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火電廠氫氣流量計測（cè）量（liàng）方法及誤差分析
點擊次數：2075 發布時間：2021-01-08 05:39:24
摘要 : 隨著生產及運維對測量精度要求日益提高，蒸（zhēng）汽流量測量方法及誤差分析得到了越來越多的學者關注（zhù）。本文擬對幾種火電廠（chǎng）常用流量（liàng）測量（liàng）方（fāng）法展開對比分析，並就常（cháng）見儀表誤差進行簡要分析，旨為更好地滿足現場實際測量需要。
1 研究背景
蒸汽（qì），作為火電廠*重要的二次能源之一，其流（liú）量測量對於節（jiē）能降耗，降低運營成本，提高經濟（jì）效益具有重要（yào）意義--但其測量受到諸多因素限製、影響，如介（jiè）質特性、儀表選型、現場安（ān）裝等，大大增（zēng）加了測（cè）量難度。隨著生產及運維對測量精度（dù）的要求（qiú）日益提高，蒸汽流量測量方法的選擇（zé）及（jí）誤（wù）差（chà）分析得到了越來（lái）越多的學者關注。
蒸汽分為過熱蒸汽和飽和（hé）蒸汽。飽和狀（zhuàng）態下的液體稱為飽（bǎo）和液體（tǐ），其對應的（de）蒸（zhēng）汽是飽和蒸汽，但*初隻（zhī）是濕飽和蒸汽（qì），待蒸汽中（zhōng）的水分完全（quán）蒸發後才是幹飽（bǎo）和蒸汽。蒸汽從不飽和（hé）到濕飽和再（zài）到幹飽和的過程溫度是不增加的（de），幹（gàn）飽和之後繼續（xù）加熱則溫度會上升，成為過熱蒸汽。蒸汽在不同（tóng）的溫度、壓力下密度不同，因而測（cè）量質量流量時（shí）要溫壓補償 ；對於飽和蒸汽，其溫度與密（mì）度有一一對應（yīng）關係，一般隻（zhī）需進行壓（yā）力補償即可（kě）。
2 測量（liàng）原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量儀表應考慮 5 個主（zhǔ）要因素，即被測流體特性、安裝條件、環境條件、儀（yí）表（biǎo）性能及維護需求。此外，在實際工程應用中（zhōng），儀表的選擇（zé）還應（yīng）綜合考慮以下問題 ：
（1）測量目（mù）的 ：如商貿結算和儲運（yùn）測量對準確度要求較高，而過程控製連續（xù）監測一般要求有良好的可靠性及重複性（精密度）；
（2）壓力（lì）損失 ：尤其是對於大（dà）口徑管路測量，壓力損失會直接影響能量消耗。
通過（guò）上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或氫氣流量計較為理想。
孔板流量（liàng）計是依據在已知有（yǒu）關參數的條件下，根（gēn）據流動連續性原理和伯努利方程可以推（tuī）導出差壓與（yǔ）流量之間的關係而（ér）求得流量。它具有如下優點 ：①應用*為廣泛，全部單相（xiàng）流體均可使用 ；②結構易於複製，簡單、牢固、性能穩定可靠，價格低廉 ；③檢測件（特別是標準型）為全**通用，並得到了國際標準化組織（zhī）和國際計量組織的認可 ；④無需（xū）個別校準（zhǔn）即可投用 ；⑤同原理儀表擴展類型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有（yǒu）一定局限性 ：①由於眾多因素的影響錯綜複雜，精確（què）度難於大幅度提高 ；②受限於流量係數與雷諾數，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長的直管段（duàn）長度要求 ；④壓力損失（shī）大 ；⑤長期使用（yòng）精（jīng）度難以保證，需要定期維護（hù）、檢修維（wéi）護量大（dà）。
氫氣流量計是（shì）利用卡曼渦街（jiē）原理，即流體在管道中經過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發生體後上下交替產生正比（bǐ）於流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關。它具有如下（xià）優點 ：①適用流體種類多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應用 ；②在一定雷諾數範圍內，輸出信號不受流體物性及組份（fèn）影響，可在一種典型介質中校準，用於各（gè）種介質 ；③結構簡單牢固、無可（kě）動部件，安裝方便，運維（wéi）可靠 ；④準確度較高，無零點（diǎn）漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（xiǎo）（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義 ；⑥性價比較高。但其測量也具有一定局限性（xìng） ：①不適（shì）於低雷諾係（xì）數測量 ；②管道內流速分布應為充分發（fā）展流，被測管道上、下遊直管段（duàn）條件要求較為苛（kē）刻 ；③儀表係數較（jiào）低，口徑越大越低，適用（yòng）於中、小口徑測量 ；④不適用於振動大或脈動流工況。
3 常見誤差分析
常見誤差來源主要分為以下幾點。
（1）參數調整或量程選擇有誤
如（rú）儀表量程（chéng）小於實際參數（shù），不僅無法（fǎ）正常量，且長時間故障運行可（kě）能會導致儀表無法恢複的機械損傷 ；若儀表量（liàng）程遠大於實際參（cān）數，測量結果無法滿（mǎn）足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準測量的基礎。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻度的 95% ；正常流量為滿刻（kè）度的（de） 70% ～ 85% ；*小流（liú）量不小於滿刻度的 30%。此外，DCS 側量程需與儀表量程保持一（yī）致。
（2）儀（yí）表不具備溫壓補償（cháng）功能（néng）
氫氣流量計與測量介質無關是指其體積流量不受溫度、壓力變化影響，但如需計量被測介質的質量或標準狀（zhuàng）態下體積，就需判別蒸汽狀態並測量實時壓力、溫（wēn）度等熱工狀態參數，即在蒸汽工況（kuàng）偏離設計工況時，將蒸汽的密度對測量結果的（de）影響予以修正 ；如儀表不具備（bèi）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（yào）求
流體特性直接影響測量結果，而流體特性很大程度（dù）上受安裝條件影響。安（ān）裝條件考慮因素有儀表的流動方向，上下（xià）遊管道狀況，閥門位置，防護性輔助設備，非定長流（如脈動流）情（qíng）況，電氣幹擾和維護空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流（liú）量計直管段要求--上遊 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下遊（yóu） ：2 ～ 8 倍工藝（yì）管道直（zhí）徑 ；氫氣流量計直管（guǎn）段要求--上遊 ：15~50 倍工藝管道直（zhí）徑（如有束流（liú）導直器時，上遊直段長度 12D），下遊 ：5 倍（bèi）工藝管道直徑。
（4）安裝不當或（huò）儀表工藝粗糙
儀表（biǎo）安裝需保證測量管道與工藝管道同軸（zhóu），安裝法蘭墊子時要注意不要凸出管內徑 ；安裝時還應（yīng）盡（jìn）可能（néng）的減小因被測介質脈動引起的內部震動及因動力引起的外部（bù）震動。
（5）蒸汽相變（biàn）產生的附加誤差（chà）
隨著工況（壓力、溫（wēn）度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀（zhuàng）態進（jìn）入（rù）飽和狀態，此時如仍按過熱蒸汽規律進行密度計算將會（huì）帶來附（fù）加（jiā）誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過長中，由於散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證（zhèng）蒸汽幹度，出現凝結水的密度遠大於蒸（zhēng）汽 ；同時，當管道保溫良（liáng）好，流動阻力損失很大時（管道上有開度很小的閥門，減壓裝置等（děng）），飽和蒸汽很（hěn）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密度變化，從而產生誤差（chà）。
4 總結
通過綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采（cǎi）用（yòng）孔板流量計（jì）及氫氣流量計進行測量，進而又對其適用工況及優缺點等展開（kāi）對比分析，並（bìng）就常見儀表誤差進行簡要分析，旨為（wéi）更好地滿足現場實際測量需（xū）要。
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2 測量（liàng）原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量儀表應考慮 5 個主（zhǔ）要因素，即被測流體特性、安裝條件、環境條件、儀（yí）表（biǎo）性能及維護需求。此外，在實際工程應用中（zhōng），儀表的選擇（zé）還應（yīng）綜合考慮以下問題 ：
（1）測量目（mù）的 ：如商貿結算和儲運（yùn）測量對準確度要求較高，而過程控製連續（xù）監測一般要求有良好的可靠性及重複性（精密度）；
（2）壓力（lì）損失 ：尤其是對於大（dà）口徑管路測量，壓力損失會直接影響能量消耗。
通過（guò）上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或氫氣流量計較為理想。
孔板流量（liàng）計是依據在已知有（yǒu）關參數的條件下，根（gēn）據流動連續性原理和伯努利方程可以推（tuī）導出差壓與（yǔ）流量之間的關係而（ér）求得流量。它具有如下優點 ：①應用*為廣泛，全部單相（xiàng）流體均可使用 ；②結構易於複製，簡單、牢固、性能穩定可靠，價格低廉 ；③檢測件（特別是標準型）為全**通用，並得到了國際標準化組織（zhī）和國際計量組織的認可 ；④無需（xū）個別校準（zhǔn）即可投用 ；⑤同原理儀表擴展類型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有（yǒu）一定局限性 ：①由於眾多因素的影響錯綜複雜，精確（què）度難於大幅度提高 ；②受限於流量係數與雷諾數，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長的直管段（duàn）長度要求 ；④壓力損失（shī）大 ；⑤長期使用（yòng）精（jīng）度難以保證，需要定期維護（hù）、檢修維（wéi）護量大（dà）。
氫氣流量計是（shì）利用卡曼渦街（jiē）原理，即流體在管道中經過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發生體後上下交替產生正比（bǐ）於流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關。它具有如下（xià）優點 ：①適用流體種類多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應用 ；②在一定雷諾數範圍內，輸出信號不受流體物性及組份（fèn）影響，可在一種典型介質中校準，用於各（gè）種介質 ；③結構簡單牢固、無可（kě）動部件，安裝方便，運維（wéi）可靠 ；④準確度較高，無零點（diǎn）漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（xiǎo）（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義 ；⑥性價比較高。但其測量也具有一定局限性（xìng） ：①不適（shì）於低雷諾係（xì）數測量 ；②管道內流速分布應為充分發（fā）展流，被測管道上、下遊直管段（duàn）條件要求較為苛（kē）刻 ；③儀表係數較（jiào）低，口徑越大越低，適用（yòng）於中、小口徑測量 ；④不適用於振動大或脈動流工況。
3 常見誤差分析
常見誤差來源主要分為以下幾點。
（1）參數調整或量程選擇有誤
如（rú）儀表量程（chéng）小於實際參數（shù），不僅無法（fǎ）正常量，且長時間故障運行可（kě）能會導致儀表無法恢複的機械損傷 ；若儀表量（liàng）程遠大於實際參（cān）數，測量結果無法滿（mǎn）足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準測量的基礎。
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（2）儀（yí）表不具備溫壓補償（cháng）功能（néng）
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流體特性直接影響測量結果，而流體特性很大程度（dù）上受安裝條件影響。安（ān）裝條件考慮因素有儀表的流動方向，上下（xià）遊管道狀況，閥門位置，防護性輔助設備，非定長流（如脈動流）情（qíng）況，電氣幹擾和維護空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流（liú）量計直管段要求--上遊 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下遊（yóu） ：2 ～ 8 倍工藝（yì）管道直（zhí）徑 ；氫氣流量計直管（guǎn）段要求--上遊 ：15~50 倍工藝管道直（zhí）徑（如有束流（liú）導直器時，上遊直段長度 12D），下遊 ：5 倍（bèi）工藝管道直徑。
（4）安裝不當或（huò）儀表工藝粗糙
儀表（biǎo）安裝需保證測量管道與工藝管道同軸（zhóu），安裝法蘭墊子時要注意不要凸出管內徑 ；安裝時還應（yīng）盡（jìn）可能（néng）的減小因被測介質脈動引起的內部震動及因動力引起的外部（bù）震動。
（5）蒸汽相變（biàn）產生的附加誤差（chà）
隨著工況（壓力、溫（wēn）度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀（zhuàng）態進（jìn）入（rù）飽和狀態，此時如仍按過熱蒸汽規律進行密度計算將會（huì）帶來附（fù）加（jiā）誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過長中，由於散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證（zhèng）蒸汽幹度，出現凝結水的密度遠大於蒸（zhēng）汽 ；同時，當管道保溫良（liáng）好，流動阻力損失很大時（管道上有開度很小的閥門，減壓裝置等（děng）），飽和蒸汽很（hěn）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密度變化，從而產生誤差（chà）。
4 總結
通過綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采（cǎi）用（yòng）孔板流量計（jì）及氫氣流量計進行測量，進而又對其適用工況及優缺點等展開（kāi）對比分析，並（bìng）就常見儀表誤差進行簡要分析，旨為（wéi）更好地滿足現場實際測量需（xū）要。
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