蒸汽流量的准确计量经验探讨

2013-10-31杨炜

化工与医药工程 2013年1期

关键词：涡街干度孔板

杨炜

（西安利君制药有限责任公司，陕西西安 710077）

蒸汽的准确计量，是多年来计量工作者的追求目标，实际操作中往往很难达到满意的结果，冬季就更为严重，有的用能单位蒸汽计量误差近20%。笔者认为主要原因有三点：蒸汽的物理特性、蒸汽流量测量装置的选用及测量装置的正确使用。

1 蒸汽方面的问题

1.1 过热蒸汽

过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温获得。过热蒸汽的温度与压力参数是两个独立参数，其密度应由这两个参数决定。过热蒸汽在经过长距离输送后，随着工况（如：温度、压力）的变化，特别是在过热度不高的情况下，会因为热量损失温度降低而使其从过热状态，转变成为饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。

1.2 饱和蒸汽

饱和蒸汽的温度与压力之间一一对应，二者之间只有一个独立变量，饱和蒸汽的密度由两者之一决定。饱和蒸汽容易凝结，在传输过程中如有热量损失，蒸汽中便有液滴或液雾形成，并导致温度与压力的降低。含有液滴或液雾的蒸汽称为湿蒸汽。严格来说，饱和蒸汽或多或少都含有液滴或液雾的双相流体，所以，不同状态下不能用同一气体状态方程式来描述。饱和蒸汽中液滴或液雾的含量反映了蒸汽的质量，一般用干度这一参数来表示。蒸汽的干度是指单位体积饱和蒸汽中干蒸汽所占的百分数。

1.3 两相流对测量流量的影响

饱和蒸汽由于其本身的物理特性，在输送过程中因管道保温不完善常常是以汽、水两相流出现（即饱和蒸汽的干度小于100%），湿蒸汽是饱和蒸汽实际存在的几乎唯一形式。过热蒸汽在经过长距离的输送后也往往会成为湿蒸汽。湿蒸汽实质是一种饱和蒸汽和水的两相流，任何汽、液两相流的测量方案中都必须要测量干度这一重要参数。如不考虑干度，将带来很大误差。对测量质量流量是如此，对能量测量亦是如此。据有关资料显示：当蒸汽压力为2.5MPa,干度85%时，如不考虑干度的影响，以干蒸汽密度代替湿蒸汽密度，将带来14.5%左右的质量流量测量误差和5.2%左右的能量流量测量误差[1]。目前的蒸汽计量表没有对干度进行修正，要想准确计量饱和蒸汽流量，就必须最大限度地提高蒸汽干度。期待开发有干度修正的蒸汽计量仪表早日应用。

1.4 提高蒸汽干度的办法

输送蒸汽的管路必须保证有良好的保温措施，防止热量损失。

锅炉操作中应避免出现汽包液位过高现象，尽量减少负荷出现大的波动，提高供汽品质。

2 蒸汽流量测量装置的问题

由于历史原因，蒸汽供需双方以质量流量作为经济结算依据，最终将以能量结算。现在人们广泛使用的蒸汽质量流量计大部分为推导式（也称间接式测量）流量计，测量装置主要由流量传感器、温压补偿单元、流量积算仪等系统组成，目前，流量传感器主要有涡街流量计、差压式流量计、阿牛巴流量计等，现使用涡街流量计、节流式孔板流量计较为普遍。这些流量传感器都是体积流量计，在实际应用系统中，测出测量点附近的流体温度、压力，通过有温压补偿功能的积算仪求得蒸汽的质量流量。

2.1 涡街流量计

涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种新型流量计，70年代以来得到了迅速发展，是孔板流量计的替代产品之一。涡街流量计主要的基本结构由涡街发生体、检测元件、信号处理放大电路组成。特点：结构简单牢固，无可动部件；维护十分方便，安装费用低；测量范围宽，量程比可达1：15（智能型量程比更高）；压力损失较小；测量精度高，一般为±(1～1.5)%R，但涡街流量计存在一定的局限性：涡街流量计是一种速度式流量计，旋涡分离的稳定性受流速影响，故它对直管段有一定的要求。应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器，故其受温度的限制，一般为-40℃～+300℃。

2.2 差压式孔板流量计

孔板流量计应用历史悠久，有国际标准，测量精度属中等水平，应用十分普遍，但经过几十年的应用，发现孔板流量计有以下不足：应用中许多因素（设计参数与工况参数不符、上游直管段不足、孔板和管道不同心、孔板A面受污、锐角磨损等）对其测量精度有非常大的影响，使其测量误差增大；安装较为麻烦，维护及拆洗的工作量较大；流量量程比为1∶3（现已开发出智能型孔板流量计，量程比增加），局限性大；若安装不正确，容易发生泄漏、堵塞、冻结；压力损失较大，运行费用高。

2.3 影响蒸汽测量装置准确计量的主要问题及解决办法

关于蒸汽计量方面，目前存在不少误区，很多用户认为购买了高品质的流量计就可以得到准确的计量结果。蒸汽的计量不同于其它介质，在实际测量中影响其精确测量的因素较多，经常会出现流量计本身检定合格，而实际却感觉计量“不准”的现象。蒸汽流量准确计量从以下六个方面考虑。

2.3.1 重视蒸汽流量传感器的正确选型

选择蒸汽流量传感器，应重点考虑三点，一是量程问题。蒸汽流量传感器选型时测量范围对准确计量影响很大。用汽高峰时瞬时值相当大，而用汽低谷时瞬时值又很小，一般蒸汽传感器的测量范围就难以适应，此时应采用大量程比的智能型流量计（最大量程比可达100∶1）或选择多个流量计并联，必要时要对管道缩径改造。二是管道直径问题。若选用节流式流量计，在设计节流装置时，往往基本上都采用工艺提供的公称名义管径值，其实公称名义管径值与实际管径值还是有误差的，特别是卷管，公称名义管径值与实际值有时差值还较大，造成计量误差增大，测量的准确度就难以达到设计要求，设计前最好实测管径，以减少计算误差。三是信号输出制式问题。若选用涡街流量计，则在制式选择时，最好选用脉冲输出，避免信号在传输时的附加误差。

2.3.2 重视测温传感器的正确选用

一般温度传感器都首选铂热电阻，对于Pt100的铂热电阻：A级误差：0.15+0.002t，B级误差：0.30+0.005t，t为被测介质的温度，若用于饱和蒸汽流量测量中的补偿，假如[2]：饱和蒸汽的压力为0.7MPa,对应的温度为170.5℃，密度为4.132 kg/m3，如果测温误差为-1℃，则查得密度为4.038 kg/m3，A级、B级的误差限差值为0.662℃，这将造成1.5%的密度误差，显然，B级铂热电阻引起的误差是客观的，所以，最好选用A级铂热电阻。

2.3.3 重视压力变送器的正确选用

压力测量误差与压力变送器的精度等级和量程有关，假如，选用0.5级精度、0MPa～1MPa测量范围与选用0.5级精度、0MPa～2.5MPa测量范围的压力变送器测量0.7MPa饱和蒸汽压力，其误差限分别为：±5kPa、±12.5kPa，如果用此查蒸汽密度表，将造成±0.625%、±1.56%的密度误差，若选择后者，计量误差明显增大，所以，压力变送器的精度等级和量程要按规定选择，常用蒸汽压力应工作在满量程的1/2～2/3之间。

2.3.4 蒸汽的密度补偿测量方法要正确

为了准确计量蒸汽的质量流量，必须考虑蒸汽压力和温度的变化，即蒸汽密度补偿。不同类型的流量计受密度变化影响的方式不同。涡街流量计的工况体积流量只和流速有关，而和介质的密度、压力和温度无关，而节流式孔板流量计的工况体积流量与流量计的几何外型、差压平方根和密度平方根有关。①补偿精确度的差异。测温对补偿精确度影响较大。如采用相同精度等级的温度和压力感应器，测温误差引起的密度差异要大于测压误差。②压力测量影响因素。在蒸汽压力的测量中，由于引压管内冷凝水的重力作用会使压力变送器测量到的压力同蒸汽压力之间出现一定的差值，如果不予以校正，则会带来蒸汽密度的误差。③温度测量影响因素。温度测量误差除了测温元件的固有误差之外，还同安装的不规范有关。

2.3.5 蒸汽干度的影响（前面已叙述）

2.3.6 正确安装蒸汽流量测量装置

任何蒸汽计量仪表都必须安装正确，正确安装蒸汽流量仪表，要做到以下七点：

2.3.6.1 在所安装流量传感器前后必须按规范要求留有足够长的直管段，对于传统的涡街或孔板流量计，其前后安装直管段要求分别约为20D和5D。有的管径不规范，最好选用标准通径的直管段。

2.3.6.2 减小振动对涡街流量表的影响。首先在选择传感器安装场所时尽量注意避开振动源。其次加装管道支撑物是有效的减振方法。

2.3.6.3 在涡街流量表上游2-10D处取测压点，下游5-10D处取测温点，压力变送器取压口应于管道中心水平线上，测温元件应探入管道内部且迎向流体方向。

2.3.6.4 涡街流量计测蒸汽时，因电路板热稳定性问题，传感器安装时最好头不要朝上，减少管道热量对电路板的影响，以免造成测量误差的增大。

2.3.6.5 严格按照要求进行接地，信号线要正确接好屏蔽线，两线制电源的负端不要和传感器外壳连接。

2.3.6.6 节流式流量计必须高度重视冷凝器的安装。两个冷凝器亦须处于同一水平上，两个冷凝器的作用是使导压管中被测蒸汽冷凝并使正、负导压管中冷凝液面有相等高度及保持长期稳定；为不使冷凝液面波动对测量产生误差，冷凝器的有效容积应大于所使用的差压变送器工作空间的最大容积变化的3倍，在水平方向的横截面积不得小于差压变送器的工作面积，系统确保密封良好，严禁泄漏；要充分考虑维护、拆换、吹扫便利。

2.3.6.7 使用差压变送器时，导压管长度最好在16 m内，内径最好选用Φ18 mm以防堵塞为好。导压管全程保温并确保正负管处于同等温度以免密度变化引起误差。

3 蒸汽流量计的日常使用问题

3.1 正确设置流量计的技术参数

3.1.1 使用涡街流量计时要正确修正仪表系数。一般给出的是在20℃时的出厂流量系数，使用时要根据工况温度进行正确调整，否则，计量误差将增大，例如：当蒸汽温度为200℃时，若不修正将产生误差近1%。温度修正公式如下：

式中：Kt— 传感器工作温度下的仪表常数(l/m3)；

K20— 传感器出厂时的仪表常数(l/m3)；

t — 介质温度 (℃ )。

3.1.2 要正确设置流量积算仪有关参数，以下主要参数必须设置正确

（1）管道通径；（2）测量类型（饱和蒸汽、过热蒸汽选择）；（3）显示单位；（4）工作温度下的流量系数Kt；（5）压变、温变量程；（6）输出量程。

3.2 计量仪表检修维护

3.2.1 检修维护

由于流量传感器长期处在高温、高压的水蒸汽环境中，很容易造成表件损坏、锈蚀、杂质阻塞等，因此，需要经常维护和定期检修。差压式孔板蒸汽流量计特别要检查孔板开口的圆面是否锈蚀，有没有附着脏物，要定期清洗，对锈蚀严重的孔板要更换。涡街流量传感器在使用中要注意检查三角柱缝隙是否有杂物阻塞、检测元件是否失灵，等等。

3.2.2 定期校准（检定）

计量仪表要定期周检，在单体校准的基础上，还必须对流量积算仪进行现场系统（含连接导线）综合校验，减少因系统的接线、线路电阻、其它附加误差造成对测量信号的影响。

3.3 计量仪表日常运行

计量仪表日常运行中要及时采集流量测量数据并分析数据及实时曲线是否异常，及时发现问题，及时解决问题。以下是笔者公司一蒸汽用户仪表故障的一个实例，仅供参考。该用户管道通径为DN50，用汽以冬季采暖为主，去年12月份有一天发现用量偏小，经检查供电电源、压电晶体、接线都正常无误，现场实验由小到大逐渐缓慢开启用户总阀门，发现本应瞬时流量随阀门的开大而增大，但实际仪表显示大到一定值后却逐渐减小，将流量表拆回检查，下图为该仪表故障时用双踪示波器测出模拟流量信号的输入、输出波形图。DN50涡街表测量蒸汽的范围为：95Hz～1 300Hz(35 m3/h～490 m3/h)。更换放大板后，故障排除，仪表工作正常，此故障属疑难杂症类故障。

4 笔者公司蒸汽计量系统改造简况

图仪表故障时用双踪示波器测出模拟流量信号的输入、输出波形图

公司西区有供热锅炉4台，额定总蒸发量65t/h，蒸汽为饱和蒸汽。次级用能单位及主要用能设备共计11路蒸汽，各用户采用蒸汽分配站集中分配供汽方式，计量表集中安装，计量系统未改造前采用带压力补偿的孔板式流量计，总表与分表误差为10%～13%。经过技术改造，全部选用带温度或压力补偿的涡街式流量计后，总表与分表误差为3%～4%，下表为计量系统改造后的计量数据。