁，蒸汽流量經(jīng)常出現(xiàn)大幅度波動，流量測量誤差較大，且修正困難［2］。此外，節(jié)流元件帶來的壓力損失，也影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且節(jié)流元件投資大，安裝維護(hù)不便。本文介紹了一種根據(jù)調(diào)節(jié)閥前后壓力間接計算蒸汽流量的方法，測量精度較高，而且由于不采用節(jié)流元件測量流量，減小節(jié)流損失，投資少。

2 直接測量法

直接測量法通常采用孔板（或流量噴嘴）測量蒸汽流量。

孔板流量計是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)孔板時產(chǎn)生壓力差，經(jīng)導(dǎo)壓管將此壓力差傳給差壓變送器，差壓變送器測出差壓后換成4～20 mA信號，此信號再傳給流量積算器（或計算機(jī)），直接數(shù)字顯示瞬時流量和累積流量。流量及壓力差具體關(guān)系為：

式中：Q為質(zhì)量流量，kg／s；α為流量系數(shù)；ε為流束膨脹系數(shù)；A為流束截面積；ρ為流體密度；ΔP為孔板前后壓力差，kPa。α、ε、A、ρ等項均受環(huán)境因素的影響，不能保持不變，特別是流量系數(shù)α、蒸汽密度ρ在機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行或負(fù)荷變動時，基數(shù)值變化較大。針對ρ的變化，需進(jìn)行壓力、溫度補(bǔ)償，而α的變化范圍，一般規(guī)定節(jié)流變壓降式流量計所測的最大流量與最小流量之比為4∶1，也就是說只有負(fù)荷在25%以上時才能進(jìn)行測量［4］。

這種方法原理簡單，應(yīng)用技術(shù)成熟，但由于蒸汽流量經(jīng)常呈現(xiàn)出大幅度波動［5］，其溫度、壓力與流量計設(shè)計工況不同，導(dǎo)致密度不同引起測量誤差［6］。通常測量系統(tǒng)帶有溫度、壓力補(bǔ)償，可以在一定程度上消除密度差異引起的誤差，但由于補(bǔ)償模型本身精度問題而存在一定的原理誤差。而且其安裝要求嚴(yán)格，維修工作量大。

3 流量軟測量

流量軟測量則是建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用一些易于實時測量的、與被測變量密切相關(guān)的變量（二次變量），通過在線分析，來估計不可測或難測量變量的方法。由于計算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，軟測量的快速性和精確性得到了很大提高，可以作為新型環(huán)節(jié)，融入到在線檢測和過程控制系統(tǒng)之中。因此，通過對壓力、溫度等參數(shù)在線測量，應(yīng)用軟測量技術(shù)對蒸汽系統(tǒng)瞬時流量進(jìn)行在線估算，可以較好地解決瞬時流量測量不準(zhǔn)確的問題。

3.1 測量原理

蒸汽流量軟測量的基本原理是根據(jù)流量系數(shù)計算公式（膨脹系數(shù)法），已知調(diào)節(jié)閥各項參數(shù)及其前后壓差、溫度，反算出蒸汽流量。

由于可壓縮流體—蒸汽，經(jīng)過節(jié)流之后，體積膨脹，密度減小，而且在進(jìn)口壓力不變，閥門壓差增加到一定程度時，通過節(jié)流孔后會達(dá)到臨界狀態(tài)，產(chǎn)生阻塞流，因此測量蒸汽流量時必須考慮這些因素的影響。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計算公式是通過引入膨脹系數(shù)y，來校正從閥入口到閥后縮流處氣體密度的變化；引入臨界壓差比系數(shù)XT而考慮了壓力恢復(fù)，來修正不同閥結(jié)構(gòu)造成的流量系數(shù)計算誤差。理論上，y與節(jié)流口面積與入口面積之比、流路形狀、壓差比X、雷諾數(shù)、比熱比系數(shù)FK有關(guān)，但由于介質(zhì)的流速很高，在可壓縮流體的情況下，由于紊流幾乎始終存在，所以雷諾數(shù)的影響極小，可以忽略。膨脹系數(shù)法的計算精度較高而被IEC作為標(biāo)準(zhǔn)推薦使用［7］。因此，用此方法計算蒸汽流量也會取得較高的計算精度。

當(dāng)X＜FKXT時，為非阻塞流情況，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計算公式

流量軟測量的具體實施方法是：調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)KV及臨界壓差比系數(shù)XT由廠家提供（或進(jìn)行相應(yīng)的閥門實驗以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)），不同開度下的流量系數(shù)由調(diào)節(jié)閥流量特性及最大流量系數(shù)來確定；利用壓力表測出調(diào)節(jié)閥前、后壓力p1、p2；利用溫度表測出調(diào)節(jié)閥前的溫度T1，從而得出閥門壓差Δp及流體密度ρ，判斷是否出現(xiàn)阻塞流，利用式（2）或式（3）即可計算出流量值。

3.2 實例分析

為了檢驗蒸汽流量軟測量方法的準(zhǔn)確性，使用某試驗場的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。系統(tǒng)原理如圖1，調(diào)節(jié)閥1和調(diào)節(jié)閥2相互配合以維持蒸汽總管壓力的穩(wěn)定。

圖1 某試驗場蒸汽系統(tǒng)原理圖

除鍋爐測點外，管路系統(tǒng)上的流量測點有3個，分別在蒸汽總管、支路1、支路2；壓力測點有7個，分別在蒸汽總管閘閥前、調(diào)節(jié)閥1后、節(jié)流閥1前后、調(diào)節(jié)閥2后、節(jié)流閥2前后；溫度測點有3個，蒸汽總管閘閥前、節(jié)流閥1后、節(jié)流閥2后。

2臺鍋爐額定產(chǎn)汽量為90 t／h，但2支路上的調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)過程中，蒸汽總管壓力會波動，造成鍋爐產(chǎn)汽量出現(xiàn)波動，最大流量為108.51 t／h。

根據(jù)節(jié)流閥1、節(jié)流閥2前后壓力，總管溫度，利用公式（2）即可計算得出兩支管的蒸汽流量，與流量計測量的蒸汽流量對比，見表1。

表1 兩種流量值對比t·h－1

從表1可以看出，調(diào)節(jié)閥1和調(diào)節(jié)閥2動作時，流量波動較大，實際流量測量值誤差達(dá)10%，誤差較大；軟測量值在流量波動時的誤差最大也不超過5%，完全可以滿足測量和自動控制調(diào)節(jié)的要求。

使用該方法進(jìn)行流量測量，其適用范圍較寬，測量時對管道流動工況無特殊要求，這都是其它流量測量方法無法與之相比的；利用此方法進(jìn)行流量軟測量的前提是調(diào)節(jié)閥流量特性要首先確定，因其流量系數(shù)及流量特性的誤差將會給軟測量值的誤差帶來很大影響；用膨脹系數(shù)法進(jìn)行流量測量在理論上是準(zhǔn)確的，但也存在一定誤差，其誤差大小還取決于對二次變量p1、p2、T1的測量誤差。

5 結(jié) 論

介紹了目前常用的蒸汽流量測量方法，對其測量原理、特點及測量誤差進(jìn)行了分析。針對測量誤差較大的問題，提出了流量軟測量方法，這種方法在流量測量的快速性和精確性方面有很大提高，可以較好地解決瞬時流量測量不準(zhǔn)確的問題。而且這種測量方法比較簡單，不需將專門的流量傳感器插入管道中進(jìn)行檢測，而只需在調(diào)節(jié)閥前后加裝相應(yīng)的壓力表和溫度表即可，這就消除了因傳感器而造成的局部阻力損失，并且不存在對傳感器的維護(hù)檢修問題。

［1］ 馬龍博，張宏建，周洪亮，等.基于差壓法的油水兩相流的流量測量［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2007，41（2）：365－368.

［2］ 徐耀文.采用汽輪機(jī)第一壓力級組壓力與溫度測量主蒸汽流量［J］.華東電力，1983，11（11）：14－19.

［3］ 劉禹林，遲新利.無節(jié)流元件主蒸汽流量測量［J］.東北電力技術(shù).1997，（11）：62－63.

［4］ Chaibakhsh A，Ghaffari A.Steam turbine model［J］.SimulationModellingPracticeandTheory，2008，16（5）：1145－1162.

［5］ 趙晶晴，林中達(dá).電廠主蒸汽流量測量與計算方法分析比較［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2007，（4）：39－46.

［6］ 陸陪文.調(diào)節(jié)閥實用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：88－89.

A Practicable Method of Measurem ent for Steam Flow w ithout Restricting Element

SHEN Yong-feng1， WANG Xin2
（1.China Ship Development and Design Center，Wuhan，Hubei430064，China；
2.91439 Army，Dalian，Liaoning 116041，China）

The directmeasurementof steam flow is introduced，analysing the theory ofmeasurement，characteristic and themeasurement error.Depending on the frequently changed load mode，steam flow was often sharply fluctuated，which induced biggermeasurement error.So the indirect flow measurement was put forward，that is to say，steam flow was measured without restricting element.Steam flow was calculated in an actual system by using thismeasure.Comparing with the actual flow which was measured by flowmeter，the measurement error by flowmeter was bigger even to ten percent，however the indirectmeasurementwas just less than five percent，proving thismeasure was accurate.

Metrology；Steam flow；Throttle element；Softmeasurement；Control valve

TB937

A

1000-1158（2014）05-0455-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．10

2012-09-06；

2013-02-21

沈永鳳（1984－），女，山東單縣人，中國艦船研究設(shè)計中心工程師，碩士，主要從事艦船動力系統(tǒng)設(shè)計。beyond-shen＠163.com