測量蒸汽流量時溫度壓力補償的探討

劉立安，張文兵，劉 佳

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

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測量蒸汽流量時溫度壓力補償的探討

劉立安，張文兵，劉 佳

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

闡述了差壓式流量計測量蒸汽流量裝置的構成、工作原理、特點以及溫度壓力補償的實現。

蒸汽流量；差壓式流量計；節流裝置；溫度補償；壓力補償

我公司使用的蒸汽由熱電公司供給，這就涉及到公司之間的貿易結算問題；公司內部成本核算也需要蒸汽計量，所以對蒸汽計量的準確度要求較高。由于蒸汽流量測量裝置的設計溫度、設計壓力與實際運行工作溫度、工作壓力有一定差異，或者由于生產運行造成的工作溫度、工作壓力和設計溫度、設計壓力差別較大，產生測量誤差，不能反映工作狀態下真實測量數據，因此蒸汽流量的測量必須進行溫度、壓力補償。2014年大修期間，對蒸汽流量測量進行技術改造，增加溫壓補償。

1 差壓式帶溫壓補償蒸汽流量測量裝置的構成

差壓式帶溫壓補償蒸汽流量測量裝置是由節流裝置(孔板、噴嘴等)、差壓變送器、溫壓補償裝置組成，并連接記錄、積算、調節儀表或計算機網絡，構成流量的檢測和調節系統。

圖1 差壓式帶溫壓補償蒸汽流量測量裝置

測量蒸汽流量的方法很多，主要有節流裝置的差壓式流量計(比如孔板、噴嘴、均速管、彎管流量計等)，渦街流量計，旋翼式流量計，浮子式流量計等。目前采用最多的是標準節流裝置(孔板、噴嘴)的差壓式流量計，由于標準節流件使用歷史悠久、應用技術成熟、原理簡明、結構簡單可靠、無可動部件、不怕振動、耐高溫可適應其他惡劣環境，同時又具有一套完整的技術規范和標準，根據標準節流件的技術要求和實驗數據就可進行節流裝置的設計、加工和安裝，不必進行實際標定，在蒸汽流量測量中占重要地位。這種測量系統除標準節流件和差壓變送器外，還必須配壓力溫度傳感器，對蒸汽流量進行溫壓補償。

2 差壓式帶溫壓補償蒸汽流量測量裝置的工作原理

2.1 工作原理

在管道中流動的流體，具有動能和靜能，并在一定條件下這兩種形式的能量可以相互裝換，但參加轉換的能量總和是不變的。假設流體是在水平管道中沿軸線方向穩定流動，流體不對外做功，和外界也沒有熱量交換，流體本身也沒有溫度變化，根據這些條件，對于不可壓縮性理想流體，如果流速為V,密度為ρ，靜壓為P，流體充滿管道流動時，其能量方程為：

P/ρ+V2/2=常數

(1)

式中的每一項都代表單位質量流量的能量，第一項為靜壓能，第二項為動壓能。

根據質量守恒、能量守恒及原理，假設節流件上游入口前的流速為V1、密度為ρ1、靜壓為P1，流經節流件時的流速、密度、和靜壓分別為V2、ρ2和P2，根據能量方程其能量關系為：

(2)

根據流體連續性方程：

AV1ρ1=aV2ρ2

(3)

式中:A=πD2/4 (D為管道的直徑)a=πd2/4 (d為節流件的開孔直徑)

因是不可壓縮性流體，可認為節流件前后的密度是不變的，即ρ1=ρ2=ρ。

由式(2)、式(3)推導出流體的平均速度V2(令β=d/D)：

(4)

根據質量流量定義，M=aV2ρ寫出質量流量與差壓ΔP=P1-P2的關系式為：

(5)

式(5)為流量與差壓間的理論公式，它是以理想流體在節流過程中不產生壓力損失為前提推導的，實際流體由于具有粘性流經節流件時必然要產生壓力損失，實際流量要比上式的計算小，因此要引入流出系數C進行修正。即

(6)

α=CE稱為流量系數，它是由實驗決定的。

對于可壓縮流體，考慮到氣體流經節流件時，由于時間很短，流體介質與外界來不及進行熱交換，可認為其狀態變化為等熵過程，這樣，可壓縮流體的流量公式與不可壓縮流體的流量公式有所不同，但是，可以采用不可壓縮流體的流量系數和公式形式，引入一個流體膨脹校正系數ε，于是可壓縮流體的流量與差壓的關系式為：

(7)

2.2 溫壓補償原理

根據上述原理，如果節流裝置制作好，節流件本身固有參數幾乎不變，假如通過它能夠測量某種氣態介質流量，那么同一種介質在不同工況下，其流量就有如下關系：

(8)

M1設計工況質量流量，M2實際工況質量流量。

ρ1設計工況密度，ρ2實際工況密度。

ΔP1設計工況差壓，ΔP2實際工況差壓。

令ΔP1=ΔP2=ΔP，式(8)可簡化為：

(9)

根據ρ1/ρ2=PV1TV2/PV2TV1

PV1為設計工況的絕對壓力，PV2為實際工況的絕對壓力。

TV1設計工況的K氏溫度，TV2實際工況的K氏溫度。

由式(9)可轉化為：

(10)

……

顯然由式(10)看出設計工況質量流量M1與實際工況質量流量M2間的補償修正關系只與相應工作狀態的溫度壓力有關系。

3 差壓式蒸汽流量測量裝置溫壓補償的實現

在實際生產過程中，由于蒸汽的實際溫度、壓力波動而偏離設計值，勢必造成實際累積蒸汽流量存在誤差。為了消除該誤差，在DCS中必需考慮對蒸汽流量測量進行溫壓補償計算。在DCS系統中，做一個專用的溫壓補償功能模塊，工程技術人員完成相關參數的設置和回路連接即可實現。蒸汽流量溫壓補償計算模塊、功能模塊，如圖2、圖3。

圖2 蒸汽流量溫壓補償計算模塊

圖3 溫壓補償計算功能模塊

圖中PT工況代表連接現場壓力采集信號通道，TE工況代表連接現場溫度采集信號通道，FT補償前代表連接現場工況流量采集信號通道，F補償后是DCS 計算修正的流量數即溫壓補償后的瞬時流量值，它可在DCS電腦屏幕上顯示出該瞬時流量實際大小。

4 補償時注意的問題

4.1 補償后避免出現新的誤差

采用溫壓補償時都要用到壓力變送器，這時應考慮:大氣壓及液柱靜壓力的影響，以免出現新的誤差。

大氣壓力引起的誤差，由于溫壓補償的經驗公式中，都包含有蒸汽絕對壓力這一參數，而一般做法是用壓力變送器，把檢測出來的蒸汽表壓力加上當地大氣壓來表示絕對壓力，因此在建立數學模型時，應根據當地大氣壓來計算，不能不加區別的采用近似等于0.1 MPa來代替大氣壓，尤其是海拔較高的地區及所測蒸汽壓力較低時，更應引起注意。如果選用絕對壓力變送器則不會產生上述影響。

液柱靜壓力引起的誤差，由于各種壓力變送器的取壓口與變送器本體大多不可能處于同一高度，因此冷凝水的靜壓力對變送器的輸出會造成影響，而產生附加誤差。取壓口與變送器的垂直距離越大則影響越大，這一影響對普通壓力變送器、絕對壓力變送器都存在影響。這時可采取零點遷移的方法來調整壓力變送器，以消除影響。

4.2 溫壓補償有一定的條件

蒸汽流量測量溫壓補償不是萬能的，當被測蒸汽流量的實際參數(溫度、壓力)與設計的參數不一致時，其流量系數α、流束膨脹系數ε、孔徑d等值都會改變。但當蒸汽的溫度、壓力波動不大，即工況參數偏離設計參數不太多，對測量影響較小時，采用溫壓補償措施才能達到理想的測量精度。但當工況參數偏離設計值太多.或工況參數波動頻繁且太大時，既使有了溫壓補償措施，仍難達到測量精度要求，此時對于特定的孔板而言，只能重新計算差壓與流量之間的關系。

4.3 飽和蒸汽的補償不推薦使用溫度補償

飽和蒸汽采用溫度補償和壓力補償在本質上是一致的。其原因是飽和狀態的蒸汽，其壓力和溫度之間呈單值函數關系，從蒸汽溫度查出的密度同與此溫度對應的壓力查出的密度是一致的。因此，采用溫度補償和壓力補償在原理上都是可行的。但是測溫誤差對流量測量的結果影響比較大，細微的溫度誤差可能引起較大的測量誤差值。例如壓力為0.7 MPa時，如果測量溫度誤差-1 ℃，差壓式蒸汽流量計誤差為-1.14%；而使用壓力補償，同樣的0.7 MPa壓力，如果測量壓力誤差±2 kPa，差壓式蒸汽流量計為±0.13%。顯然，壓力補償得到的補償精確度比溫度補償高。

對于飽和蒸汽，以較高的流速流過，由于壓損引起的絕熱膨脹往往使蒸汽進入過熱狀態，這時仍舊將它看成飽和蒸汽，并根據蒸汽溫度去查飽和蒸汽密度表，得到的數值將會明顯偏高。

由于以上的原因，在測量飽和蒸汽質量流量時，僅僅測量溫度，并據此查密度表，進行質量流量計量將引起較大的誤差。在蒸汽流量計中不推薦使用。

5 結 語

差壓式流量計在測量蒸汽流量時，特別要注意所測量蒸汽壓力、溫度是否符合設計時的壓力溫度，如果實際工況與設計相差比較大，那么必須按照上述方法加以溫壓補償來修正蒸汽流量值，只有這樣才能準確計量。

TQ056.1

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1005-8370(2016)01-25-04

2015-11-17