張秀利

上海焦化有限公司 （上海 200241）

關(guān)于蒸汽計(jì)量應(yīng)用研究

張秀利

上海焦化有限公司 （上海 200241）

從蒸汽特殊性入手，介紹如何對(duì)蒸汽進(jìn)行密度補(bǔ)償、如何做好蒸汽計(jì)量儀表的正確選型、正確安裝，確保蒸汽計(jì)量的準(zhǔn)確性。并對(duì)日常工作中遇到的問題提出解決措施。

蒸汽計(jì)量 密度補(bǔ)償 儀表選型 旋渦流量計(jì) 孔板流量計(jì)

0 前言

蒸汽是比較特殊的介質(zhì)，隨著工況（如溫度、壓力）的變化，過熱蒸汽經(jīng)常會(huì)轉(zhuǎn)變成為飽和蒸汽，形成汽液兩相流介質(zhì)。對(duì)于相流經(jīng)常變化的蒸汽，使用目前流量儀表測(cè)量其流量，肯定會(huì)存在測(cè)不準(zhǔn)的問題。這個(gè)問題的解決方法是保持蒸汽的過熱度，盡量減少蒸汽的含水量，例如加強(qiáng)蒸汽管道的保溫措施，減少蒸汽的壓力損失等?？傊鄬?duì)其他介質(zhì)而言，蒸汽計(jì)量比較復(fù)雜。下面從蒸汽計(jì)量的密度補(bǔ)償、選型、安裝等方面來探討如何確保蒸汽計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1 蒸汽計(jì)量中的密度補(bǔ)償

計(jì)量飽和蒸汽或過熱蒸汽常用質(zhì)量流量，單位為kg/h。質(zhì)量流量大小與蒸汽的密度有關(guān)，而蒸汽的密度又直接受蒸汽的壓力及溫度影響。在蒸汽計(jì)量過程中，隨著熱汽壓力及溫度的不斷變化，密度也隨著變化，使質(zhì)量流量也隨著變化，如果計(jì)量儀表不能跟蹤這種變化，勢(shì)必造成計(jì)量誤差。因此，在蒸汽計(jì)量過程中一般都是通過壓力及溫度補(bǔ)償來達(dá)到密度補(bǔ)償目的。飽和蒸汽的密度變化與其壓力或溫度成正比關(guān)系，因而單獨(dú)通過測(cè)壓力或測(cè)溫度都可以對(duì)飽和蒸汽進(jìn)行密度補(bǔ)償。過熱蒸汽的密度與其壓力、溫度成函數(shù)關(guān)系，而不是正比關(guān)系，過熱蒸汽的密度補(bǔ)償必須同時(shí)測(cè)其壓力和溫度。這里，特別需要指出的是：測(cè)量蒸汽壓力的壓力變送器，其引壓管中的冷凝水產(chǎn)生一個(gè)靜壓，所以，要對(duì)壓力變送器進(jìn)行遷移。如上海焦化有限公司送京華化工廠的飽和蒸汽，其正常壓力為0.65 MPa,密度為3.842 kgf/cm2，由于該蒸汽管道離地面較高，壓力變送器安裝在地面，故引壓管中的靜壓有 70 kPa,壓力顯示為0.65+0.07=0.72 MPa，密度為4.325 kgf/cm2，經(jīng)計(jì)算單密度補(bǔ)償就帶來了12.57%的誤差。由此可見，蒸汽計(jì)量中的壓力修正是一個(gè)不可忽視的問題。

2 蒸汽計(jì)量中的儀表選型

世界上流量儀表的種類繁多，但每種流量儀表都有它特定的適用性和局限性，如果流量儀表選擇不當(dāng)，流量肯定測(cè)量不準(zhǔn)。因此，選擇一個(gè)合適的流量儀表也就變成一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，顯得尤為重要。對(duì)蒸汽計(jì)量而言在選擇流量儀表時(shí)應(yīng)考慮被測(cè)蒸汽的性質(zhì)、用氣量、蒸汽壓力變化范圍、常用工作壓力、最小工作壓力、蒸汽溫度變化范圍、管道規(guī)格、維護(hù)需求以及流量儀表的特性等。目前，上海焦化有限公司測(cè)量蒸汽流量的儀表主要有旋渦流量計(jì)和差壓式流量計(jì)等。

2.1 旋渦流量計(jì)

旋渦流量計(jì)是基于卡門旋渦原理而研制成功的一種流量計(jì)，其流量公式為：

式中：qv－體積流量，m3/h；

Sr－斯特勞哈爾系數(shù)；

m－漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比；

d－漩渦發(fā)生體硬面寬度，m；

D－表體通經(jīng)，m；

f－漩渦的發(fā)生頻率，Hz/s。

由于旋渦流量計(jì)具有其他流量計(jì)不可兼得的優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展。據(jù)介紹，現(xiàn)在日本、歐美等發(fā)達(dá)國家使用旋渦流量計(jì)的比例大幅度上升，已廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，將在未來流量儀表中占主導(dǎo)地位。它具有以下特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護(hù)方便（與孔板流量計(jì)相比較，無需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結(jié)等）。

（2）適用流體種類多，如液體、氣體、蒸汽和部分混相流體。

（3）精確度較高，一般為測(cè)量值的±1%。

（4）范圍度寬，可達(dá)10∶1或20∶1。

（5）壓損?。s為孔板流量計(jì)的1/4～1/2），運(yùn)行費(fèi)用低，更具節(jié)能意義。

（6）輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)，適用于總量計(jì)量，無零點(diǎn)漂移。

（7）在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號(hào)不受流體物性（密度和粘度）和組分的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān)，只需在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)并適用于各種介質(zhì)。

但是，旋渦流量計(jì)也有其一定的局限性：

（1）不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量（ReD≥2×104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下，應(yīng)用受到限制。

（2）旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，應(yīng)根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器），一般可借鑒孔板流量計(jì)的直管段長度要求安裝。

（3）旋渦流量計(jì)的發(fā)生體只能在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置上通過實(shí)物進(jìn)行標(biāo)定。

2.2 孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)是以流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)的一種測(cè)量手段。其流量公式為：

式中：qm－質(zhì)量流量，kg/s；

c－流出系數(shù)；

d－節(jié)流件開孔直徑，m；

ε－可膨脹性系數(shù)；

ρ－被測(cè)流體密度，kg/m3；

β－節(jié)流件孔徑與直管段內(nèi)徑之比，β＝d/D；

Δp－差壓，Pa?？装辶髁坑?jì)應(yīng)用范圍廣泛，至今尚無任何異類流量計(jì)與之相比，而且結(jié)構(gòu)簡單、牢固，性能穩(wěn)定，使用年限長，價(jià)格低廉。但經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)孔板流量計(jì)有以下不足：

（1）測(cè)量的重復(fù)性、精確度在流量計(jì)中屬于中等水平，由于眾多因素的影響錯(cuò)綜復(fù)雜，精確度難以提高。

（2）范圍度窄，由于儀表信號(hào)(差壓)與流量為平方關(guān)系，一般范圍度僅為3∶1～4∶1。

（3）現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高，如需較長的直管段。需配差壓變送器使用，增加了維護(hù)的工作量，另需敷設(shè)導(dǎo)壓管，且在冬季需對(duì)導(dǎo)壓管進(jìn)行保溫。檢測(cè)件與差壓顯示儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號(hào)失真等故障。

（4）孔板與差壓變送器之間引壓管易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號(hào)失真等故障。

（5）壓力損失較大，運(yùn)行費(fèi)用高。

3 蒸汽計(jì)量儀表的正確安裝

隨著儀表制造技術(shù)的發(fā)展，儀表的精度、穩(wěn)定性及可靠性有了很大程度的提高，為確保計(jì)量準(zhǔn)確性提供了硬件保障。但在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常碰到蒸汽計(jì)量數(shù)據(jù)不合理甚至不能正常工作，而單獨(dú)校驗(yàn)計(jì)量儀表均合格，究其原因往往是由于現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝不規(guī)范所造成的。因此，合理安裝現(xiàn)場(chǎng)流量儀表，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠性具有實(shí)際意義。

旋渦流量計(jì)的安裝較為簡單，在選型合理的情況下，可安裝在水平或垂直的管道上，但要保證流量計(jì)的中心線與管道軸線相重合且流向正確，密封墊圈不得凸入管道內(nèi)徑。當(dāng)需要測(cè)壓時(shí)，將測(cè)壓點(diǎn)設(shè)置在旋渦發(fā)生體下游3.5～7.5 D的地方；當(dāng)需要測(cè)溫時(shí)，將測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置在旋渦發(fā)生體下游1 D～2 D的地方（見圖1）。

相比之下，差壓變送器的安裝較為復(fù)雜，差壓變送器安裝著重考慮附件及管路的安裝，規(guī)格齊全、性能優(yōu)良的附件（如取壓裝置、冷凝器和隔離器等）能方便儀表維護(hù)、檢修、排污及保護(hù)變送器等，差壓變送器取壓管盡量按最短距離安裝（3～50 m）。為了避免在管路中積聚氣體，導(dǎo)壓管應(yīng)垂直安裝，水平安裝時(shí)其傾斜度不應(yīng)小于1∶12。此外，管路中的截止閥或球閥應(yīng)可靠、耐用，避免閥門的滲漏影響測(cè)量準(zhǔn)確性，且利于管路及儀表檢修。具體安裝方法見圖2。

4 蒸汽計(jì)量所遇到的問題及采取的措施

以前，上海焦化有限公司主要采用孔板流量計(jì)對(duì)蒸汽進(jìn)行計(jì)量，但是使用結(jié)果不盡如人意，譬如：煉焦分公司5#、6#焦?fàn)t用蒸汽，由于管廊架高，連接差壓變送器的引壓管長，使正負(fù)壓室引壓管在結(jié)冷凝液時(shí)，內(nèi)部氣泡排不盡，造成正負(fù)壓室靜壓不等，對(duì)引壓管進(jìn)行灌注防凍液時(shí)，也難以做到正負(fù)壓室的靜壓相等，故加大了計(jì)量誤差；再比如，煤氣分公司砷堿蒸汽流量由于環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)腐蝕嚴(yán)重，整個(gè)計(jì)量裝置泄漏嚴(yán)重，在增加了儀表工維護(hù)保養(yǎng)工作量的同時(shí)，給計(jì)量的準(zhǔn)確性帶來了一定的難度。針對(duì)類似的情況，再結(jié)合公司的實(shí)際情況，最近兩年上海焦化有限公司采取了以下措施：對(duì)管廊架高但環(huán)境尚可，而且有平臺(tái)的，將差壓變送器安裝到平臺(tái)上，盡量減少引壓管的長度；對(duì)環(huán)境惡劣場(chǎng)所的蒸汽計(jì)量裝置改裝成旋渦流量計(jì)，減少泄漏點(diǎn)。經(jīng)過這一系列的措施，大大提高了蒸汽計(jì)量的準(zhǔn)確性，減少了計(jì)量糾紛。

5 結(jié)束語

蒸汽計(jì)量是企業(yè)的一大難點(diǎn)，隨著科技的進(jìn)步，流量儀表的種類越來越多，但每種流量儀表都有它特定的適用性和局限性，因此，選擇合適的蒸汽流量儀表顯得尤為重要。今后要結(jié)合具體的情況，合理選擇并使用，才能使計(jì)量儀表發(fā)揮更好的作用。

[1]紀(jì)綱.流量測(cè)量儀表的應(yīng)用技巧.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002,11.

[2]王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000,6.

[3]蔡武昌流量測(cè)量方法和儀表的選用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001,4.

TQ056.1

張秀利 女 1969年生 2007年上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 工程師 長期從事計(jì)量管理工作

2010年6月