蒸汽流量計(jì)的選型與安裝問題分析

阮曉飛 來曙光 張 婧

(黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000)

蒸汽是石油化工企業(yè)重要的二次能源，在企業(yè)能源計(jì)量中占有重要地位。從企業(yè)效益出發(fā)，要降低生產(chǎn)成本則需降低蒸汽的消耗量，蒸汽計(jì)量由此成為企業(yè)計(jì)量技術(shù)工作的重點(diǎn)之一。

儀表都有一定的測(cè)量范圍和合適的量程比，可是工藝生產(chǎn)過程往往又有不同負(fù)荷狀態(tài)下的多種運(yùn)行方式，隨之對(duì)應(yīng)的蒸汽用量就會(huì)出現(xiàn)大流量、正常流量及小流量等不同流速，蒸汽的物理參數(shù)如溫度、壓力及密度等參數(shù)也會(huì)在不同負(fù)荷狀態(tài)下發(fā)生相應(yīng)的變化。任何類型測(cè)量蒸汽的儀表要滿足不同工況下的準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際上很困難。這就要求在測(cè)量方法和儀表選型上根據(jù)測(cè)量回路的要求充分考慮各種計(jì)量儀表的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇量程比合適的儀表并采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施，如溫壓補(bǔ)償、蒸汽狀態(tài)及分段線性化補(bǔ)償?shù)?。但是隨之而來就會(huì)產(chǎn)生安裝位置、直管段及維護(hù)需求等一系列的安裝問題。

為此，圍繞當(dāng)前常用的差壓式和速度式蒸汽流量計(jì)的選型、安裝注意事項(xiàng)以及安裝和運(yùn)行中容易發(fā)生的問題展開討論，重點(diǎn)考慮蒸汽流量儀表選型時(shí)儀表和被測(cè)介質(zhì)的特性、生產(chǎn)工藝的變化、儀表的安裝條件及管理維護(hù)等因素的影響。

1 蒸汽流量計(jì)的類型①

企業(yè)使用蒸汽流量計(jì)一般用于：計(jì)量蒸汽用量，進(jìn)行內(nèi)部或外部計(jì)費(fèi)結(jié)算；監(jiān)測(cè)能源的使用效率，如根據(jù)熱焓確定添加的蒸汽量；改進(jìn)工藝過程的控制效果，比如使流量恒定在設(shè)定值或按一定的規(guī)律變化。

用戶應(yīng)根據(jù)自身需要，再結(jié)合流量計(jì)的相關(guān)特性選擇合適的蒸汽流量儀表。目前，測(cè)量蒸汽介質(zhì)普遍選用的是差壓流量計(jì)和渦街流量計(jì)配密度補(bǔ)償方式完成計(jì)量。

1.1 差壓式流量計(jì)

差壓式流量計(jì)在穩(wěn)流情況下，管道中流量與壓差的平方根成正比。基于流體質(zhì)量守恒(連續(xù)性方程)和能量守恒(伯努利方程)定律，可知基本的流量計(jì)算式為：

(1)

式中C——流出系數(shù)(實(shí)際流量/理論流量)；

d——節(jié)流件孔徑，m；

Δp——節(jié)流件上下游的壓差，Pa；

qm——蒸汽質(zhì)量流量，t/h；

β——直徑比，β=孔板直徑d/管道直徑D；

ε——可膨脹性系數(shù)，蒸汽的ε小于1；

ρ——蒸汽密度，kg/m3。

差壓式流量計(jì)中常用的有孔板流量計(jì)和新型V錐流量計(jì)兩種型式。

孔板流量計(jì)以簡單結(jié)實(shí)、成本低廉及無需額外標(biāo)定等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但它也有自身的缺點(diǎn)：受限于工作原理，量程比限制在3∶1～5∶1；在水錘作用下，孔板會(huì)變形，如果設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)甚至?xí)氯艿?；孔板的直角邊緣在長期運(yùn)行后會(huì)磨損，特別是在進(jìn)行蒸汽介質(zhì)測(cè)量時(shí)會(huì)改變孔板特性，影響測(cè)量精度，因此必須對(duì)孔板進(jìn)行周期檢查并予以更換；孔板流量計(jì)一般需要較長的直管段以保證精度，表1給出了不同直徑比β和不同上游擾流布置情況下所建議的直管段長度。

表1 流量計(jì)安裝時(shí)所需直管段長度

V錐流量計(jì)具有壓損小、量程比寬、直管段短及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)來源于特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)——錐體位于管道中心處。在計(jì)算工況下的實(shí)際流量時(shí)，應(yīng)先計(jì)算出流體流過V形錐的有效面積S和等效直徑比β，再代入式(1)計(jì)算得到。

雖然V錐流量計(jì)可以在直管段不夠長的情況下較其他節(jié)流裝置有較高的測(cè)量精度，但所需的前后直管段仍要視具體情況而定。有數(shù)據(jù)顯示，前置閘閥開度大于25%時(shí)，各種開度下當(dāng)要求較高測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)，流量計(jì)前直管段長度L=10D尚嫌不足，而不是各種情況下均為前0～3D、后0～1D的直管段，這個(gè)特點(diǎn)需要相關(guān)技術(shù)人員的高度重視。

當(dāng)測(cè)量蒸汽介質(zhì)的管道停汽檢修時(shí)，管道底部會(huì)存有積水?；謴?fù)通汽后，在壓力推動(dòng)下，水的波動(dòng)很容易引起管道振動(dòng)，流量較大時(shí)管道振動(dòng)劇烈甚至?xí)p壞節(jié)流件造成生產(chǎn)事故[1]。黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司就出現(xiàn)了V形錐節(jié)流元件斷裂脫離固定裝置的情況。

1.2 渦街流量計(jì)

流體流經(jīng)設(shè)置在管道內(nèi)的漩渦發(fā)生體時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)振蕩，在發(fā)生體的兩側(cè)交替產(chǎn)生規(guī)則漩渦，測(cè)定其振蕩頻率可以反應(yīng)流量的大小。當(dāng)工況條件合適時(shí)，漩渦頻率f和流體速度v成線性關(guān)系，且與密度無關(guān)，可表示為：

(2)

對(duì)于給定的流量計(jì)，其質(zhì)量流量qm為：

(3)

式中A——流量計(jì)的截面積，m2；

d——漩渦發(fā)生體迎流面的最大寬度，m；

f——漩渦的釋放頻率，Hz；

k——對(duì)于給定的流量計(jì)為常數(shù)；

St——斯特羅哈爾數(shù)，無量綱，當(dāng)雷諾數(shù)Re在102～105時(shí)其值約為0.2；

v——發(fā)生體兩側(cè)的平均流速，m/s；

ρ——蒸汽密度，kg/m3。

與孔板流量計(jì)相比，渦街流量計(jì)有較好的量程比(一般為30∶1)、無可動(dòng)部件及流阻低等優(yōu)點(diǎn)，但在抗振、脈動(dòng)流及抗干擾等方面也有明顯的局限性。為此，在安裝渦街流量傳感器時(shí)應(yīng)注意：

a. 選擇合理的安裝場(chǎng)所，遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備，避開強(qiáng)振動(dòng)和強(qiáng)腐蝕環(huán)境。

b. 上下游配管應(yīng)滿足安裝要求，約為前10D和后5D。不同的安裝條件(如縮管、擴(kuò)管、T形管、前端是否有閥門及過濾器等擾流件)，對(duì)上游直管段的要求也相異，還需參考儀表說明書。另外，流量或壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在傳感器下游5D以外；測(cè)壓孔應(yīng)設(shè)在流量計(jì)下游的2D～7D處；測(cè)溫孔應(yīng)設(shè)在離測(cè)壓孔下游的1D～2D處。

c. 基于其流體振蕩的工作原理，振動(dòng)會(huì)引起誤差，可以在傳感器上下游2D處分別設(shè)置防振座并加防振墊。

d. 任何墊片和焊渣的凸出都會(huì)導(dǎo)致其他漩渦的發(fā)生，引起計(jì)量誤差。T形管上游安裝閥門即可避免脈動(dòng)壓的影響。

目前，渦街流量計(jì)的流量系數(shù)一般是在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定得到的。按照渦街流量計(jì)的工作原理，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，渦街流量計(jì)的流量系數(shù)只與漩渦發(fā)生體、管道形狀和幾何尺寸有關(guān)。因此，渦街流量計(jì)用水標(biāo)定得到的流量系數(shù)在儀表用來測(cè)量氣體和蒸汽時(shí)采用也是合理的。

用水標(biāo)定時(shí)流速最高也只到10m/s，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)氣體和蒸汽的流速卻遠(yuǎn)大于10m/s，某品牌渦街流量計(jì)承諾80m/s的流速仍能保證測(cè)量準(zhǔn)確度，但品質(zhì)欠佳的渦街流量計(jì)在大于40m/s流速時(shí)已產(chǎn)生明顯的“漏脈沖”現(xiàn)象而且流速越高“漏脈沖”越嚴(yán)重，從而出現(xiàn)示值嚴(yán)重偏低的情況。另外，流量計(jì)前后壓差同流速之間的關(guān)系也應(yīng)符合下式：

式中D——管道內(nèi)徑，mm；

Δp——壓力損失，kPa；

qv——體積流量，m3/h；

v——流速，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3。

2 安裝要點(diǎn)分析

2.1 差壓流量計(jì)的安裝

用差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量，為保護(hù)差壓變送器的高低壓室，通常設(shè)置兩個(gè)冷凝罐，兩個(gè)冷凝罐內(nèi)液位高度相等是壓差信號(hào)不失真?zhèn)鬟f的關(guān)鍵。如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)冷凝罐是冷的，罐的上部必定不是蒸汽，造成這種情況的原因有多種，如：導(dǎo)壓管堵、根部閥堵、溢流口高度比取壓口低、在取壓口和冷凝罐之間存在液封等。不管是哪種原因，都將使差壓變送器接收到的壓差與節(jié)流件送出的壓差信號(hào)不相等，進(jìn)而引起流量測(cè)量誤差。如圖1所示，改造前到正壓冷凝罐的引壓管由于安裝坡度不合理形成U形水封，這段管內(nèi)的冷凝水不能靠重力流回母管，從而造成流量示值偏低。配置和安裝合理的壓差裝置后，蒸汽從母管經(jīng)導(dǎo)壓管流入冷凝罐，放出熱量后變成凝結(jié)水，罐中液位高于溢流口后自動(dòng)返回母管，從而保證兩個(gè)罐中的凝結(jié)水液位相等。

a. 改造前

b. 改造后

2.2 渦街流量計(jì)的安裝

渦街流量計(jì)經(jīng)常與調(diào)節(jié)閥安裝在同一根管道上以控制流量或壓力。如圖2所示，來自鍋爐的蒸汽總管經(jīng)壓力控制回路調(diào)節(jié)后進(jìn)入蒸汽分氣缸并根據(jù)用戶負(fù)荷測(cè)量總蒸汽用量，分氣缸分配到各用汽設(shè)備或裝置，同樣安裝有壓力或流量調(diào)節(jié)控制回路。

圖2 蒸汽分配計(jì)量控制示意圖

儀表控制過程中，會(huì)受到儀表元件疲勞及裝置運(yùn)行狀態(tài)突變等多種因素的影響，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥運(yùn)行時(shí)發(fā)生振蕩。這就很可能會(huì)造成分表之和與總表示值的異常偏差。用戶應(yīng)分析振蕩產(chǎn)生的原因，糾正其產(chǎn)生的條件并時(shí)常關(guān)注調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[2]。

3 維護(hù)管理

測(cè)量蒸汽的儀表都有其局限性，流量儀表進(jìn)行蒸汽測(cè)量時(shí)，都是指理論上單相的飽和蒸汽或過熱蒸汽介質(zhì)。但蒸汽狀態(tài)在不同的條件下會(huì)發(fā)生變化，過熱蒸汽可能變?yōu)轱柡驼羝?，飽和蒸汽又可能因?yàn)榻?jīng)過長距離輸送、保溫欠佳及疏水措施不到位等多種原因夾帶冷凝水，類似這樣的狀況下，流量計(jì)是不能做出精確測(cè)量的。解決這種問題通?？蓮?個(gè)方面考慮：蒸汽流量儀表不要安裝在整套管路的低處，以保障被測(cè)介質(zhì)的品質(zhì)；完善主副蒸汽管道的保溫措施，減少管道冷凝水的產(chǎn)生和相應(yīng)的壓力損失；創(chuàng)造合適的安裝條件，便于將來儀表的維護(hù)保養(yǎng)；根據(jù)蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)置疏水閥安裝位置，一般情況下，每30～50m安裝一組疏水閥是比較規(guī)范的布置，同時(shí)加強(qiáng)疏水閥的管理和保養(yǎng)。

另外，涉及貿(mào)易結(jié)算或需要計(jì)費(fèi)的應(yīng)用場(chǎng)合，則要做好趨勢(shì)記錄和定期備份以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)了解用戶在不同時(shí)段的用汽情況，同時(shí)要防止意外斷電導(dǎo)致儀表不計(jì)量的情況發(fā)生，必要時(shí)流量積算儀的趨勢(shì)數(shù)據(jù)、記錄和電源可派專人管理。

4 結(jié)束語

通過對(duì)孔板、V錐和渦街流量計(jì)的分析來看，蒸汽質(zhì)量流量用差壓流量計(jì)和渦街流量計(jì)測(cè)量都能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，都能滿足GB 17167-2006的要求。為保證蒸汽的正確計(jì)量，用戶應(yīng)注意選擇量程比比較大的流量計(jì)以避免在下限工作時(shí)讀數(shù)偏低甚至為零的情況；流量計(jì)規(guī)范的安裝非常關(guān)鍵，微小的細(xì)節(jié)就可以避免投運(yùn)后出現(xiàn)的很多問題。另外，為流量計(jì)配上一體化的溫壓補(bǔ)償系統(tǒng)，既可以減少安裝工作量并降低安裝成本，也避免了因此帶來的附加誤差。

[1] 沈新建，翟小金，王高甫，等.對(duì)V形錐流量計(jì)的再認(rèn)識(shí)[J].自動(dòng)化儀表，2014，35(5)：88～90.

[2] 譚增顯，紀(jì)綱.減壓閥振蕩對(duì)渦街流量計(jì)的影響[J].自動(dòng)化儀表，2009，30(9)：74～76.