蒸汽流量計量存在的問題及解決方法

趙曉嵐

（馬鞍山鋼鐵公司計量處,安徽馬鞍山 243000）

1 引言

在鋼鐵的生產過程中產生大量的蒸汽，廣泛用于動力、制冷、生產線等用熱場合。因此對能源計量工作的要求較高，蒸汽的儀表配置及運行率達99%。但是在能源供用方面卻存在很大的不平衡。

2 存在的原因

2.1 一次部件的選用

馬鋼的蒸汽測量中，一次部件有約90%采用的是標準孔板（ISO5167—2003E、GB/T2624—2006）。

標準孔板結構簡單，牢固，性能穩定可靠，使用期限長，價格低廉，無需實流校準，即可投用，在流量計中是惟一的。雖然標準孔板有這樣的優點，但差壓法流量測量中不可避免地存在著以下問題：

（1）壓損大

根據GB2624—93中標準節流裝置的設計原理可知管道流經節流裝置的壓力損失為:

式中：β—節流件內徑與管道內徑之比d/D；

ΔP—流量差壓

從上式中不難看出，在一定的流體情況下，差壓ΔP越大，壓損越大；β值越小，壓損越大。這樣給蒸汽測量帶來了不可避免的誤差。

（2）入口直角銳利度在流體刷下易發生鈍化

據國內有關部門的經驗數據表明，在孔板連續使用2～3個月時，鈍化引起流出系數偏差在1%～3%，個別嚴重的在4%以上，這就給蒸汽測量帶來了測量誤差。

2.2 蒸汽的相變問題

變相問題主要是過熱蒸汽變飽和汽。例如熱電廠供汽管道，在其出口處供出的是過熱蒸汽，但經管道長距離的輸送或保溫不利造成輸送過程中部分蒸汽程度不等地產生冷凝水而成為濕飽和汽。造成供方出口計量值與用戶進口計量值不一致的誤差。

2.3 蒸汽本身的介質問題

外供蒸汽大都為濕飽和汽，即汽液兩相共存的汽，它是蒸汽和水的混合物，稱為濕飽汽。而世界上尚還未有一份完整的濕飽和蒸汽密度數據。目前我們蒸汽測量計量中使用的是干飽和蒸汽（臨界飽和蒸汽）密度表（以壓力和溫度為自變量），這樣就給我們的蒸汽計量帶來了誤差。舉個例子：在飽和蒸汽工作絕壓為0.48 MP，濕度為5%的情況下，查干、濕兩個密度表造成的密度誤差為5%。可見這樣的誤差導致了蒸汽供用雙方計量的不平衡。

2.4 寬量程的問題

由于使用過程中總是存在季節性的差別、全狀態下及事故狀態下的差別等，造成使用范圍忽大忽小，使流量計工作在測試范圍以外，造成了很大的誤差。

3 解決方法

3.1 對于標準孔板壓損大的問題的解決

自2010年以來，馬鋼的大、中修以及新上項目中的蒸汽計量全部都采用了噴嘴。噴嘴和孔板都屬于標準節流裝置，且噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損，它的流出系數非常穩定，檢定周期長（4年）（ISA1932噴嘴 依照規程JJG640-94）。另外噴嘴的阻力損失比孔板小得多,在相同流量和相同β值條件下，阻力損失僅為孔板的50%～60%。

3.2 對于蒸汽相變以及介質變化的問題的解決

實際上，無論是蒸汽的相變問題還是介質的變化問題歸根到底就是密度的確定問題。

鋼鐵企業中的水蒸汽的性質與理想氣體大不相同，應視為實際氣體。水蒸汽的物理性質較理想氣體要復雜的多，故不能用簡單的數學模型加以描述；所以，在以往的工程計算中，凡涉及水蒸汽的狀態參數數值，大都從水蒸汽表中查出。

水蒸汽在運行過程中由于工況參數的變化，會發生狀態變化；如過熱蒸汽變為飽和蒸汽，飽和蒸汽變為過熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態（飽和或是過熱），再查不同的數表或用不同的公式計算

濕飽和蒸汽含有飽和水，是兩相流。要準確測量蒸汽流量還必須知道干度。而在線干度測量難度很大，國外雖有一些研究成果，但未見普遍推廣應用，國內目前仍處于研究階段。

目前，在馬鋼內部確定密度的方法是：

把水蒸汽密度表裝入計算機中，根據工況的溫度、壓力，從表中查出相應的密度值，再用以下公式進行計算:

在用以上公式計算時，需對氣體介質進行補償，在低壓范圍內，可以利用理想氣體狀態方程來進行溫度、壓力補償.但在高壓時，則必須考慮氣體壓縮系數的影響.對于過熱蒸氣，必須作實際氣體處理。對于大部分氣體，在低壓區(如小于1 MPa)的壓縮系數都接近于l。在該區域內，只要溫度不是太低，即使不對壓縮系數進行修正，也不會引起明顯的誤差，完全可以滿足工程上的要求。但在高壓區，則必須考慮壓縮系數的影響，否則將會造成明顯的誤差。像常規方法那樣將K看成常數，將會造成不可忽視的測量誤差。而目前馬鋼采用的K值基本上是一常數。

分析計算表明，當溫度和壓力在設計值T0和P0的基礎上變化20%，雷諾數ReD變化60%時，如果我們只補償密度變化的影響，那么，即使密度變化可能引入的誤差為零，即認為已實現了對密度的完全補償，其它各余留參數變化累加后的最大誤差仍可達6%左右。其中，ε引入的誤差最為明顯。目前我們的測量并沒有對這些余留誤差做到補償。

現在馬鋼內部的蒸汽計量采用的全部都是溫度、壓力雙補正的模式，今后我們的方向是蒸汽計量中采用節流元件作為傳感元件時用計算法進行補償，其流量采用IFC1967公式：

式中：qm-質量流量，kg/s；

c-流出系數；

d-節流件開孔直徑，m；

ε-可膨脹性系數；

ρ-被測流體密度，kg/m3；

β-節流件孔徑與直管段內徑之比，β＝d/D；

ΔP-差壓，Pa；

采用“IFC1967公式”雖然公式繁雜一些，但在壓力為0～16.65MPa范圍內，計算的過熱蒸汽及飽和蒸汽密度值完全符合國際標準。應用公式只需安裝有溫度、壓力變送器不需要判斷是飽和狀態或過熱狀態就可以準確測量。對于確定是飽和蒸汽的場合，只需要將公式稍做變動，只用測溫或測壓，也可準確計算飽和蒸汽密度。

4 寬量程測量的問題

雖然引起孔板流量計誤差因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設計與施工予以保證，但超范圍是引起誤差的主要原因，特別是用在流量變化范圍大的情況下，使儀表在相當長時間內工作在測量范圍以外，所以解決擴展測量范圍問題是解決問題的關鍵所在。

目前國內有些廠家已生產出一些智能化的寬量程差壓變送器，它們根據節流式流量計用于蒸汽計算的實用公式：

對以上公式來說，當雷諾數ReD≥2×105時，孔板的流出系數C進入線性區，流出系數C方可以認為是一個常數；當雷諾數ReD≥4×105時，噴嘴的流出系數C進入線性區，流出系數C方可以認為是一個常數。在實際測量中，由于流量變化而使雷諾數小于界限值的情況時有發生，如果不進行修正，仍按計算書的C值來計算流量，會帶來較大的誤差。

流量計算機可自動實時計算流出系數C和流速可膨脹系數ε，這是實現節流式流量計寬量程自動補償的關鍵所在。

其中：流出系數的計算式為（以角接取壓為例）：

式中：β——直徑比(d/D,d、D值的單位為毫米)

ReD——管徑雷諾數

流出系數是指通過節流裝置的實際流量值與理論流量值之比，將它應用到理論流量方程中以獲得實際的流量。在一定條件下，對于給定的節流裝置，該值僅與雷諾數有關，對于不同的節流裝置，只要這些裝置是幾何相似，并且在相同的雷諾數條件下，則C值是相同的，流出系數C的計算式是以大量實驗所確定的數。當雷諾數ReD≥2×105時，孔板的流出系數C進入線性區，流出系數C方可以認為是一個常數；當雷諾數ReD≥4×105時，噴嘴的流出系數C進入線性區，流出系數C方可以認為是一個常數。在實際測量中，由于流量變化而使雷諾數小于界限值的情況時有發生，如果不進行修正，仍按計算書的C值來計算流量，會帶來較大的誤差。

所以如何自動實時計算流出系數C和流速可膨脹系數ε，這是實現節流式流量計寬量程自動補償的關鍵所在，也是未來蒸汽測量的方向。智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問世，使我們實現寬量程的智能化流量測量有了可能。但我們今后在蒸汽測量中還應具有前瞻性，現在我們的蒸汽是以質量為單位進行計量。作為一種能源將來必然要采用能量計量，所以今后在儀表選型上，應選用同時具有質量計量和能量計量功能的儀表，這樣在將來需要用能量計量時，不用再大規模地更換了。

5 結束語

隨著“十二五”計劃的推進，能源計量越來越被企業所重視。能源計量工作是企業加強能源管理、提高科學計量管理水平的重要基礎。只有高度重視能源計量器具的使用，才能最優化地利用能源，為企業提高經濟效率和市場競爭力提供重要保證。

[1].孫淮清，王建中.流量測量節流裝置設計手冊.北京:化學工業出版社，2000.6

[2].蔡武昌，孫淮清.流量測量方法和儀表的選用.北京:化學工業出版社，2001.4