基于蒸汽流量測(cè)量中的溫度壓力補(bǔ)償分析

龐朝輝

摘要：根據(jù)蒸汽在各個(gè)領(lǐng)域的使用情況以及對(duì)流量測(cè)量的需求，對(duì)現(xiàn)階段采用的測(cè)量流量的方法進(jìn)行了介紹，常見(jiàn)的包括標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置差壓流量計(jì)、雙量程節(jié)流式差壓流量計(jì)、孔板差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)四種。對(duì)常見(jiàn)用的蒸汽測(cè)量溫度與壓力補(bǔ)償方法進(jìn)行研究，認(rèn)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦公式補(bǔ)償法、插值補(bǔ)償法、經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償法較為常見(jiàn)。并探討了補(bǔ)償方法在不同場(chǎng)景下的選擇。

關(guān)鍵詞：蒸汽；流量測(cè)量；補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：TK313文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

蒸汽在人類(lèi)生活生產(chǎn)中是重要的二次能源。對(duì)蒸汽流量準(zhǔn)確測(cè)量助于生產(chǎn)的有效控制節(jié)約能源?，F(xiàn)階段對(duì)蒸汽流量的測(cè)量有多種方法，均需要對(duì)蒸汽參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)壓差和蒸汽流量所產(chǎn)生的固定計(jì)量關(guān)系測(cè)定其流量值。而在實(shí)際運(yùn)用中，蒸汽的關(guān)鍵參數(shù)都處于不斷的變化中，與其設(shè)定的值存在偏差，需要對(duì)這些偏差進(jìn)行一定的溫度、壓力修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。因此對(duì)蒸汽參數(shù)波動(dòng)提出一種合理的補(bǔ)償算法，對(duì)現(xiàn)代業(yè)界蒸汽流量的精準(zhǔn)測(cè)量有著積極的意義。

1 蒸汽流量測(cè)量的方法

目前業(yè)界所采用的蒸汽流量測(cè)量設(shè)備多為推導(dǎo)式。其中，節(jié)流式差壓流量計(jì)與渦街流量計(jì)為最為常見(jiàn)。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置差壓流量計(jì)

節(jié)流式差壓流量計(jì)原理為： 。其中，q為流量， 為直徑比，D為內(nèi)徑，d為開(kāi)孔直徑， 為膨脹系數(shù)，C為流出系數(shù)， 為壓差， 為流體密度。如式，最終的測(cè)量值和流體密度緊密相關(guān)，而蒸汽的溫度和壓力的波動(dòng)會(huì)直接影響流體密度。在裝置實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)通過(guò)測(cè)量溫度t和壓力p，計(jì)算其密度，再用公式計(jì)算其流量，即為溫度和壓力補(bǔ)償。

1.2 雙量程節(jié)流式差壓流量計(jì)

使用標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)，其測(cè)量范圍不夠精準(zhǔn)，現(xiàn)把節(jié)流式差壓流量計(jì)原理公式簡(jiǎn)化，可將 近似為 。再對(duì)其無(wú)量綱處理，能獲得qm=f（Δp）的關(guān)系。為更好地表示差壓測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)流量值準(zhǔn)確性的影響，需借助偏微分方法。得： 。其中，Δp的相對(duì)值變化時(shí)， 也改變。因此可下結(jié)論：當(dāng)我們?yōu)榈玫健?%的測(cè)量精度，且采用了7.5%精度等級(jí)的差壓變送器，需要在差壓≧3.75%FS，方保其確度。

1.3 孔板差壓流量計(jì)

線性孔板環(huán)隙面積能根據(jù)流量大小的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因有圓錐塞子隨差壓彈簧來(lái)回活動(dòng)，環(huán)隙面積的大小變化迫使輸出差壓和流量呈正相關(guān)，因此可拓寬測(cè)試的范圍。當(dāng)蒸汽經(jīng)過(guò)面積為A的孔板時(shí)，蒸汽流量q和孔板差壓 具備 的正比關(guān)系。在孔板處放一把活塞，設(shè)差壓造成的活塞和彈簧在活動(dòng)中的移動(dòng)長(zhǎng)度為X，可認(rèn)為 等于 ， 為彈簧彈性系數(shù)。活塞移動(dòng)，開(kāi)孔面積受到擠壓而變化，得出 與 成正比關(guān)系，系數(shù)為 。進(jìn)一步得出 與 亦為正比關(guān)系，系數(shù)為 。整理以上關(guān)系得出： 。其中 ，為常數(shù)?？梢?jiàn)，蒸汽的流量和差壓呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)差壓信號(hào)就能計(jì)算出流量值。

1.4 渦街流量計(jì)

該流量計(jì)基于卡門(mén)渦街原理，假定旋渦的發(fā)生頻率和蒸汽速度正比關(guān)系： ，f為旋渦發(fā)生頻率，v為流速，d為三角柱寬度，St為斯特勞哈數(shù)。

流體旋渦會(huì)對(duì)三角柱施加周期性壓力，該壓力產(chǎn)生電信號(hào)傳至前段放大，連接頻率計(jì)，后者顯示出頻率。

2 蒸汽流量測(cè)量溫度與壓力的補(bǔ)償方法

補(bǔ)償方法如下幾種。

2.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦公式補(bǔ)償法

水和水蒸氣性質(zhì)國(guó)際委員會(huì)（IAPWS）1997年發(fā)布“水和水蒸氣熱力性質(zhì)工業(yè)公式”，為蒸汽測(cè)量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。其把水的狀態(tài)分為五個(gè)區(qū)域，能基于其自身的特性計(jì)算方程式得出水狀態(tài)特性，具體區(qū)域如圖1所示：

圖1 液態(tài)水與氣態(tài)水的區(qū)域參數(shù)分布圖

蒸汽處于圖中的區(qū)域2，參考圖，可知其密度參數(shù)取決于溫度和壓力，關(guān)系如式：

（1）

式中， ， ， ， ，R為氣體常數(shù)，這里的系數(shù) 、 、 、 在IAPWS文件中均有說(shuō)明。對(duì)蒸汽流量進(jìn)行測(cè)量時(shí)根據(jù)即刻獲得的蒸汽溫與壓力帶入式（1），可準(zhǔn)確修正密度值。

2.2插值補(bǔ)償法

假設(shè)蒸汽溫度為T(mén)S，壓力為PS，密度為ρ，以ρ（TS，PS）為中心，溫度在（0.9-1.1）TS之間波動(dòng)，壓力在（0.9-1.1）PS之間浮動(dòng)，用平面幾何仿真，坐標(biāo)軸橫向?yàn)闇囟?，豎向?yàn)閴毫Γ靡徽叫螀^(qū)間，選取M*N 組蒸汽點(diǎn)，根據(jù)圖表查詢(xún)等得到蒸汽密度值，建立一組二維數(shù)組，借助二元插值公式，得到蒸汽密度近似值。對(duì)于已經(jīng)選取的M*N 個(gè)節(jié)點(diǎn)（Ti，Pj），均對(duì)應(yīng)密度值ρij，任選插值點(diǎn)（T，P），其密度ρ如式：

（2）

2.3 經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償法

在蒸汽流量測(cè)定領(lǐng)域中，其具體場(chǎng)景中，蒸汽的物理參數(shù)、流量范圍比較固定，員工可憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償計(jì)算，假設(shè)壓力的范圍：0.1MPa

（3）

3 補(bǔ)償方法的取舍

如果對(duì)流量測(cè)量的精準(zhǔn)度要求較高，參考式（1）。如蒸汽參數(shù)的浮動(dòng)可控制在一定范圍，參考式（2）。如欲采用式（3）類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)公式，需對(duì)其參數(shù)范圍能否接受經(jīng)驗(yàn)公式的限制。

4 結(jié)語(yǔ)

目前業(yè)界進(jìn)行蒸汽流量測(cè)量時(shí)常用的裝置包括標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置差壓流量計(jì)、雙量程節(jié)流式差壓流量計(jì)、孔板差壓流量計(jì)等幾種，無(wú)論哪種方法都需要對(duì)溫度、壓力進(jìn)行一定的補(bǔ)償才能提高其測(cè)量準(zhǔn)確度。

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