蒸汽測量各因素的影響及消除方法

江 波

（九江石化設(shè)計工程有限公司，江西九江 332000）

1 溫度、壓力對蒸汽密度影響及誤差分析

蒸汽流量，尤其是過熱蒸汽的測量，受到溫度、壓力對密度影響較大。理想狀態(tài)下蒸汽壓力能保持恒定[PV=RT，P 為壓力；V 為體積，ρ1為密度，R 為恒量；其中T=（t+273）k，t 攝氏溫度，T 為開爾文溫度，即絕對溫度，單位：K]；實際生產(chǎn)過程中，蒸汽系統(tǒng)用量變化、系統(tǒng)的壓力降和生產(chǎn)工藝的變化均會引起壓力的變化。當(dāng)壓力恒定時，溫度越高密度越小；而當(dāng)溫度恒定時，壓力越高蒸汽密度也越高。溫度、壓力變化對流量測量的影響，歸根結(jié)底是對蒸汽密度的影響，因此掌握蒸汽密度變化對實際測量意義重大。差壓法測量蒸汽流量，受溫度壓力影響較大，有時測量誤差能達到15 %左右，這會對計量工作造成很大的困難。蒸汽計量一直是計量工作中的難點，其不僅受溫度壓力的影響，還受其他一些因素影響，如蒸汽干濕度，蒸汽的跑冒漏滴等。因此，在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮各種因素，在依照規(guī)范的基礎(chǔ)上，避免一些可以避免的因素，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

節(jié)流裝置測量基本方程為：

式中：qm為質(zhì)量流量kg/s；C為流出系數(shù)；β為直徑比（；d為工況下孔板內(nèi)徑，D為工況下上游管道內(nèi)徑）；ε1為可膨脹性系數(shù)；ΔPX為孔板前后差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。

不考慮密度變化的情況下，可以將以上公式簡化為：

在自控設(shè)計過程中，我們可以分別qm設(shè)、ρ設(shè)、ΔP設(shè)表示qm、ρ、ΔP，則：

由于密度變化造成誤差以δ 表示：

假設(shè)差壓一定的情況下經(jīng)過演算：

蒸汽體積一定，因此得出如下：

則誤差為：

根據(jù)九江石化二催3.5 MPa 蒸汽輸入為例，蒸汽管線管徑規(guī)格為273/250；材質(zhì)為15Cr Mo；最大流量為40 t/h；溫度為370～420 ℃，壓力為3.5 MPa；密度為kg/m3；粘度為0.02562 mPa.s；膨脹系數(shù)為13。根據(jù)計算溫度、壓力變化引起密度變化造成的測量誤差見表1。

表1 密度變化造成的測量誤差

2 蒸汽流量測量補償方法

根據(jù)計算結(jié)果，蒸汽介質(zhì)的壓力和溫度偏離設(shè)計值引起密度變化，從而造成流量測量的與實際值不符，根據(jù)上面數(shù)據(jù)，最大測量誤差可能達到12.77 %和-5.51 %，因此在蒸汽測量過程必要增加密度變化補償裝置，圖1為密度補償系統(tǒng)示意圖。

圖1 帶溫壓補償流量測量系統(tǒng)圖

因為密度受溫度和壓力的影響，因此測量過程中為消除密度變化造成的誤差，就必須將溫度和壓力變化考慮進來，根據(jù)：節(jié)流裝置流量測量計算見公式（2）。

其中，T=（t+273）k。

因此，在實際生產(chǎn)過程中，需要測量蒸汽實際壓力和溫度，進行公式（11）運算后才能對測量參數(shù)進行補償，消除因壓力和溫度影響造成的密度變化，進而校正測量結(jié)果，使測量結(jié)果更加逼近真實值。

根據(jù)二催3.5 MPa 蒸汽，設(shè)計壓力P設(shè)=3.8 MPa，設(shè)計溫度t=420 ℃，當(dāng)溫度變化時，實際壓力P實際值=3.3 MPa，實際溫度t=370 ℃，假設(shè)未經(jīng)過溫壓密度補償流量為37 t/h，經(jīng)過密度補償后的流量：

，其中ρ理想可以根據(jù)蒸汽溫度壓力查過熱蒸汽密度表得出對應(yīng)的蒸氣流量如下：

綜上結(jié)果，對蒸汽測量補償可以根據(jù)兩種方法得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)：一種為通過計算公式（11）；另一種為計算公式（12）。但兩種方法原理均是一樣，只是計算方法不一樣。

目前煉油企業(yè)普遍采用的密度補償方法為：測量系統(tǒng)增設(shè)溫度及壓力傳感器，在二次表或DCS 中通過計算獲得校正后的數(shù)據(jù)。雖然能提高蒸汽測量精度，但給安裝、維護造成諸多不便，同時使得測量系統(tǒng)復(fù)雜化，尤其不能進行實時、動態(tài)地溫壓補償。隨著科技的進步人們設(shè)計出一體化的溫壓密度補償智能化節(jié)流裝置，這種智能流量傳感器能直接輸出介質(zhì)溫度、壓力補償后的流量信號，密度補償在一次表中實現(xiàn)，從而使整個測量過程更簡單、更準(zhǔn)確。

3 蒸汽測量其他影響因素及設(shè)計過程中規(guī)避方法

蒸汽計量計選型除了考慮溫壓補償問題，還需考慮其他影響因素。尤其以下一些因素可能對測量結(jié)果造成較大影響，設(shè)計和安裝過程中需引起重視。

3.1 量程比不足

量程比是指一個流量計能確保給定的精度和再現(xiàn)性的范圍內(nèi)，所能測量的最大流量和最小流量之比。但涉及量程比時我們必須小心，因為量程比是基于實際的流速，蒸汽系統(tǒng)一般的最大允許速度為35 m/s，更高的流動速度會引起系統(tǒng)的沖蝕和噪聲。而不同的流量計允許的最低流速是不同的，比如渦街流量計所能測量的最低蒸汽流速為2.8 m/s，對于量程比不足的情況，應(yīng)采用大量程比的流量計或選擇多個流量計并聯(lián)。

3.2 上下游直管段不足

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。如果上下游直管段不足，則會導(dǎo)致流體不能充分延伸造成旋渦和流速分布剖面畸變。流速剖面畸變通常由管道局部阻礙（如閥門）或彎管所造成，而旋渦普遍是由兩個或兩個以上空間彎管所引起的。如果上下游直管段不足的介質(zhì)可以通過安裝流動調(diào)整器來調(diào)整。

3.3 蒸汽干度的影響

目前，用于測量蒸汽流量的流量計大部分為體積流量計，首先測得體積流量，然后通過蒸汽的密度計算質(zhì)量流量，也就是假定蒸汽為完全干燥。但是，蒸汽并非完全干燥，如果不考慮蒸汽干度的影響，得出的數(shù)據(jù)會低于實際的流量。因此流量計的二次儀表（流量積算儀）應(yīng)該具有設(shè)置飽和蒸汽干度的功能。但在實際工況確定蒸汽的干度也很困難。因此，盡量改進蒸汽流量計入口處的蒸汽品質(zhì)，從而改進蒸汽流量計的測量精度。

3.4 管道振動

渦街流量計等對機械振動比較敏感，計量結(jié)果易受干擾，應(yīng)對流量計前后管道作可靠的支撐設(shè)計。如管道振動不可避免，應(yīng)采用抗干擾能力強的差壓式流量計。

3.5 正確地安裝蒸汽流量計

不能正確地安裝儀表同樣會造成測量結(jié)果較大物產(chǎn)誤差。蒸汽計量儀表都須正確安裝，否則就不可能準(zhǔn)確地測量及工作。例如，在鍋爐出蒸汽口附近安裝蒸汽計量儀表，在截止閥或管道彎頭附近及管道的最低處安裝蒸汽計量儀表都屬于不當(dāng)?shù)陌惭b。正確安裝蒸汽流量計量儀表，要做到以下5點。

（1）在所安裝蒸汽儀表前后須留有足夠長的直管段。

（2）蒸汽計量儀表不能安裝在整套管路最低處。

（3）重視冷凝器的安裝。兩個冷凝器應(yīng)處于同一水平上，兩個冷凝器的作用是使導(dǎo)壓管中被測蒸汽冷凝并使正、負導(dǎo)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(yīng)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，防止泄漏。

（4）導(dǎo)壓管長度最好在16 m 內(nèi)，內(nèi)徑宜選用Φ10～16 mm，以防堵塞。導(dǎo)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。

（5）裝測溫元件地方最好在節(jié)流件下游側(cè)10D 以外處，在正壓管上取壓時，如壓力變送器裝在節(jié)流裝置下方，須對壓力變送器的管路液柱值進行修正，以提高計量準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

為準(zhǔn)確測量蒸汽流量，在實際生產(chǎn)過程中需做到：

（1）認(rèn)識蒸汽特點，蒸汽密度受壓力、溫度影響較大，因此在蒸汽測量過程中，要完善溫壓補償。

（2）蒸汽測量在計量工作中是個難點，實際上除了溫度壓力的影響，還有輸送過程中的跑冒滴漏和極小用量（無計量）等，因此在實際計量工作中，加強對計量的監(jiān)察和能源監(jiān)察。蒸汽管道或管道附件泄漏、計量儀表及其附件泄露，量程比，蒸汽干度，管道振動，并做到正確地安裝。不僅造成能源浪費，也能對計量準(zhǔn)確性造成影響。

（3）儀表選型首先根據(jù)具體工藝參數(shù)和流量類型（過熱或飽和），設(shè)計出幾套方案，如選差壓流量計、巴式流量計、渦街流量計，最終從中選取最合適計量儀表。