基于蒸汽流量测量中的温度压力补偿分析

庞朝辉

摘要：根据蒸汽在各个领域的使用情况以及对流量测量的需求，对现阶段采用的测量流量的方法进行了介绍，常见的包括标准节流装置差压流量计、双量程节流式差压流量计、孔板差压流量计、涡街流量计四种。对常见用的蒸汽测量温度与压力补偿方法进行研究，认为行业标准推荐公式补偿法、插值补偿法、经验补偿法较为常见。并探讨了补偿方法在不同场景下的选择。

关键词：蒸汽；流量测量；补偿

中图分类号：TK313文献标识码：A

蒸汽在人类生活生产中是重要的二次能源。对蒸汽流量准确测量助于生产的有效控制节约能源。现阶段对蒸汽流量的测量有多种方法，均需要对蒸汽参数进行设置，根据压差和蒸汽流量所产生的固定计量关系测定其流量值。而在实际运用中，蒸汽的关键参数都处于不断的变化中，与其设定的值存在偏差，需要对这些偏差进行一定的温度、压力修正，实现精准测量。因此对蒸汽参数波动提出一种合理的补偿算法，对现代业界蒸汽流量的精准测量有着积极的意义。

1 蒸汽流量测量的方法

目前业界所采用的蒸汽流量测量设备多为推导式。其中，节流式差压流量计与涡街流量计为最为常见。

1.1 标准节流装置差压流量计

节流式差压流量计原理为： 。其中，q为流量， 为直径比，D为内径，d为开孔直径， 为膨胀系数，C为流出系数， 为压差， 为流体密度。如式，最终的测量值和流体密度紧密相关，而蒸汽的温度和压力的波动会直接影响流体密度。在装置实际运行中，会通过测量温度t和压力p，计算其密度，再用公式计算其流量，即为温度和压力补偿。

1.2 双量程节流式差压流量计

使用标准差压式流量计，其测量范围不够精准，现把节流式差压流量计原理公式简化，可将 近似为 。再对其无量纲处理，能获得qm=f（Δp）的关系。为更好地表示差压测量的准确性对流量值准确性的影响，需借助偏微分方法。得： 。其中，Δp的相对值变化时， 也改变。因此可下结论：当我们为得到±1%的测量精度，且采用了7.5%精度等级的差压变送器，需要在差压≧3.75%FS，方保其确度。

1.3 孔板差压流量计

线性孔板环隙面积能根据流量大小的变化而自动调节，因有圆锥塞子随差压弹簧来回活动，环隙面积的大小变化迫使输出差压和流量呈正相关，因此可拓宽测试的范围。当蒸汽经过面积为A的孔板时，蒸汽流量q和孔板差压 具备 的正比关系。在孔板处放一把活塞，设差压造成的活塞和弹簧在活动中的移动长度为X，可认为 等于 ， 为弹簧弹性系数。活塞移动，开孔面积受到挤压而变化，得出 与 成正比关系，系数为 。进一步得出 与 亦为正比关系，系数为 。整理以上关系得出： 。其中 ，为常数。可见，蒸汽的流量和差压呈正相关关系，根据差压信号就能计算出流量值。

1.4 涡街流量计

该流量计基于卡门涡街原理，假定旋涡的发生频率和蒸汽速度正比关系： ，f为旋涡发生频率，v为流速，d为三角柱宽度，St为斯特劳哈数。

流体旋涡会对三角柱施加周期性压力，该压力产生电信号传至前段放大，连接频率计，后者显示出频率。

2 蒸汽流量测量温度与压力的补偿方法

补偿方法如下几种。

2.1 行业标准推荐公式补偿法

水和水蒸气性质国际委员会（IAPWS）1997年发布“水和水蒸气热力性质工业公式”，为蒸汽测量参数的标准。其把水的状态分为五个区域，能基于其自身的特性计算方程式得出水状态特性，具体区域如图1所示：

图1 液态水与气态水的区域参数分布图

蒸汽处于图中的区域2，参考图，可知其密度参数取决于温度和压力，关系如式：

（1）

式中， ， ， ， ，R为气体常数，这里的系数 、 、 、 在IAPWS文件中均有说明。对蒸汽流量进行测量时根据即刻获得的蒸汽温与压力带入式（1），可准确修正密度值。

2.2插值补偿法

假设蒸汽温度为TS，压力为PS，密度为ρ，以ρ（TS，PS）为中心，温度在（0.9-1.1）TS之间波动，压力在（0.9-1.1）PS之间浮动，用平面几何仿真，坐标轴横向为温度，竖向为压力，得一正方形区间，选取M*N 组蒸汽点，根据图表查询等得到蒸汽密度值，建立一组二维数组，借助二元插值公式，得到蒸汽密度近似值。对于已经选取的M*N 个节点（Ti，Pj），均对应密度值ρij，任选插值点（T，P），其密度ρ如式：

（2）

2.3 经验补偿法

在蒸汽流量测定领域中，其具体场景中，蒸汽的物理参数、流量范围比较固定，员工可凭经验进行温度和压力补偿计算，假设压力的范围：0.1MPa

（3）

3 补偿方法的取舍

如果对流量测量的精准度要求较高，参考式（1）。如蒸汽参数的浮动可控制在一定范围，参考式（2）。如欲采用式（3）类的经验公式，需对其参数范围能否接受经验公式的限制。

4 结语

目前业界进行蒸汽流量测量时常用的装置包括标准节流装置差压流量计、双量程节流式差压流量计、孔板差压流量计等几种，无论哪种方法都需要对温度、压力进行一定的补偿才能提高其测量准确度。

参考文献：

[1]IAPWS.The international association for the properties of water and steam[M].Lucerne， Switzerland： IAPWS 2007.

[2]蔡武昌，孙淮清.流量测量方法和仪表的选用[M].北京：化学工业出版社，2001

[3]张晓勤，贾玉伟.用差压式流量计测量蒸汽流量时温度、压力补偿的实现及探讨[J].纯碱工业.2006，（01）：25-29.