對使用高溫高壓蒸汽流量計進行蒸汽流量測（cè）量的準確度（dù）問題分析

在我廠熱力管網中，蒸汽（qì）流量（liàng）測量不準確是經（jīng）常出現的問題，而蒸汽流（liú）量的（de）準確計量，多年來一直是儀表人所追求的目標，但（dàn）是由於蒸汽分為（wéi）過熱蒸汽（qì）和飽和蒸汽，其性質的複雜性，目前人們還沒能建立一（yī）個純理論的狀態方程來準確計（jì）量蒸汽。由於蒸汽高溫高壓的特殊性質（zhì），因此能用於流量測量的儀表目前隻能限製在少數種類的流量儀表上，主要有（yǒu）：標準節流式差壓流量（liàng）計(高溫高壓蒸汽流量計)；非標準節流式差壓（yā）流量計；渦街流量（liàng）計；旋翼式流量計；金屬浮子流量計等。其中渦街、浮子、旋翼流量計因為受到溫度、口徑、精度等限（xiàn）製，所以主流儀表還屬（shǔ）於標準和非標準節流（liú）式差壓流量計，通過對我廠已有測量手段和計算方（fāng）法進行（háng）分析，結合全廠計量儀表完善（shàn）項目”的蒸汽測量儀表的具體情（qíng）況，針對標準節（jiē）流式差壓流量計在（zài）蒸汽流量測量中準確度（dù）問題進行討論。。
1、影響蒸汽流（liú）量測量的主（zhǔ）要因素
1.1 測量元件
一次（cì）測量元件孔板的入口銳邊磨損、積（jī）汙，節流件前後直管段內結垢、粗（cū）糙程（chéng）度改變等（děng）。
1.2 測量管
對測量管沒有按規定（dìng）要求去做，安裝（zhuāng）測量（liàng）元件時直管不符合要求、內徑D數值不準確等。
1.3 密度
對密度的計算不準確，我廠（chǎng）大部分蒸汽儀表測量是用DCS裏的氣體補償方式、或用智能流量二次儀表（biǎo）的氣（qì）態（tài）方程來計算蒸汽的密度，再有就是根據工藝車間提供的數據直接做為蒸汽密（mì）度的參考值，雖然測量（liàng）係統或多變量變送器（Honeywell SMV3000係（xì）列）有壓力溫度補償，但因為計算公式或組態軟件使用不正確，使補償失準。
1.4 相關係數（shù）
有的實際工作流量不在（zài）界限雷諾數範圍內，使得流出（chū）係數C（或流量係數（shù）a）不再是一個（gè）恒定的常數，而（ér）DCS或智能一（yī）次表中又無修正功能，隻能按（àn）常數計算，從（cóng）而帶（dài）來測量誤差。
1.5 量程
有的儀表量程選用不合理，工作區經常在滿量程的50%甚至20%以下，從而使相對誤差變（biàn）大（dà）。
2、原因（yīn）分（fèn）析
2.1 節流元件磨損、髒汙、變形
由於我廠的節流裝置大部分采用高（gāo）溫高壓蒸汽（qì）流量（liàng）計（jì）作（zuò）為一次測量元（yuán）件，因此孔板的好壞就成了影響計量準確度重要因（yīn）素之（zhī）一。在實際使用中孔板入口邊緣（yuán）的易磨損、氣蝕、前端麵積汙（wū）等（děng），都是不易克服的缺點，由於節流裝（zhuāng）置的計算數據是在規定的標準條件下得到的，如果裝置中節流元件的實際條件達不到標準條件或偏離規定，必然會帶（dài）測量結果（guǒ）的誤差。
2.2 測量管
測量管是節流（liú）裝置的重要（yào）組成部分，其結構尺寸對流體流動狀態有（yǒu）重要的影響，流體（tǐ）流經諸如彎頭、閥門、縮徑管、擴（kuò）徑管等阻流件後，會產生速度（dù）畸變、旋轉流及非定（dìng）常流，由於標準節流裝置的各項參數是在充分發展管流、無旋（xuán）轉流以及定常流的參（cān）考工作條件下實驗得出的，如果不滿足規定的條件，就會造成流出係數偏離正（zhèng）常值，影響測量準確度（dù）。當然要在現（xiàn）場裝置使用中完全達到標準試驗的條件，也是不現實的（de），但我們（men）應盡量（liàng）在安（ān）裝過程中，*大（dà）化的向標準條件靠攏，力求測量誤差*小。
在我廠許多裝置中我發（fā）現，有的節流件上下遊直管段不滿（mǎn）足要求，不管節流裝置的具體情況，例如彎頭（tóu），三通（tōng）的數（shù）量及分布情況，直管段上縮、擴管的情況，以及閥門的開度等情況，大部（bù）分采（cǎi）取前10D後5D的安裝，甚至小於前10D後5D的安裝。關於直管段內（nèi）徑D的數據（jù），按規定應該采取實（shí）測值，而實際情況是都沒有實測量D值，有的采用工藝提供的（de）數據，有的是查以前資料，甚至有的用公稱通經代替D值作為設（shè）計計算的依據，從而使一（yī）開始計算書（shū）就有誤差（chà）。
關於測量管內表麵粗糙度對測（cè）量的（de）影響是*為複雜的，也*易被忽略，特（tè）別是投用時間比較長的情況下，管內的結垢，磨蝕等都會使粗糙（cāo）度遠差於新（xīn）投用時的情況。即（jí）使是新安裝的管道，如果粗糙（cāo）度達不到要求，都應該進行加工以達到規定的要求。即使（shǐ）是管流已達到充分發展管流時，粗（cū）糙度對流（liú）體（tǐ）仍是有（yǒu）影響（xiǎng）的，見圖1。
圖1光（guāng）滑管與粗（cū）糙管（guǎn）的（de）流速分布
從（cóng）圖1中可以看（kàn）出：粗糙管的（de）流速（sù）分布與光滑管是有區別的，因此（cǐ）流出係數也不會相同。我廠大部分的蒸（zhēng）汽（qì）測（cè）量管都是直接用工（gōng）藝管道，沒（méi）有（yǒu）在定貨時與（yǔ）節流裝置整體加工，投用時粗糙度是否合乎要求也無從知道，況且（qiě）經過多年的運行也沒有進行過檢查（chá）和清理，粗糙度對測量準確度的影響肯定是存在（zài）的。
2.3 密（mì）度計算
對於蒸汽（qì）的流量測量，人（rén）們都知（zhī）道（dào）要進行壓力和溫度補（bǔ）償（cháng），但（dàn）是由於對蒸汽（qì）性質的複雜程（chéng）度了解不夠，在實際工作中往往存在一些不正確的（de）做法。
蒸汽（qì）是比較特（tè）殊的介質，一般情況下所說的蒸汽是指過熱蒸（zhēng）汽。而過熱（rè）蒸汽是由飽和（hé）蒸汽加熱升溫獲得。其中絕不含液滴（dī）或液（yè）霧，屬於（yú）實（shí）際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數（shù）是兩個獨立參數（shù），其密度應由這（zhè）兩個參數（shù）決定。
過（guò）熱蒸汽在經過長距離輸（shū）送後（hòu），隨著溫度、壓力的變化（huà），特別是在過熱（rè）度不高的情況（kuàng）下，會因為熱量損失溫度降低而（ér）使其從過熱狀（zhuàng）態（tài）進入飽和狀態或過飽和狀態。轉變成（chéng）飽和（hé）蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽容易凝結，在傳輸過程中如有熱量損失，蒸汽（qì）中便有（yǒu）液滴或液霧形成，俗稱溫蒸汽（其質量（liàng）一般用幹度這一參數（shù）來表示，幹度是指單（dān）位體（tǐ）積飽和蒸汽中幹蒸汽所占的百分（fèn）數）。這時它已不屬於嚴格意義上（shàng）的氣（qì）體，其密度也發生了很大變化。所以，不同狀態下不能用同一氣體狀態方程來描述。
在日常的流量測量中，大家往往隻重視差壓信號的（de）準確與否，並常常使用高精度的（de）差壓變送（sòng）器（qì），而忽略了密度在測量（liàng）中的（de）重要地位。其實這個問題隻要看一看節流裝置流量（liàng）方程就非常清楚（chǔ）了，流量方（fāng）程為（wéi）：
qm=k(2△p·p)1/2
式中
qm-質（zhì）量流量，kg/s
C-流出係數；
ε-可膨脹性係（xì）數；
β-直徑比，d/D；
d-工（gōng）作條件下節流件（jiàn）的孔徑，m；
D-工作條件（jiàn）下上遊管道內徑，m；
△P-差壓，Pa；
P-流體密度，kg/m3。
從上式中我們可以看出差壓與密度在測量中是處於同等地（dì）位的。然而在實際使用中由於忽視了密度對流量測量的影響，因此往（wǎng）往不重視對密度的認真研（yán）究和分析。
我們知道：對（duì）氣體流量的測（cè）量，如果沒有溫壓補償，測量結果是不準確的。因此無論是以前的電III型儀表，還是近些年廣（guǎng）泛使用的（de）智能（néng）儀表、DCS，乃至到去年我廠新安裝（zhuāng）的多變量儀表（HoneyWellSMV3000），都有（yǒu）不同的補償方式。為（wéi）求得準確的氣（qì）體（tǐ）狀態方程，經多年努力，仍沒（méi）有一個統一（yī）的氣體狀態方程（chéng），隻有眾多的實際氣體狀態（tài）方程。而本文所討論的蒸汽就有（yǒu）專用的方程，主要（yào）是因為蒸汽在工作過程中有物（wù）質狀態（tài）的變化，與理想的氣體的性質有很大的差別，它的物體參數比理想氣體要複雜，不能用（yòng）簡單的（de）數學方程式表達出來。而實際生產中，蒸汽流量密度的計算，大多（duō）數采（cǎi）用的恰恰是簡單的數學表達式。但由於使用測量的儀表不統一，僅智能流量二次表就有不同的型號，對密度（dù）的計算也各不相同，加（jiā）上DCS，多變量等儀表的計算方式也不盡相同，造成密度（dù）計（jì）算的不準確，因此對蒸汽流量測（cè）量的影（yǐng）響不亞於用（yòng）一台精度差的差壓變送器帶來的誤差。
2.4 相關（guān）係數的影響
流（liú）出係數C的定義是：通過節流裝置的實際流量與理論流（liú）量之比，將這個比值應用到（dào）理論方程中，以（yǐ）獲得實際的流量。在一定（dìng）的安裝條件下給定的節流裝置，C值僅與雷諾數有關。
在節流裝置計算書中，根據提供的工藝條件計算出的C值是（shì）一個固定值（zhí），在DCS或智能二次表中都（dōu）將流出係數C作為固定值（zhí）參與流量（liàng）計算，而實際上流出係數C隻有雷諾數在規定的範圍內才可視為常數（shù），實際使用時當雷（léi）諾數不在這個範圍（wéi）時，流出係數C就不能視為常數。特別是當小流量時，隨著雷諾數變小，流出係數C將較大的（de）變化（huà），流出（chū）係數C與雷（léi）諾數Re的變化關係如下圖2：
雷諾數Re
圖2流出（chū）係數C與雷諾數Re的變化（huà）關係圖
從圖2中可以看出：隻（zhī）有雷諾數Re≥104時，流出係數C才可以（yǐ）為是一個常數。據（jù）有（yǒu）關資料介紹，當Re=103時（β=0.6），附加誤差可達-19%，而當Re=250時附加誤差增加到-26%。在實際測量中，由於流量變化而使雷諾數（shù）小（xiǎo）於界（jiè）限值的情況時有發生（shēng）。我廠熱電車間某蒸（zhēng）汽流量，*小可達1t/h，而（ér）*大時可達28T/h，實際量程比達到了28:1。在低限流量時流出係數（shù）將變化（huà）很大，如果（guǒ）不（bú）進行修正，仍按計算（suàn）書的C值（zhí）來計算流（liú）量，會帶來較大的誤差。在我廠大部（bù）分DCS和二次儀表中，都沒有對流出係數C的修正功能，由此可（kě）見流（liú）出係數對測量係統的影響是普遍存在的（de）。
實際上，孔板（bǎn）從安（ān）裝使用*一天開始，嚴格上講，它的入（rù）口銳邊就開始經曆由尖銳到平（píng）鈍的一（yī）個變化過程，隻不過這種變化*為緩慢人們不易察覺，或者說對儀表準確度的（de）影響是（shì）一個從小到大的（de）緩慢過程，常常不會被人注意（yì）。如果被測介質是高流速的流體，影響可能會更為顯著。根（gēn）據某專（zhuān）業雜誌報道，在流體高速髒汙（wū）的場合，流出係（xì）數C變化百分之十幾也不（bú）足為奇，而我廠使用的（de）孔板*長達（dá）上10年（nián），短的也（yě）用了3、4年時間，因此流出係數C問題帶來的測量誤差是可想而知的。
2.5 儀表量（liàng）程設置
在全廠（chǎng）計量儀表（biǎo）完善項目施工中（zhōng），我逐漸發現，有部分車間（jiān）的選用的儀表量程過大，使儀表經常工作在量程的50%甚至20%以下，這樣就造成了相（xiàng）對誤差變大（dà）後果。我們都知道，一般儀表的準確度等級都用引用誤差表示的，其實引用誤（wù）差是一種簡化的相對誤（wù）差。若儀表的準確度等級為0.2、0.5或1.0級，所標明的是儀表的引用誤（wù）差不能超過的界限，也就是說（shuō）合格儀表*大引（yǐn）用誤差不會超過0.2%、0.5%、1.0%，而（ér）不能（néng）認為它的各刻（kè）度點上的（de）示（shì）值都具有0.2%、0.5%、1.0%，的準確度（dù）。
設一台儀表的準確度為S%，量程為0～Xn，測量點為X，相（xiàng）對誤差應按下式求得：
相對（duì）誤差≤Xn/X×S%。
如果這台（tái）儀（yí）表（biǎo）的量程是0～150，準（zhǔn）確度是0.5，用（yòng）上式計算測量點75、50、30、15的相對誤差分別為：1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可見，當測量值越接近（jìn）滿度值，其準確度越高。這就是我們在選用儀表量程時，盡可能（néng）在儀表的上限值處鄰近或2/3量程以上的原因。
3 、解決的方法
3.1 節流元件改用標準噴嘴
對於大多數節流件孔板入口磨損及髒汙等問題，我們應該選用（yòng）標準噴（pēn）嘴。由於（yú）噴嘴入口是一個光滑的（de）曲麵，它的（de）抗磨損、抗積汙（wū）、抗（kàng）變形程度遠好於孔板，流出係數穩定性也比孔板好，在相同流量和相同β值條件下（xià），阻力損失也比孔板小的多（隻有孔板的（de）30%～50%），而且它的檢定周期（qī）為4年，大大減少了維護費用。
3.2 節流裝（zhuāng）置整套加工
對於測（cè）量管的影響問題，應該采取指定專業生產廠家，統一加工節流（liú）件（jiàn），統一加工法蘭、直管段，統一開壓力溫度取樣點，統一加工冷凝罐，統一整體組裝。這（zhè）次全廠計量儀表完善項目中，有許（xǔ）多節流裝置就采用了這種辦法進行定貨，雖然造成了費用高了一些，但是由於測量準確度的提（tí）高，所產生的經濟效益遠遠大（dà）於多花（huā）的費用的。
3.3 采用正確公式計（jì）算密度
關於密度的計（jì）算，針對計算公（gōng）式不統一的問題，我們這次（cì）全廠計量儀表完善項目中，統一采用了美國HoneyWell公司的SMV3000係列多變量（liàng）儀表，而（ér）且蒸汽的測量信號（差壓、壓力、溫度）先進入SMV3000儀表進行運算，計算後的流量信號再根據需（xū）要送至DCS或全廠計量儀表係統進行顯示，累積。
3.4 量（liàng）程選用盡量合理（lǐ）
關（guān）於量程選用的問題，根據生產的實際情況，在滿（mǎn）足工藝（yì）要求的前（qián）提條件下，盡量使儀表工作（zuò）在滿量（liàng）程（chéng）的2/3以上。但因有些生產工藝的特殊性，在低流（liú）量下運行的情況還是存在的。
4 、效果評價
全（quán）廠蒸汽流量儀表在改造以前（qián），熱電車間與工藝車間的蒸汽計量誤差在10%～20%之間，改造後，經過儀表專業技術人員的努力，蒸汽計量誤差已經小於6%，效果還是比較理想的。
由於（yú）目前使用流量（liàng）儀表測量蒸汽流（liú）量，由（yóu）於被（bèi）測介質的特殊性（xìng），對於（yú）相流經常變化的蒸汽，肯定會存在測量不準確的情況，而解決這一（yī）問題的根本辦法是開發一（yī）種可測（cè）兩相流動介質的流量儀表。我相信，隨著科學技術的不斷進步，提（tí）高測量水平的（de）呼聲（shēng）越來越高，因此針對生產實際情況，做一些細致的技（jì）術（shù）工作，一定會探索出一條蒸汽流量測量的成功之（zhī）路。

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