蒸汽流量計的選型與安裝問題分析

阮曉飛 來曙光 張 婧

(黎明化工研究設計院有限責任公司，河南 洛陽 471000)

蒸汽是石油化工企業重要的二次能源，在企業能源計量中占有重要地位。從企業效益出發，要降低生產成本則需降低蒸汽的消耗量，蒸汽計量由此成為企業計量技術工作的重點之一。

儀表都有一定的測量范圍和合適的量程比，可是工藝生產過程往往又有不同負荷狀態下的多種運行方式，隨之對應的蒸汽用量就會出現大流量、正常流量及小流量等不同流速，蒸汽的物理參數如溫度、壓力及密度等參數也會在不同負荷狀態下發生相應的變化。任何類型測量蒸汽的儀表要滿足不同工況下的準確測量實際上很困難。這就要求在測量方法和儀表選型上根據測量回路的要求充分考慮各種計量儀表的優缺點，選擇量程比合適的儀表并采用適當的補償措施，如溫壓補償、蒸汽狀態及分段線性化補償等。但是隨之而來就會產生安裝位置、直管段及維護需求等一系列的安裝問題。

為此，圍繞當前常用的差壓式和速度式蒸汽流量計的選型、安裝注意事項以及安裝和運行中容易發生的問題展開討論，重點考慮蒸汽流量儀表選型時儀表和被測介質的特性、生產工藝的變化、儀表的安裝條件及管理維護等因素的影響。

1 蒸汽流量計的類型①

企業使用蒸汽流量計一般用于：計量蒸汽用量，進行內部或外部計費結算；監測能源的使用效率，如根據熱焓確定添加的蒸汽量；改進工藝過程的控制效果，比如使流量恒定在設定值或按一定的規律變化。

用戶應根據自身需要，再結合流量計的相關特性選擇合適的蒸汽流量儀表。目前，測量蒸汽介質普遍選用的是差壓流量計和渦街流量計配密度補償方式完成計量。

1.1 差壓式流量計

差壓式流量計在穩流情況下，管道中流量與壓差的平方根成正比。基于流體質量守恒(連續性方程)和能量守恒(伯努利方程)定律，可知基本的流量計算式為：

(1)

式中C——流出系數(實際流量/理論流量)；

d——節流件孔徑，m；

Δp——節流件上下游的壓差，Pa；

qm——蒸汽質量流量，t/h；

β——直徑比，β=孔板直徑d/管道直徑D；

ε——可膨脹性系數，蒸汽的ε小于1；

ρ——蒸汽密度，kg/m3。

差壓式流量計中常用的有孔板流量計和新型V錐流量計兩種型式。

孔板流量計以簡單結實、成本低廉及無需額外標定等優勢在工業中獲得廣泛應用。但它也有自身的缺點：受限于工作原理，量程比限制在3∶1～5∶1；在水錘作用下，孔板會變形，如果設計或安裝不當甚至會堵塞管道；孔板的直角邊緣在長期運行后會磨損，特別是在進行蒸汽介質測量時會改變孔板特性，影響測量精度，因此必須對孔板進行周期檢查并予以更換；孔板流量計一般需要較長的直管段以保證精度，表1給出了不同直徑比β和不同上游擾流布置情況下所建議的直管段長度。

表1 流量計安裝時所需直管段長度

V錐流量計具有壓損小、量程比寬、直管段短及測量精度高等優點，這些特點來源于特殊的設計結構——錐體位于管道中心處。在計算工況下的實際流量時，應先計算出流體流過V形錐的有效面積S和等效直徑比β，再代入式(1)計算得到。

雖然V錐流量計可以在直管段不夠長的情況下較其他節流裝置有較高的測量精度，但所需的前后直管段仍要視具體情況而定。有數據顯示，前置閘閥開度大于25%時，各種開度下當要求較高測量準確度時，流量計前直管段長度L=10D尚嫌不足，而不是各種情況下均為前0～3D、后0～1D的直管段，這個特點需要相關技術人員的高度重視。

當測量蒸汽介質的管道停汽檢修時，管道底部會存有積水?；謴屯ㄆ?，在壓力推動下，水的波動很容易引起管道振動，流量較大時管道振動劇烈甚至會損壞節流件造成生產事故[1]。黎明化工研究設計院有限責任公司就出現了V形錐節流元件斷裂脫離固定裝置的情況。

1.2 渦街流量計

流體流經設置在管道內的漩渦發生體時會產生流動振蕩，在發生體的兩側交替產生規則漩渦，測定其振蕩頻率可以反應流量的大小。當工況條件合適時，漩渦頻率f和流體速度v成線性關系，且與密度無關，可表示為：

(2)

對于給定的流量計，其質量流量qm為：

(3)

式中A——流量計的截面積，m2；

d——漩渦發生體迎流面的最大寬度，m；

f——漩渦的釋放頻率，Hz；

k——對于給定的流量計為常數；

St——斯特羅哈爾數，無量綱，當雷諾數Re在102～105時其值約為0.2；

v——發生體兩側的平均流速，m/s；

ρ——蒸汽密度，kg/m3。

與孔板流量計相比，渦街流量計有較好的量程比(一般為30∶1)、無可動部件及流阻低等優點，但在抗振、脈動流及抗干擾等方面也有明顯的局限性。為此，在安裝渦街流量傳感器時應注意：

a. 選擇合理的安裝場所，遠離強磁場設備，避開強振動和強腐蝕環境。

b. 上下游配管應滿足安裝要求，約為前10D和后5D。不同的安裝條件(如縮管、擴管、T形管、前端是否有閥門及過濾器等擾流件)，對上游直管段的要求也相異，還需參考儀表說明書。另外，流量或壓力調節閥應裝在傳感器下游5D以外；測壓孔應設在流量計下游的2D～7D處；測溫孔應設在離測壓孔下游的1D～2D處。

c. 基于其流體振蕩的工作原理，振動會引起誤差，可以在傳感器上下游2D處分別設置防振座并加防振墊。

d. 任何墊片和焊渣的凸出都會導致其他漩渦的發生，引起計量誤差。T形管上游安裝閥門即可避免脈動壓的影響。

目前，渦街流量計的流量系數一般是在水流量標準裝置上標定得到的。按照渦街流量計的工作原理，在一定的雷諾數范圍內，渦街流量計的流量系數只與漩渦發生體、管道形狀和幾何尺寸有關。因此，渦街流量計用水標定得到的流量系數在儀表用來測量氣體和蒸汽時采用也是合理的。

用水標定時流速最高也只到10m/s，而實際應用時氣體和蒸汽的流速卻遠大于10m/s，某品牌渦街流量計承諾80m/s的流速仍能保證測量準確度，但品質欠佳的渦街流量計在大于40m/s流速時已產生明顯的“漏脈沖”現象而且流速越高“漏脈沖”越嚴重，從而出現示值嚴重偏低的情況。另外，流量計前后壓差同流速之間的關系也應符合下式：

式中D——管道內徑，mm；

Δp——壓力損失，kPa；

qv——體積流量，m3/h；

v——流速，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3。

2 安裝要點分析

2.1 差壓流量計的安裝

用差壓流量計測量蒸汽流量，為保護差壓變送器的高低壓室，通常設置兩個冷凝罐，兩個冷凝罐內液位高度相等是壓差信號不失真傳遞的關鍵。如果發現一個冷凝罐是冷的，罐的上部必定不是蒸汽，造成這種情況的原因有多種，如：導壓管堵、根部閥堵、溢流口高度比取壓口低、在取壓口和冷凝罐之間存在液封等。不管是哪種原因，都將使差壓變送器接收到的壓差與節流件送出的壓差信號不相等，進而引起流量測量誤差。如圖1所示，改造前到正壓冷凝罐的引壓管由于安裝坡度不合理形成U形水封，這段管內的冷凝水不能靠重力流回母管，從而造成流量示值偏低。配置和安裝合理的壓差裝置后，蒸汽從母管經導壓管流入冷凝罐，放出熱量后變成凝結水，罐中液位高于溢流口后自動返回母管，從而保證兩個罐中的凝結水液位相等。

a. 改造前

b. 改造后

2.2 渦街流量計的安裝

渦街流量計經常與調節閥安裝在同一根管道上以控制流量或壓力。如圖2所示，來自鍋爐的蒸汽總管經壓力控制回路調節后進入蒸汽分氣缸并根據用戶負荷測量總蒸汽用量，分氣缸分配到各用汽設備或裝置，同樣安裝有壓力或流量調節控制回路。

圖2 蒸汽分配計量控制示意圖

儀表控制過程中，會受到儀表元件疲勞及裝置運行狀態突變等多種因素的影響，導致調節閥運行時發生振蕩。這就很可能會造成分表之和與總表示值的異常偏差。用戶應分析振蕩產生的原因，糾正其產生的條件并時常關注調節系統的運行狀況[2]。

3 維護管理

測量蒸汽的儀表都有其局限性，流量儀表進行蒸汽測量時，都是指理論上單相的飽和蒸汽或過熱蒸汽介質。但蒸汽狀態在不同的條件下會發生變化，過熱蒸汽可能變為飽和蒸汽，飽和蒸汽又可能因為經過長距離輸送、保溫欠佳及疏水措施不到位等多種原因夾帶冷凝水，類似這樣的狀況下，流量計是不能做出精確測量的。解決這種問題通常可從4個方面考慮：蒸汽流量儀表不要安裝在整套管路的低處，以保障被測介質的品質；完善主副蒸汽管道的保溫措施，減少管道冷凝水的產生和相應的壓力損失；創造合適的安裝條件，便于將來儀表的維護保養；根據蒸汽系統設計規范設置疏水閥安裝位置，一般情況下，每30～50m安裝一組疏水閥是比較規范的布置，同時加強疏水閥的管理和保養。

另外，涉及貿易結算或需要計費的應用場合，則要做好趨勢記錄和定期備份以便進行數據分析，實時了解用戶在不同時段的用汽情況，同時要防止意外斷電導致儀表不計量的情況發生，必要時流量積算儀的趨勢數據、記錄和電源可派專人管理。

4 結束語

通過對孔板、V錐和渦街流量計的分析來看，蒸汽質量流量用差壓流量計和渦街流量計測量都能得到較準確的結果，都能滿足GB 17167-2006的要求。為保證蒸汽的正確計量，用戶應注意選擇量程比比較大的流量計以避免在下限工作時讀數偏低甚至為零的情況；流量計規范的安裝非常關鍵，微小的細節就可以避免投運后出現的很多問題。另外，為流量計配上一體化的溫壓補償系統，既可以減少安裝工作量并降低安裝成本，也避免了因此帶來的附加誤差。

[1] 沈新建，翟小金，王高甫，等.對V形錐流量計的再認識[J].自動化儀表，2014，35(5)：88～90.

[2] 譚增顯，紀綱.減壓閥振蕩對渦街流量計的影響[J].自動化儀表，2009，30(9)：74～76.