雙向蒸汽流量的測(cè)量

葉非，葉海清，紀(jì)綱

（1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠，上海200241；2.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，杭州310019；3.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海200070）

有些生產(chǎn)裝置在正常生產(chǎn)時(shí)可外供蒸汽，但在某一段時(shí)間，例如開車過程中，需消耗蒸汽。兩個(gè)獨(dú)立核算的熱網(wǎng)之間，蒸汽有時(shí)從A網(wǎng)流向B網(wǎng)，有時(shí)從B網(wǎng)流向A網(wǎng)，這就要求流量計(jì)具有雙向測(cè)量能力。

目前市售的雙向流量計(jì)包括容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、熱式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等，但因蒸汽溫度高，無自潤(rùn)滑能力，管道通徑比較大，使這幾種流量計(jì)無法適應(yīng)。

下面介紹的幾種雙向流量計(jì)，在測(cè)量蒸汽雙向流量方面各具特色，只要設(shè)計(jì)、制造、安裝得當(dāng)，就能很好地完成測(cè)量任務(wù)。

1 雙向孔板流量計(jì)

對(duì)于用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量，儀表工程師大多有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量雙向蒸汽質(zhì)量流量感到陌生。其實(shí)GB／T 2624—2006（相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO5167：2003（E））對(duì)雙向孔板也做了詳細(xì)的規(guī)定，只要按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用，就能獲得標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的準(zhǔn)確度。

1.1 工作原理

與普通孔板流量計(jì)相比，雙向孔板流量計(jì)具有下列特殊之處［1］4［2］5－6：

a）雙向孔板。孔板不切斜角；兩個(gè)端面均應(yīng)符合國(guó)標(biāo)中關(guān)于上游端面的規(guī)定；節(jié)流孔的兩個(gè)邊緣均應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于上游邊緣的規(guī)定；孔板厚度應(yīng)為0.005～0.02D，其中D為管道內(nèi)徑，為了防止孔板變形，在結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)方面必須采取相應(yīng)措施。

單向孔板如圖1所示，雙向孔板如圖2所示。

圖1 單向孔板

2 雙向孔板

b）對(duì)直管段的要求。測(cè)量正向流時(shí)的后直管，在測(cè)量反向流時(shí)變?yōu)榍爸惫堋Ｒ虼耍瑑x表的兩個(gè)直管段都應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中前直管段的要求。

c）正端取壓口壓力p1的計(jì)算。儀表的節(jié)流件正端取壓口壓力p1用壓力變送器測(cè)量。該變送器安裝在正向流的正端取壓口，在流體反向流動(dòng)時(shí)，該點(diǎn)壓力變成了反向流的負(fù)端取壓口壓力。根據(jù)正端取壓口壓力、負(fù)端取壓口壓力和差壓的定義可知：

式中：p′1——反向流正端取壓口壓力，Pa；p1——正向流正端取壓口壓力，Pa；Δp′——反向流差壓，Pa。

其實(shí)p′1就是正向流的負(fù)端取壓口壓力，只因該點(diǎn)未安裝壓力變送器，所以只能用間接的方法得到。

d）溫度傳感器的安裝。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，溫度傳感器的套管只能安裝在節(jié)流件上游20D以外的管段上，由于制造廠提供的直管段長(zhǎng)度有限，當(dāng)管徑較大時(shí)，測(cè)溫套管由用戶自行安裝在主管道上；并且套管管徑要盡量小，插入深度在不影響測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下，要盡量淺一些。

雙向孔板輸出的正反向差壓信號(hào)，通常采用2臺(tái)差壓變送器測(cè)量，質(zhì)量流量為零時(shí)，2臺(tái)差壓變送器均輸出4mA，小信號(hào)切除值可按單向孔板流量計(jì)方法處理。2臺(tái)變送器的差壓上限，分別與正反向質(zhì)量流量上限相對(duì)應(yīng)，如圖3所示。

為了節(jié)省投資，也可用1臺(tái)差壓變送器。將差壓變送器零位設(shè)置在12mA，則12～20mA代表正向質(zhì)量流量，12～4mA代表反向質(zhì)量流量。

圖3 雙向孔板流量計(jì)系統(tǒng)示意

e）雙向流的溫壓補(bǔ)償。對(duì)于過熱蒸汽和一般氣體，流體流過節(jié)流件為等溫過程，所以流體溫度無變化；對(duì)于飽和蒸汽，因?yàn)檎羝锌赡軒в形⒘克危粤黧w流過節(jié)流件后產(chǎn)生的壓降可能會(huì)使溫度有所降低。因此，對(duì)于飽和蒸汽推薦采用壓力補(bǔ)償，即根據(jù)節(jié)流件前蒸汽壓力查蒸汽密度表；如果蒸汽狀態(tài)不能確定，有時(shí)為過熱蒸汽，有時(shí)為飽和蒸汽，則應(yīng)采用溫壓補(bǔ)償壓力優(yōu)先方式［3］25－26。

f）雙向流的流出系數(shù)補(bǔ)償。在差壓式流量計(jì)中，流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化。因此，須按數(shù)學(xué)模型對(duì)此變化進(jìn)行在線補(bǔ)償才能保證系數(shù)精確度［4－5］［6］554－559。流量顯示裝置中，按照正向流孔板計(jì)算書設(shè)置的流出系數(shù)C補(bǔ)償數(shù)據(jù)，同樣適用于反向流。

g）雙向流的可膨脹性系數(shù)補(bǔ)償。反向流與正向流采用相同的公式計(jì)算可膨脹性系數(shù)ε，所以反向流ε補(bǔ)償與正向流相同。

h）流量演算器的功能。用于雙向蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量的流量演算器，除了對(duì)差壓信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)流動(dòng)方向做出判斷之外，還需對(duì)正向瞬時(shí)質(zhì)量流量、正向累積質(zhì)量流量、反向瞬時(shí)質(zhì)量流量、反向累積質(zhì)量流量進(jìn)行計(jì)算，并予以顯示。此外，還承擔(dān)著流體溫度壓力補(bǔ)償、流出系數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償和可膨脹性系數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)。

1.2 結(jié) 構(gòu)

雙向孔板流量計(jì)需考慮流體流向從一個(gè)方向轉(zhuǎn)換到另一個(gè)方向的過程中，有可能在小流量區(qū)間停留較長(zhǎng)時(shí)間。因此，流量計(jì)必須有很小的切除值，這就要求儀表有很大的量程比。故儀表的變送部分宜采用一體化結(jié)構(gòu)，只有這樣，孔板輸出的差壓信號(hào)才能不失真地傳遞到差壓變送器。

圖4所示是FDIt雙向流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，儀表變送部分由節(jié)流件、前直管段、后直管段、夾持法蘭、墊片、雙頭螺栓、支架、三閥組、差壓變送器、壓力變送器、引壓管和溫度傳感器、切斷閥、冷凝罐等組成。直管段末端自帶配對(duì)法蘭，壓力高時(shí)采用焊接坡口，以便與工藝管連接。其中節(jié)流件、三閥組、引壓管和支架為不銹鋼材質(zhì)，變送器和傳感器與流體接觸部分為不銹鋼或其他耐腐蝕材料，墊片采用金屬纏繞石墨墊片。圖5所示為配有2臺(tái)差壓變送器的雙向孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意。

圖4 雙向孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)（單差壓變送器）

5 雙向孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)（雙差壓變送器）

1.3 檢 定

用于貿(mào)易結(jié)算的雙向孔板流量計(jì)，必須經(jīng)技術(shù)監(jiān)督機(jī)關(guān)授權(quán)機(jī)構(gòu)強(qiáng)檢合格才能使用。檢定所依據(jù)的規(guī)程為JJG 640—94。

a）幾何檢定法。按照GB／T 2624規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置可以采用幾何檢定法檢定［7］，檢定項(xiàng)目包括節(jié)流件開孔直徑d20、厚度、銳緣、管道內(nèi)徑D20、端面粗糙度、平整度等；然后再對(duì)差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器和流量二次表進(jìn)行檢定；最后用誤差合成法評(píng)估系統(tǒng)不確定度。

b）實(shí)流檢定法。雙向孔板流量計(jì)的各部分組裝成一個(gè)整體后，就可放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行實(shí)際檢定，檢定點(diǎn)可按規(guī)程選定。正向質(zhì)量流量檢定完畢，應(yīng)將被檢流量計(jì)進(jìn)出口顛倒，對(duì)其反向質(zhì)量流量的測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行檢定。只有正反向質(zhì)量流量檢定結(jié)果均合格，整套儀表才算合格。

1.4 技術(shù)指標(biāo)

a）節(jié)流裝置不確定度EC：在0.2＜β＜0.6和Re≥5 000時(shí)，EC為±0.5%［1］7－10［2］10－13。

b）系統(tǒng)準(zhǔn)確度：±1%（液體）和±1.5%（蒸汽）。

c）單量程結(jié)構(gòu)可測(cè)范圍：（2～100）%（F.S），保證精度范圍：（10～100）%（F.S）。

d）雙量程結(jié)構(gòu)可測(cè)范圍：（1～100）%（F.S），保證精度范圍：（3～100）%（F.S）。

2 菱形截面阿牛巴流量計(jì)

上述雙向孔板流量計(jì)用來測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量時(shí)，準(zhǔn)確度比較高，而且檢定方便，受到熱電、熱力行業(yè)的歡迎，但是投資較高，而且永久性壓損也較大。在不需強(qiáng)制檢定的測(cè)量點(diǎn)，如果測(cè)量精確度要求也不高，則可用菱形截面阿牛巴流量計(jì)來測(cè)量蒸汽的雙向質(zhì)量流量。

阿牛巴流量計(jì)是徑流速計(jì)中的一種，其檢測(cè)桿的截面形狀有圓形、T形、子彈頭形和菱形等。其中，菱形截面檢測(cè)桿的迎流面和背流面開有相同的四個(gè)孔，每個(gè)孔測(cè)量蒸汽管道截面積1／4的平均流速，因?yàn)橛髅媾c背流面完全對(duì)稱，所以可用來測(cè)量雙向流量［8］。

圖6所示為菱形截面阿牛巴流量計(jì)用來測(cè)量雙向蒸汽質(zhì)量流量時(shí)的一次元件結(jié)構(gòu)。

圖6 測(cè)量雙向蒸汽質(zhì)量流量的阿牛巴流量計(jì)（俯視圖）

差壓變送器的零點(diǎn)設(shè)置與雙向孔板流量計(jì)相同。

阿牛巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，永久性壓損也小，但檢定困難，所以多用在過程測(cè)量與控制中。

JJG 640規(guī)定，阿牛巴流量計(jì)只能采用流量系數(shù)法檢定，即必須放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)定其流量系數(shù)。這樣，就必須有一段內(nèi)徑與實(shí)際安裝地點(diǎn)管道內(nèi)徑相同的測(cè)量管才能實(shí)施檢定，這就給檢定造成了很大困難。

3 用超聲波流量計(jì)測(cè)量雙向蒸汽質(zhì)量流量

超聲波流量計(jì)具有雙向體積流量測(cè)量能力，但是用超聲波流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量卻受到三方面的約束：最高流速不大于35m／s；介質(zhì)溫度不大于170℃；被測(cè)介質(zhì)聲阻抗與管壁聲阻抗之比不大于3 000。其中，第一個(gè)約束條件并不難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷?duì)于流速可能達(dá)到35m／s以上的測(cè)量對(duì)象，可局部擴(kuò)大管徑。第二個(gè)約束條件意味著這種方法只能測(cè)量表壓低于0.68MPa以下的飽和蒸汽。但是，蒸汽壓力太低又要受到第三個(gè)條件的約束，因?yàn)檎羝麎毫档秃螅涿芏认鄳?yīng)減小，所以使其聲阻抗與管壁聲阻抗比增大。

現(xiàn)在，制造商推出了一種可測(cè)高溫介質(zhì)流量的新技術(shù)，即經(jīng)高溫導(dǎo)波器將常規(guī)探頭耐溫范圍延伸到400℃，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，但是導(dǎo)波器又增大了聲阻抗比。所以，在考慮選用這一方法時(shí)，需向制造商詳細(xì)咨詢，避免使用不當(dāng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

a）雙向蒸汽質(zhì)量流量的測(cè)量是一項(xiàng)特殊的測(cè)量任務(wù)，可供選擇的方法有限，應(yīng)當(dāng)慎用。

圖7 導(dǎo)波板在管道上的安裝

b）在一般測(cè)量時(shí)，菱形截面阿牛巴流量計(jì)是不錯(cuò)的選擇，但因差壓信號(hào)很小，實(shí)施時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，防止差壓信號(hào)的傳遞失真。由于阿牛巴流量計(jì)的檢定要在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上才能進(jìn)行，難度很高。

c）超聲流量計(jì)用于雙向蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量時(shí)，精確度可達(dá)讀數(shù)值的1%，能夠滿足要求，但耐溫等級(jí)、聲阻抗比和流速限制是必須解決的問題。

d）雙向孔板是雙向蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量的成熟方法，能夠適應(yīng)的溫度壓力范圍、管徑和流速范圍都很寬廣，檢定也方便，是蒸汽計(jì)量交接的實(shí)用方法。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T 2624—2006用安裝在圓形管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量 第2部分：孔板［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］ ISO Copyright Office.ISO 5167：2003Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross－section Conduits Running Full［S］.Switzerland，2003.

［3］ 紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］ 王建忠，紀(jì)綱.節(jié)流式差壓流量計(jì)為何仍有優(yōu)勢(shì)［J］.自動(dòng)化儀表，2006（07）：63－33.

［5］ 王建忠，紀(jì)綱.差壓式流量計(jì)范圍度問題研究［J］.自動(dòng)化儀表，2005（08）：4－6，9.

［6］ 國(guó)家質(zhì)檢總局計(jì)量司.2008全國(guó)能源計(jì)量?jī)?yōu)秀論文集［C］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008：554－559.

［7］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG 640—94常用計(jì)量檢定規(guī)程匯編 流量?jī)x表［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998：119－196.

［8］ 侯娟.雙向畢托管流量計(jì)特性分析［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2003（05）：53－54.

［9］ 蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱.流量測(cè)量方法和儀表的選用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：223.

［10］ 蔡武昌，應(yīng)啟嘎.新型流量檢測(cè)儀表［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：252－253.