關於氣體流量計（jì）測量原理及常見誤差（chà）分析
點（diǎn）擊次數：3558 發布時間：2021-03-19 08:11:52
摘要 : 隨著生（shēng）產及運維（wéi）對測量精度要求（qiú）日益提高，蒸汽流量測量（liàng）方法及誤差分析得到了越來（lái）越多的學者關注。本文擬對幾種火（huǒ）電廠常用（yòng）流量測（cè）量方法展開（kāi）對比分析，並就常見儀表誤差進行簡要分析（xī），旨為更好地滿足現場實際測量需要。
1 研究（jiū）背景
蒸汽，作為火電廠*重（chóng）要的二次能源之一，其流量測量對於節（jiē）能（néng）降耗，降低運（yùn）營成本，提高經（jīng）濟效益具有重要意義--但其測量（liàng）受到諸多因素限製、影響，如介質特性、儀表選型、現場安裝等，大大增加了測量難度。隨著生產及運維對測量精度的要（yào）求日益提高，蒸汽流量測（cè）量方法的選擇及誤差分析得到了（le）越來越多的學者關注。
蒸汽分為過（guò）熱蒸汽和飽和蒸汽。飽（bǎo）和狀態（tài）下的液體稱為飽和液體，其對（duì）應的蒸汽是飽和蒸汽，但*初隻是濕飽和蒸汽（qì），待（dài）蒸汽中的水分完全蒸發後才是幹飽和蒸汽。蒸汽從不飽和（hé）到濕飽（bǎo）和再到幹飽和的過程溫度是不增加的，幹飽和之後繼續加熱則（zé）溫度會上升，成（chéng）為過熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不（bú）同，因而測量質量（liàng）流量時要溫壓補償 ；對於飽和蒸汽，其溫度與（yǔ）密度有一一對應關係，一（yī）般隻需（xū）進行（háng）壓力補償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇（zé）蒸汽流（liú）量測量儀表應考慮 5 個主要因（yīn）素，即被（bèi）測流體特性、安裝條（tiáo）件、環境條件、儀表性能及維護需求。此外，在實際工程應（yīng）用中，儀表的選擇還應綜合考慮以（yǐ）下問題 ：
（1）測量目的 ：如商貿結算和儲運測（cè）量對準確度要求較高，而過（guò）程控製連（lián）續監測一（yī）般要求（qiú）有良好（hǎo）的可靠性及重（chóng）複性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對（duì）於大口徑管路測量，壓力損失會直接影（yǐng）響能量消耗。
通過上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔（kǒng）板流量計或氣體流量計較為理想。
孔板流量計是依據在已知有（yǒu）關參數的條件下，根據流動連續性原（yuán）理和伯（bó）努利方（fāng）程可以推導出差壓與流量之間的關係而求得流量（liàng）。它具有如下優點 ：①應用*為廣泛，全（quán）部（bù）單（dān）相流體均可使用 ；②結構（gòu）易於複製，簡單、牢固、性能穩定可靠，價格低廉 ；③檢測件（jiàn）（特別是標準（zhǔn）型）為全**通用，並得到了國際標準化組織和國際計量組（zǔ）織（zhī）的認可 ；④無需個別校準即可投用 ；⑤同原（yuán）理儀表（biǎo）擴展類型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有一定（dìng）局限性 ：①由於眾多因素的影響錯綜複（fù）雜，精確度難於大幅度提（tí）高 ；②受限於流量係數與雷諾數，一般儀表量程（chéng）比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有（yǒu）較長的直管段長度要求 ；④壓力損失（shī）大 ；⑤長期使用精度（dù）難（nán）以保證，需要定（dìng）期維護、檢修維護（hù）量（liàng）大。
氣體流量計是利用卡曼渦街原理（lǐ），即流體在管（guǎn）道中經過渦街流量（liàng）變送器（qì）時，在三角柱的旋渦發生體後上下交替產生正比於流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發（fā）生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關。它具有如（rú）下優點 ：①適用（yòng）流體種類多，液、氣（qì）、蒸汽及部分混相流（liú）皆可（kě）應（yīng）用 ；②在一定雷諾數範圍內，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質中校準，用於（yú）各種介質 ；③結構（gòu）簡單牢固（gù）、無可動部件，安裝方便，運維可靠 ；④準確度較（jiào）高，無零（líng）點漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義（yì） ；⑥性價比較（jiào）高。但其測量也具有一定局（jú）限性 ：①不適於低雷諾係數測量 ；②管道（dào）內流速分布應為充分發展（zhǎn）流，被（bèi）測管道上、下遊直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表係數較低，口徑越大越低，適用於中、小口徑測量 ；④不適用於振動大或脈動流（liú）工況。
3 常見誤（wù）差分析
常見誤差來源（yuán）主要分為以下（xià）幾點。
（1）參數調整或量（liàng）程選擇有誤
如（rú）儀表量程小於（yú）實際（jì）參數，不僅無法正（zhèng）常量，且長時間故障運行可能會導致儀表無法恢複的機械損傷 ；若儀表量程遠大於實際參（cān）數（shù），測量結果無法滿足精度要求--故合理選擇儀表量（liàng）程（chéng）是（shì）精（jīng）準測（cè）量的基礎（chǔ）。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻（kè）度的 95% ；正常流量為滿刻度（dù）的 70% ～ 85% ；*小流量不小於滿刻度的 30%。此外，DCS 側量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具（jù）備溫壓補償功能
氣體流量計與測量介質（zhì）無（wú）關是指其體積流量不受溫度、壓力變（biàn）化影響，但（dàn）如需計量被測介（jiè）質的質量或標準狀態下體積，就需判別蒸汽狀態並測量實時（shí）壓力、溫度等熱工狀態參數，即在蒸汽工況（kuàng）偏離設計（jì）工況時，將蒸汽的（de）密度對測量結果的（de）影響予以修（xiū）正 ；如儀表不具備溫壓補償功能，數據處理不當將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿足儀表要求
流體特性直（zhí）接影（yǐng）響測（cè）量結果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考（kǎo）慮（lǜ）因素有儀表的流動方向，上下遊管道（dào）狀況，閥門位置，防（fáng）護性輔助（zhù）設備，非（fēi）定長流（如脈動流）情況，電氣幹擾和維護空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管（guǎn）段要求--上遊 ：5 ～ 80 倍工藝（yì）管道直徑，下（xià）遊 ：2 ～ 8 倍工藝（yì）管道直徑 ；氣體流量計直（zhí）管段要求（qiú）--上遊 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導直（zhí）器時，上遊直段長度 12D），下遊 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安（ān）裝不當或儀表（biǎo）工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道（dào）與工藝（yì）管道同軸，安裝法蘭墊子時要注意不要（yào）凸出管內徑 ；安裝時還應盡可能的減（jiǎn）小因被測介（jiè）質脈動引（yǐn）起的內部震動及因（yīn）動力引起的外部震動。
（5）蒸汽（qì）相變產生的（de）附加誤差
隨著工況（kuàng）（壓力、溫度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀態進入飽和狀態，此時如仍按過熱蒸汽規律進行密度計算將（jiāng）會帶來附加誤差。而飽和蒸（zhēng）汽在管道傳輸（shū）過長中，由（yóu）於散熱而溫度降低，壓（yā）力下降，很難保證蒸汽幹度，出現凝（níng）結水的密（mì）度遠（yuǎn）大於蒸（zhēng）汽 ；同時，當管道保溫良好，流（liú）動阻力損（sǔn）失很大時（shí）（管道上有開度很（hěn）小的閥門，減（jiǎn）壓裝置等），飽和蒸汽很可能會由於壓力急劇降低而變成過熱蒸汽（熱力學上的絕熱節流效應），上述情況都可能引起蒸汽（qì）密度變化（huà），從而產生誤差。
4 總結
通過綜合對比，筆者推薦蒸（zhēng）汽流（liú）量（liàng）測量采用孔板（bǎn）流量計及氣體流量計進行（háng）測量（liàng），進而又對其適用工況及優缺點等展開對比分析，並就常見儀表誤差進行簡（jiǎn）要分析，旨（zhǐ）為更好地滿足現（xiàn）場實際測量需要。
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1 研究（jiū）背景
蒸汽，作為火電廠*重（chóng）要的二次能源之一，其流量測量對於節（jiē）能（néng）降耗，降低運（yùn）營成本，提高經（jīng）濟效益具有重要意義--但其測量（liàng）受到諸多因素限製、影響，如介質特性、儀表選型、現場安裝等，大大增加了測量難度。隨著生產及運維對測量精度的要（yào）求日益提高，蒸汽流量測（cè）量方法的選擇及誤差分析得到了（le）越來越多的學者關注。
蒸汽分為過（guò）熱蒸汽和飽和蒸汽。飽（bǎo）和狀態（tài）下的液體稱為飽和液體，其對（duì）應的蒸汽是飽和蒸汽，但*初隻是濕飽和蒸汽（qì），待（dài）蒸汽中的水分完全蒸發後才是幹飽和蒸汽。蒸汽從不飽和（hé）到濕飽（bǎo）和再到幹飽和的過程溫度是不增加的，幹飽和之後繼續加熱則（zé）溫度會上升，成（chéng）為過熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不（bú）同，因而測量質量（liàng）流量時要溫壓補償 ；對於飽和蒸汽，其溫度與（yǔ）密度有一一對應關係，一（yī）般隻需（xū）進行（háng）壓力補償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇（zé）蒸汽流（liú）量測量儀表應考慮 5 個主要因（yīn）素，即被（bèi）測流體特性、安裝條（tiáo）件、環境條件、儀表性能及維護需求。此外，在實際工程應（yīng）用中，儀表的選擇還應綜合考慮以（yǐ）下問題 ：
（1）測量目的 ：如商貿結算和儲運測（cè）量對準確度要求較高，而過（guò）程控製連（lián）續監測一（yī）般要求（qiú）有良好（hǎo）的可靠性及重（chóng）複性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對（duì）於大口徑管路測量，壓力損失會直接影（yǐng）響能量消耗。
通過上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔（kǒng）板流量計或氣體流量計較為理想。
孔板流量計是依據在已知有（yǒu）關參數的條件下，根據流動連續性原（yuán）理和伯（bó）努利方（fāng）程可以推導出差壓與流量之間的關係而求得流量（liàng）。它具有如下優點 ：①應用*為廣泛，全（quán）部（bù）單（dān）相流體均可使用 ；②結構（gòu）易於複製，簡單、牢固、性能穩定可靠，價格低廉 ；③檢測件（jiàn）（特別是標準（zhǔn）型）為全**通用，並得到了國際標準化組織和國際計量組（zǔ）織（zhī）的認可 ；④無需個別校準即可投用 ；⑤同原（yuán）理儀表（biǎo）擴展類型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有一定（dìng）局限性 ：①由於眾多因素的影響錯綜複（fù）雜，精確度難於大幅度提（tí）高 ；②受限於流量係數與雷諾數，一般儀表量程（chéng）比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有（yǒu）較長的直管段長度要求 ；④壓力損失（shī）大 ；⑤長期使用精度（dù）難（nán）以保證，需要定（dìng）期維護、檢修維護（hù）量（liàng）大。
氣體流量計是利用卡曼渦街原理（lǐ），即流體在管（guǎn）道中經過渦街流量（liàng）變送器（qì）時，在三角柱的旋渦發生體後上下交替產生正比於流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發（fā）生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關。它具有如（rú）下優點 ：①適用（yòng）流體種類多，液、氣（qì）、蒸汽及部分混相流（liú）皆可（kě）應（yīng）用 ；②在一定雷諾數範圍內，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質中校準，用於（yú）各種介質 ；③結構（gòu）簡單牢固（gù）、無可動部件，安裝方便，運維可靠 ；④準確度較（jiào）高，無零（líng）點漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義（yì） ；⑥性價比較（jiào）高。但其測量也具有一定局（jú）限性 ：①不適於低雷諾係數測量 ；②管道（dào）內流速分布應為充分發展（zhǎn）流，被（bèi）測管道上、下遊直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表係數較低，口徑越大越低，適用於中、小口徑測量 ；④不適用於振動大或脈動流（liú）工況。
3 常見誤（wù）差分析
常見誤差來源（yuán）主要分為以下（xià）幾點。
（1）參數調整或量（liàng）程選擇有誤
如（rú）儀表量程小於（yú）實際（jì）參數，不僅無法正（zhèng）常量，且長時間故障運行可能會導致儀表無法恢複的機械損傷 ；若儀表量程遠大於實際參（cān）數（shù），測量結果無法滿足精度要求--故合理選擇儀表量（liàng）程（chéng）是（shì）精（jīng）準測（cè）量的基礎（chǔ）。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻（kè）度的 95% ；正常流量為滿刻度（dù）的 70% ～ 85% ；*小流量不小於滿刻度的 30%。此外，DCS 側量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具（jù）備溫壓補償功能
氣體流量計與測量介質（zhì）無（wú）關是指其體積流量不受溫度、壓力變（biàn）化影響，但（dàn）如需計量被測介（jiè）質的質量或標準狀態下體積，就需判別蒸汽狀態並測量實時（shí）壓力、溫度等熱工狀態參數，即在蒸汽工況（kuàng）偏離設計（jì）工況時，將蒸汽的（de）密度對測量結果的（de）影響予以修（xiū）正 ；如儀表不具備溫壓補償功能，數據處理不當將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿足儀表要求
流體特性直（zhí）接影（yǐng）響測（cè）量結果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考（kǎo）慮（lǜ）因素有儀表的流動方向，上下遊管道（dào）狀況，閥門位置，防（fáng）護性輔助（zhù）設備，非（fēi）定長流（如脈動流）情況，電氣幹擾和維護空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管（guǎn）段要求--上遊 ：5 ～ 80 倍工藝（yì）管道直徑，下（xià）遊 ：2 ～ 8 倍工藝（yì）管道直徑 ；氣體流量計直（zhí）管段要求（qiú）--上遊 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導直（zhí）器時，上遊直段長度 12D），下遊 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安（ān）裝不當或儀表（biǎo）工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道（dào）與工藝（yì）管道同軸，安裝法蘭墊子時要注意不要（yào）凸出管內徑 ；安裝時還應盡可能的減（jiǎn）小因被測介（jiè）質脈動引（yǐn）起的內部震動及因（yīn）動力引起的外部震動。
（5）蒸汽（qì）相變產生的（de）附加誤差
隨著工況（kuàng）（壓力、溫度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀態進入飽和狀態，此時如仍按過熱蒸汽規律進行密度計算將（jiāng）會帶來附加誤差。而飽和蒸（zhēng）汽在管道傳輸（shū）過長中，由（yóu）於散熱而溫度降低，壓（yā）力下降，很難保證蒸汽幹度，出現凝（níng）結水的密（mì）度遠（yuǎn）大於蒸（zhēng）汽 ；同時，當管道保溫良好，流（liú）動阻力損（sǔn）失很大時（shí）（管道上有開度很（hěn）小的閥門，減（jiǎn）壓裝置等），飽和蒸汽很可能會由於壓力急劇降低而變成過熱蒸汽（熱力學上的絕熱節流效應），上述情況都可能引起蒸汽（qì）密度變化（huà），從而產生誤差。
4 總結
通過綜合對比，筆者推薦蒸（zhēng）汽流（liú）量（liàng）測量采用孔板（bǎn）流量計及氣體流量計進行（háng）測量（liàng），進而又對其適用工況及優缺點等展開對比分析，並就常見儀表誤差進行簡（jiǎn）要分析，旨（zhǐ）為更好地滿足現（xiàn）場實際測量需要。
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