關(guān)口蒸汽計量表的設(shè)計選型

楊衛(wèi)東，紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1. 中國石油化工股份有限公司 齊魯分公司，山東 淄博 255400；2. 上海同欣自動化儀表有限公司,上海 200070)

蒸汽是最重要的二次能源。在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活等各個方面應(yīng)用非常廣泛。在蒸汽供熱網(wǎng)中熱源廠以蒸汽為熱媒，依靠蒸汽自身的壓力，經(jīng)管道將熱能輸送到用戶處，無需另增機(jī)泵，既環(huán)保又方便。在蒸汽供熱網(wǎng)中，管網(wǎng)始端總是裝有用以計量的蒸汽總表，該儀表是蒸汽供熱網(wǎng)計量管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、企業(yè)經(jīng)營管理以及設(shè)備管理的基礎(chǔ)，在供熱網(wǎng)中具有十分重要的作用。

對于蒸汽流量測量系統(tǒng)的設(shè)計選型，自控設(shè)計人員一般都不陌生。這是因?yàn)檎羝鳛槎文茉矗粌H在供熱行業(yè)，而且在石油、石化、化工、鋼鐵、電力、紡織、輕工等行業(yè)，使用得也非常普遍。但在為數(shù)眾多的蒸汽流量計中，用作關(guān)口計量的蒸汽流量計，具有特殊的意義。作為關(guān)口計量使用的蒸汽流量計，除了必須具備普通蒸汽流量計的一般性能之外，還必須滿足關(guān)口計量的特殊要求，這是由關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)的特殊性所決定的。

1 關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)的特殊性

關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)具有其固有的特殊性，如果不注意這些特殊性，將其視作普通流量測量系統(tǒng)，會對系統(tǒng)后期穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。

1)管徑大，成本高。關(guān)口蒸汽計量表一般管徑都很大，儀表費(fèi)用很高，占比整個熱網(wǎng)成本的66%以上，對整個熱網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。因此，該儀表得到供需雙方的特別關(guān)注。為了維護(hù)供需雙方的利益，大多數(shù)關(guān)口蒸汽計量表都是供需雙方各裝一套，并在雙方協(xié)議中確定以某一套計量結(jié)果作為結(jié)算依據(jù)，另一套作為監(jiān)督手段。

2)流量測量準(zhǔn)確度的要求。GB 17167—2006《能源計量器具配備和管理通則》規(guī)定了能源計量器具的準(zhǔn)確度要求。對于蒸汽流量測量系統(tǒng)，要求準(zhǔn)確度做到2.5級，其實(shí)這是最低要求。如果只能做到±2.5%的準(zhǔn)確度，則無法滿足供需雙方計量要求。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前流量測量的準(zhǔn)確度已大幅提高[1-2]。

3)介質(zhì)壓力和溫度等級范圍寬廣。不同的用戶對蒸汽的壓力和溫度等級的要求各不相同。一般情況下，壓力等級有低壓、中壓、高壓，溫度范圍在100～560 ℃。供方所供蒸汽的品質(zhì)，最低壓力不能低于需方所要求的最低壓力，最低溫度不能低于需方所要求的最低溫度。

4)流量計的可靠性要求高。關(guān)口蒸汽計量表是蒸汽供熱網(wǎng)中最重要的計量儀表，要求其具有高度的可靠性，否則會影響整個管網(wǎng)的計量。一旦發(fā)生故障要求做到不停汽修復(fù)，這是因?yàn)榭偙硐掠斡斜姸嗟挠脩羲鶎?yīng)的分表，一旦停汽必將對眾多用戶造成影響，帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)l(fā)事故。

5)流量計需經(jīng)計量檢定合格取得證書。關(guān)口蒸汽計量表絕大多數(shù)用于貿(mào)易交接計量，因此需按國家的相關(guān)規(guī)定實(shí)行計量檢定，或供需雙方約定進(jìn)行計量校準(zhǔn)。該儀表檢定不僅要滿足首檢的需要，而且要滿足周期檢定的需要，只有檢定(校準(zhǔn))合格才能用于貿(mào)易交接計量。

6)經(jīng)濟(jì)性原則。關(guān)口蒸汽計量表由于管徑較大，所以投資相應(yīng)較大。業(yè)主單位追求的首先是安全、準(zhǔn)確、可靠和檢定方便，在滿足這些要求的基礎(chǔ)上，再考慮經(jīng)濟(jì)問題。

2 關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)設(shè)計與選型

2.1 蒸汽流量計的一般選型

用于測量蒸汽質(zhì)量流量的流量計有幾十種，例如標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計、非標(biāo)差壓流量計、渦街流量計、均速管流量計、超聲流量計、科氏力質(zhì)量流量計等。每一種流量計都有其一定的優(yōu)勢，滿足特定的測量需求，但同時也存在一定的局限性。因此在設(shè)計選型時，需要根據(jù)測量任務(wù)的需要和具體特點(diǎn)，選擇最適合的流量計。

對于蒸汽貿(mào)易交接用途的流量計選型，在幾十年的實(shí)踐中，通常使用較廣泛的是差壓式流量計和渦街流量計，兩種流量計在各種不同通徑的蒸汽流量計量中，平分秋色，而且具有鮮明的行業(yè)特點(diǎn)。例如： 在石化行業(yè)和電力行業(yè)，普遍采用的是標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計，對于關(guān)口蒸汽計量表來說更是如此。

下面就以渦街流量計和差壓流量計用作關(guān)口蒸汽計量的設(shè)計選型作一比較，以便針對計量對象的具體要求和實(shí)際條件做合理選型。

2.2 儀表范圍度與準(zhǔn)確度的關(guān)系

2.2.1 渦街流量計的范圍度與準(zhǔn)確度

渦街流量計具有范圍度寬的特點(diǎn)。在用于測量蒸汽流量時，一些制造廠商宣傳的范圍度可以做到40倍，但對其所提供的資料進(jìn)行具體分析時，也只有一部分中小通徑的儀表，在流體壓力較高時，理論范圍度能夠達(dá)到40倍[3-4]，而作為關(guān)口蒸汽計量使用的大通徑儀表，范圍度要小得多。例如DY300型DN300渦街流量計，在用來測量表壓為p=1.0 MPa的飽和蒸汽時，理論范圍度為24倍。不同通徑的DY型渦街流量計，在不同壓力條件下測量飽和蒸汽時的理論范圍度見表1所列。

表1 不同通徑的DY型渦街流量計在不同壓力下測量飽和蒸汽時的理論范圍度

流體理論范圍度是指保證準(zhǔn)確度的最高流速與最低流速之比。對于DY型儀表，制造廠商承諾的最高流體流速為80 m/s，對于范圍度為24的規(guī)格，最低流體流速為3.33 m/s，當(dāng)流體流速v<3.33 m/s 時，因?yàn)槔字Z數(shù)太低而準(zhǔn)確度不能保證，當(dāng)v>80 m/s時，則因超流速引起的“漏脈沖”現(xiàn)象，將使儀表示值嚴(yán)重偏低[4]。

在設(shè)計選型中，還要注意能得到的實(shí)際范圍度R與理論范圍度的關(guān)系。如上所述，對于DY系列渦街流量計而言，理論范圍度是以最高流速80 m/s為基礎(chǔ)的，如果安裝某臺渦街流量計的具體測量點(diǎn)介質(zhì)最高流速只有40 m/s，能獲得的實(shí)際范圍度則只有12。在蒸汽供熱網(wǎng)的設(shè)計規(guī)范中，低壓蒸汽管的推薦流速有： 公標(biāo)直徑大于DN200的管道過熱蒸汽流速為80 m/s；公標(biāo)直徑大于DN200的管道飽和蒸汽流速為60 m/s。具體設(shè)計時，還需要考慮擴(kuò)產(chǎn)等因素，實(shí)際選用的流速要比上述流速低一些，而且太高的流速在切斷閥等管件處，將會產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲，污染環(huán)境。

為了提高實(shí)際范圍度，應(yīng)改變根據(jù)管道通徑選定渦街流量計的方法，采用最大流量選定渦街流量計的方法。

設(shè)計舉例： 某DN400蒸汽總管，工藝設(shè)計參數(shù)為表壓p=1.0 MPa，qmmax=90 t/h飽和蒸汽，根據(jù)制造廠產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)選DY300型，保證準(zhǔn)確度的流量范圍： 4 012～97 367 kg/h[3]，實(shí)際范圍度R=90 000÷4 012=22。但是如果選DY400型，因保證準(zhǔn)確度的最小流量增大為8 002 kg/h，所以范圍度降為11。

不同品牌的渦街流量計，其理論范圍度各不相同[4]，有的品牌渦街流量計技術(shù)比較落后，測量管內(nèi)流速大于40 m/s，示值就會因“漏脈沖”而嚴(yán)重偏低[4-5]，所以設(shè)計選型前應(yīng)做充分的調(diào)查研究工作。

實(shí)踐證明，對于理論范圍度大的渦街流量計，按照最大流量選定儀表通徑，一般可使儀表通徑比管道通徑小一檔，這樣，不僅可提高實(shí)際范圍度，而且可以節(jié)省一筆可觀的投資。

關(guān)于渦街流量計的準(zhǔn)確度，橫河公司的DY型渦街流量計，為液體、氣體和蒸汽介質(zhì)規(guī)定了不同的指標(biāo)： 液體流量為±0.75%R，氣體、蒸汽流量為±1.0%R(v≤35 m/s)，±1.5%R(v>35 m/s)。測量氣體和蒸汽流量時能夠得到的準(zhǔn)確度要比測量液體時低一些，因?yàn)闇y量氣體和蒸汽時，存在氣體可膨脹性影響[6]，而測量液體時，由于液體是不可壓縮流體，所以不存在氣體膨脹性影響。

早期的渦街流量計，制造廠商均表示其流量系數(shù)不受流體的溫度、壓力、密度、黏度等物性的影響，只要雷諾數(shù)在規(guī)定的范圍之內(nèi)，用液體標(biāo)定得到的流量系數(shù)完全適用于蒸汽。所以有的品牌的渦街流量計，只給出一個準(zhǔn)確度指標(biāo)，例如±1.0%R，有的甚至是±0.5%R，而實(shí)際上測量氣體和蒸汽時是做不到的，因此在設(shè)計選型時應(yīng)當(dāng)注意。

在以渦街流量計為核心組成的蒸汽流量測量系統(tǒng)中，還需配置蒸汽密度測量手段和流量演算器，該系統(tǒng)的組成如圖1所示，這幾個部分組成大約引入0.3%的不確定度。

圖1 蒸汽流量測量系統(tǒng)組成示意

2.2.2 差壓流量計的范圍度與準(zhǔn)確度

差壓流量計由差壓裝置、差壓變送器、流量演算器和其他輔助裝置組成，ISO 5167標(biāo)準(zhǔn)中所列的標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置包括： 標(biāo)準(zhǔn)孔板； 噴嘴，包括ISA1932噴嘴和長徑噴嘴；文丘里管。

這幾種差壓裝置各有優(yōu)點(diǎn)，在關(guān)口蒸汽流量測量中都是不可或缺的。其中，標(biāo)準(zhǔn)孔板的不確定度最優(yōu)，可達(dá)0.5%；ISA1932噴嘴不確定度可達(dá)0.8%；長徑噴嘴不確定度為2.0%；而文丘里管隨收縮段加工方法的不同，不確定度有0.75%，1.0%和1.5%三種[7-8]。

用標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計測量蒸汽質(zhì)量流量時，該測量系統(tǒng)不確定度δqm/qm不僅取決于差壓裝置不確定度，還與可膨脹性系數(shù)不確定度、管道內(nèi)徑不確定度、節(jié)流件開孔直徑不確定度、差壓測量不確定度和流體密度不確定度有關(guān)。6個不確定度，對δqm/qm所起作用的大小各不相同，而且在量程的不同區(qū)間，起決定作用的因子也不相同。在上述3種差壓裝置中，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計能得到的不確定度最小。圖2所示為單量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量氣體流量，相對流量在不同的區(qū)段能獲得的不確定度曲線[9]。其中在量程高段，起決定作用的是差壓裝置。目前的差壓測量儀表，準(zhǔn)確度已經(jīng)非常高，使用者普遍選用0.055級差壓變送器，在量程高段，差壓不確定度可忽略不計；但是在量程低段，由于相對差壓很小，而差壓變送器的準(zhǔn)確度等級是采用引用誤差表示的，這時雖然差壓變送器仍然是0.055級，但是根據(jù)引用誤差計算得到的不確定度卻增加了很多倍，所以對δqm/qm起決定作用的是差壓不確定度。圖3所示為雙量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量氣體流量的不確定度曲線[9]。

圖2 單量程孔板流量計不確定度曲線示意

從圖2可知，智能單量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，在10倍范圍度范圍內(nèi)，δqm/qm優(yōu)于1.0%。從圖3可知，智能雙量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，在33倍范圍度范圍內(nèi)，δqm/qm優(yōu)于1.0%[9]。

圖3 雙量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計不確定度曲線示意

噴嘴流量計和文丘里管流量計，由于差壓裝置不確定度都比標(biāo)準(zhǔn)孔板大，所以δqm/qm均劣于1.0%。由于該原因，凡是采用標(biāo)準(zhǔn)孔板不存在明顯問題的測量點(diǎn)，建議均采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，該測量方案不但準(zhǔn)確度高而且節(jié)省投資。

2.3 流量計溫度壓力等級的設(shè)計

流量計的溫度壓力等級設(shè)計，是流量測量系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。如果選定的溫度等級偏低，則易造成儀表的損壞；如果壓力等級選擇不合適，則易帶來安全隱患。與之相反，如果溫度壓力等級選得太高，則導(dǎo)致投資增加，造成浪費(fèi)。

各種品牌的渦街流量計，制造廠商一般都能提供4 MPa和6.3 MPa壓力等級產(chǎn)品，滿足中低壓蒸汽流量測量的需要。在設(shè)計選型時應(yīng)根據(jù)法蘭的材質(zhì)和介質(zhì)的最高溫度，按照GB/T 9124—2010《鋼制管法蘭技術(shù)條件》的規(guī)定核驗(yàn)具體可用壓力，該壓力必須高于介質(zhì)的最高壓力。例如材質(zhì)為316 L的PN6.3法蘭，介質(zhì)溫度為350 ℃，最高工作壓力只能達(dá)到3.91 MPa[10]。如果制造廠商提供的標(biāo)配壓力等級不能滿足使用要求，則可與制造廠商協(xié)商，作特殊規(guī)格定貨。如果制造廠商經(jīng)過努力還是滿足不了要求，只能改選其他品牌或其他類型的儀表。

渦街流量計的溫度等級也很有講究。例如一體式渦街流量計最高適用溫度為150 ℃；分體式渦街流量計最高適用溫度為260 ℃；高于260 ℃的對象只能選用高溫型渦街流量計，而高溫型的最高溫度，不同品牌也有很大差異。

標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置的種類多，能滿足各種溫度壓力等級的要求。中低壓測量對象，大多選標(biāo)準(zhǔn)孔板，安裝時，有時為了減少泄漏點(diǎn)，采用焊接方法連接；對于高溫高壓對象，往往選長徑噴嘴或文丘里管。除了差壓裝置類型之外，更重要的是選擇合適的材質(zhì)、法蘭型式以及密封墊類型。常用的耐熱鋼有15CrMo，12CrMoV，超高溫的可采用P91材質(zhì)等，需與制造廠商協(xié)商并簽訂技術(shù)協(xié)議。對于高溫高壓差壓裝置，還要履行國家安監(jiān)部門逐臺監(jiān)檢和認(rèn)可的手續(xù)，以保證安全。

2.4 關(guān)口蒸汽計量表的可靠性設(shè)計

由于關(guān)口蒸汽計量表要求不停汽修復(fù)，為了滿足該要求，在設(shè)計時必須有切實(shí)可行而且有效的措施，例如多數(shù)品牌渦街流量計的探頭都是設(shè)置在測量管內(nèi)，而探頭又容易損壞，一旦損壞就須停汽才能更換；有些品牌的渦街流量計，旋渦發(fā)生體是采用旋臂梁結(jié)構(gòu)安裝在測量管內(nèi)，其自由端與支座之間的縫隙一旦有固體顆粒進(jìn)入，就因自由端無法擺動而導(dǎo)致靈敏度喪失，也必須停汽才能清除固體顆粒或更換發(fā)生體。因此，制造廠商也需要反復(fù)分析研究才能找到合適的解決方案。例如： 科隆公司采用雙測量系統(tǒng)冗余方法，當(dāng)在役系統(tǒng)故障后，備用系統(tǒng)自動切入，所以可靠性大幅提高；還有的制造廠商將探頭設(shè)置在測量管殼體外壁，做到完全不停汽更換探頭。

在不停汽修復(fù)方面，標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計具有絕對優(yōu)勢。因?yàn)樵擃悆x表只有差壓裝置與介質(zhì)接觸，差壓裝置與后續(xù)儀表之間經(jīng)根部閥連接，只要將根部閥關(guān)閉，便可對后續(xù)儀表進(jìn)行維修或更換，而管道內(nèi)的節(jié)流件不會損壞，因此，可靠性非常高。

在差壓流量計使用現(xiàn)場，有時會發(fā)生根部閥堵塞等故障，影響測量，解決該問題的常用方法是設(shè)置兩組差壓信號取壓口，一旦一組出問題，則可換用另一組取壓口。

2.5 計量檢定的方法比較

在實(shí)現(xiàn)計量檢定的方法上，標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計具有顯著優(yōu)勢。因?yàn)樵摿髁坑嬛灰碔SO 5167： 2003Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull(E)，GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造、檢驗(yàn)、安裝和使用，無需實(shí)流標(biāo)定就能保證準(zhǔn)確度[7-11]。而渦街流量計必須經(jīng)過實(shí)流檢定才能保證準(zhǔn)確度。標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計免除了實(shí)流檢定工作，為用戶帶來了兩方面的好處： 一是節(jié)約開支，關(guān)口表一般通徑都比較大，實(shí)流檢定需要費(fèi)用較高；二是帶來了方便，有些計量檢定機(jī)構(gòu)可以提供上門服務(wù)，申請周期檢定的單位，在約定的日期將差壓裝置拆下清洗，然后請檢定人員檢定，檢定完后一般當(dāng)天就可裝回原處，因此節(jié)約了人工和成本。

2.6 流量計公稱通徑的設(shè)計

渦街流量計的最大通徑，國外品牌為DN400，是因?yàn)橥◤教髸r，分辨力太低。標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計具有寬廣的通徑范圍可供選用，其中： 標(biāo)準(zhǔn)孔板為DN50～DN1 000；ISA1932噴嘴為DN50～DN500；長徑噴嘴為DN50～DN630；文丘里管為DN50～DN1 200。如果超出上述范圍，可以制造，但需經(jīng)實(shí)流標(biāo)定才能保證準(zhǔn)確度。

2.7 經(jīng)濟(jì)性的差異

通徑較小的渦街流量計，價格比標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計低一些。但隨著公稱通徑的增大，渦街流量計價格快速增加，尤其是介質(zhì)溫度高于260 ℃后，渦街流量計需選用高溫型，整套流量計的價格要比標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計高得多。

2.8 差壓流量計差壓信號管引向問題

差壓式流量計用來測量蒸汽流量時，差壓信號的引向?qū)ΡＷC流量測量準(zhǔn)確度至關(guān)重要，因?yàn)椴缓侠淼囊蛉菀滓鸩顗盒盘杺鬟f失真，最終引起很大的示值誤差[4]。

蒸汽管道有水平敷設(shè)和垂直敷設(shè)兩種，當(dāng)采用水平敷設(shè)時，差壓信號管應(yīng)從水平方向引出[8]。在使用現(xiàn)場有的差壓信號從水平線向上45°方向引出，導(dǎo)致發(fā)生很多問題[4]。圖4所示為BS ISO 2186： 2007Fluidflowinclosedconduits-connectionsforpressuresignaltransmissionsbetweenprimaryandsecondaryelements推薦的引出方向[12]。從圖4可看出，2臺根部閥的手柄均放置在水平方向，這樣的設(shè)計對消除冷凝罐前導(dǎo)壓管內(nèi)由汽液交換引起的差壓值脈動有重要作用。

圖4 BS ISO2186： 2007 標(biāo)準(zhǔn)推薦的差壓信號引出方位示意

3 結(jié)束語

關(guān)口蒸汽計量是蒸汽供熱網(wǎng)計量管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、經(jīng)營管理以及設(shè)備管理的技術(shù)基礎(chǔ)，在蒸汽供熱網(wǎng)中具有非常重要的作用。關(guān)口蒸汽計量表絕大多數(shù)選用差壓式流量計和渦街流量計。渦街流量計具有范圍度寬的優(yōu)點(diǎn)，關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)中使用渦街流量計，大多通徑較大，測量中低壓蒸汽流量時，如果設(shè)計合理，實(shí)際范圍度一般可達(dá)20倍，流量系統(tǒng)不確定度可達(dá)1.3%(v≤35 m/s)～1.8%(v>35 m/s)。

智能化標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，單量程配置范圍度可達(dá)10倍；雙量程配置，范圍度可達(dá)33倍。流量系數(shù)不確定度可達(dá)1.0%，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和文丘里管，系統(tǒng)不確定度要大一些。

蒸汽的溫度壓力等級有好幾檔，對于流量計選型時，必須全部滿足要求，其中法蘭的壓力等級初步選定之后，應(yīng)根據(jù)法蘭材質(zhì)和介質(zhì)的最高溫度，按國家標(biāo)準(zhǔn)核驗(yàn)具體可用工作壓力，該壓力必須高于介質(zhì)的最高壓力。

關(guān)口蒸汽計量要求具有高可靠性。安裝在蒸汽管道上的流量計一旦發(fā)生故障，要求做到不停汽維修。選用雙探頭渦街流量計和為差壓裝置配備2對差壓信號取壓口，都是很成功的經(jīng)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置可采用幾何法進(jìn)行檢定，不僅可節(jié)約開支而且為用戶帶來很多方便。