寬量程蒸汽流量計(jì)計(jì)量及若干問題的討論分析：

[摘  要] 蒸汽流量計(jì)量是供熱行業(yè)計(jì)量工作中的一項(xiàng)主要內(nèi)容，由于行業(yè)的點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行儀表經(jīng)常碰到超測(cè)量范圍、密度計(jì)算、儀表選型等問題。本文從介紹現(xiàn)代流量計(jì)量技術(shù)入手，結(jié)合目前供熱企業(yè)計(jì)量管理需求，提出了一套已經(jīng)獲得成功應(yīng)用的蒸汽流量計(jì)量器具配備方案，該方案解決了蒸汽流量寬量程、高精度、能量計(jì)量、數(shù)據(jù)上網(wǎng)等現(xiàn)代供熱計(jì)量的新要求。

1前言

蒸汽是城鎮(zhèn)供熱行業(yè)中主要的供熱介質(zhì)，所以提高蒸汽的生產(chǎn)、輸送及使用效率可以節(jié)約大量的能源。準(zhǔn)確的計(jì)量是提高能源管理水平的關(guān)鍵。由于蒸汽的殊性，在計(jì)量方面存在諸多困難，長(zhǎng)期以來一直是城鎮(zhèn)供熱行業(yè)計(jì)量工作中的老大難問題，逐步建立一套適合我國(guó)城鎮(zhèn)供熱企業(yè)點(diǎn)，具有科學(xué)性，經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性的蒸汽計(jì)量?jī)x表的配備方案，是當(dāng)前城鎮(zhèn)供熱計(jì)量管理的緊迫課題。目前蒸汽流量測(cè)量主要采用的還是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置這一傳統(tǒng)的測(cè)量手段，但是常規(guī)的孔板流量計(jì)在蒸汽測(cè)量方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在測(cè)量范圍小、壓損大，現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)復(fù)雜、檢定周期短等方面。尤其是測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，在熱負(fù)荷變化大的情況下計(jì)量誤差大大增加，使供熱企業(yè)受到經(jīng)濟(jì)損失。目前，通過現(xiàn)代技術(shù)手段，可以很好地解決這些問題，下面針對(duì)這些問題進(jìn)行分析，并提出一套合理的蒸汽流量計(jì)量器具配備方案。

2供熱蒸汽流量計(jì)量面臨的問題

2.1關(guān)于寬量程的問題

我們都知道，雖然引起孔板流量計(jì)誤差因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設(shè)計(jì)與施工予以保證。一般儀表的準(zhǔn)確度都是用測(cè)量范圍內(nèi)相對(duì)誤差表示。因此當(dāng)測(cè)量值越接近滿度值，其準(zhǔn)確度越高。但在蒸汽輸送過程中，實(shí)際的流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定，在熱負(fù)荷變化大的情況下，使流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間工作在測(cè)量范圍以外，這樣就造成了很大的測(cè)量誤差。因此在設(shè)計(jì)蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮使用具有寬量程補(bǔ)償運(yùn)算功能的計(jì)量系統(tǒng)。對(duì)節(jié)流件流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等中間參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算是解決寬量程的關(guān)鍵。

節(jié)流式流量計(jì)流量計(jì)算公式為：

     式（1）

式中：qv——體積流量m3/s

C——流出系數(shù)

ε——可膨脹性系數(shù)

d——節(jié)流件開孔直徑，m

D——管道內(nèi)徑，m

β——直徑比，(β=d/D)

——被測(cè)流體密度，kg/m3

Δp——差壓，Pa

其中：按GB/T2624-2006標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)C的計(jì)算式為：

式(2)
 
 

式中：ReD——雷諾數(shù)

流束可膨脹系數(shù) 的計(jì)算式為：

    式（3）

式中： ：等熵指數(shù)

      P1P2：分別節(jié)流件前后的壓力，Pa

傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計(jì)是將流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε視為定值（C和ε由專門的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算得到），置入現(xiàn)場(chǎng)的流量積算儀。圖1是一臺(tái)孔板流出系數(shù)曲線。

0.6264
 
0.6081
 
0.6000
 
0.6101
 
0.6176
 
0.5
 
1
 
3
 
5
 
10
 
102
 
103
 
104
 
C
 
流出系數(shù)C與雷諾數(shù)ReD曲線（D=50mm，β=0.5，法蘭取壓）
 
 圖1曲線表明：當(dāng) =3×104 ，C=0.6101； =1×104 ，C=0.6176；平均值 =0.6139，即 在3×104 ～1×104范圍內(nèi)（3：1）其不確定度為0.61%。

當(dāng) =5×104 ，C=0.6081； =5×103 ，C=0.6264；平均值 =0.6173，即 在5×104 ～5×103范圍內(nèi)（10：1）其不確定度為1.5%，遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的一級(jí)表對(duì)不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數(shù)ε在超測(cè)量范圍情況下，所引起的測(cè)量不確定度更不容忽視，例如，一臺(tái)角接取壓孔板流量計(jì)（D=100mm，β=0.5）測(cè)量過熱蒸汽（壓力=4Mpa，溫度=400℃）， 在28×105 ～2.8×105（介質(zhì)流速：52～5.2米/秒）范圍內(nèi)，可膨脹系數(shù)ε的不確定度為3.0%！因此要實(shí)現(xiàn)寬量程，就必須對(duì)流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

由式（2）可以看流出系數(shù)C的計(jì)算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了計(jì)算流出系數(shù)C的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運(yùn)算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復(fù)雜的中間參數(shù)的補(bǔ)償運(yùn)算。

智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計(jì)算機(jī)的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計(jì)成為可能。歸納起來它應(yīng)具備三個(gè)條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2.差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間數(shù)字通訊（Hart協(xié)議）除能滿足全量程差壓信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍。3.流量計(jì)算機(jī)不僅可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)對(duì)工況流量進(jìn)行修正，還可以實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計(jì)，在滿足準(zhǔn)確度同時(shí)，流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到10：1(或更寬)，節(jié)流式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變著人們對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

2.2關(guān)于蒸汽密度問題

對(duì)于蒸汽的流量測(cè)量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，但是由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在整個(gè)一套測(cè)量系統(tǒng)中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號(hào)的準(zhǔn)確與否，并盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測(cè)量中的重要地位，從式（1）中可以看出差壓與密度在測(cè)量中是處于同等地位的。目前流量類二次顯示儀表（系統(tǒng)）中蒸汽流量密度的計(jì)算，有相當(dāng)數(shù)量的儀表采用的是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式或查表法，其準(zhǔn)確度往往不能滿足要求。

和一般通用氣體相比，在計(jì)算水蒸汽流量時(shí)有三個(gè)難點(diǎn)：

(1)密度的確定：

水蒸汽的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應(yīng)視為實(shí)際氣體。水蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜的多，故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式子加以描述；所以，在以往的工程計(jì)算中，凡涉及水蒸汽的狀態(tài)參數(shù)數(shù)值，大都從水蒸汽表中查出。把蒸汽參數(shù)表裝入儀表中，數(shù)據(jù)量很大。

(2)水蒸汽在應(yīng)用過程中由于參數(shù)的變化，會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化；如過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?，飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽。所以必須先判別蒸汽的狀態(tài)（是飽和蒸汽或是過熱蒸汽），再查不同的數(shù)表或用不同的公式計(jì)算。

(3)濕飽和蒸汽含有飽和水，是兩相流。要準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽流量還必須知道干度。而干度測(cè)量難度很大，國(guó)外已有一些研究成果，但未見普遍推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前仍處于研究階段。

通常有以下兩種水蒸汽密度的確定方法：

(1)      查表法：把水蒸汽密度表裝入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)工況的溫度、壓力，從表中查出相應(yīng)的密度值。

(2)      計(jì)算法：

①   自己擬合公式（或者出版物給出的公式）

②   烏卡諾維奇公式

③   IFC1967公式

我國(guó)沒有制定“水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表”的標(biāo)準(zhǔn)，而是采用國(guó)外出版物的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表。我國(guó)曾翻譯過美國(guó)的、前蘇聯(lián)的、西德的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表，近年來逐步統(tǒng)一到 IFC1967公式的數(shù)表。因此，我們?cè)诹髁繙y(cè)量中使用的儀表應(yīng)該按照IFC1967公式進(jìn)行實(shí)時(shí)的密度計(jì)算才是z理想和準(zhǔn)確的方法。目前我國(guó)JJG1003-2005《流量積算儀》檢定規(guī)程已引用了該公式。

《JJG1003-2005》檢定規(guī)程的一個(gè)重要點(diǎn)是把流量積算儀表與流量變送器、被測(cè)流體緊密結(jié)合在一起，檢定的理論值*按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到。由于涉及的流量變送器種類、被測(cè)流體的類型較多，計(jì)算公式各異且相當(dāng)復(fù)雜。為此，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和北京博思達(dá)新世紀(jì)測(cè)控技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)了《FIMJ-01-WIN版流量積算儀檢定軟件》以滿足用戶對(duì)流量積算儀（含流量計(jì)算機(jī)、DCS、PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等）型式檢定、出廠檢定、周期檢定以及對(duì)在線儀表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定的需要。

2.3關(guān)于能量計(jì)量問題

不同狀態(tài)下等質(zhì)量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如：在壓力為0.8Mpa、溫度為200℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2838.6千焦；在壓力0.8Mpa溫度為220℃的條件下的過熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2千焦，二者相差1.6%。所以，以質(zhì)量為蒸汽的結(jié)算單位不能真實(shí)反映蒸汽的價(jià)值。針對(duì)上述情況，以能量作為蒸汽的結(jié)算單位，已不僅是學(xué)術(shù)界的共識(shí)，而且也得到了廣大蒸汽的生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)，呼吁出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步科學(xué)的規(guī)范蒸汽計(jì)量，并考慮到人們多年使用蒸汽質(zhì)量為交結(jié)單位的習(xí)慣，作為一種過渡，仍應(yīng)保留以質(zhì)量為蒸汽結(jié)算單位。改動(dòng)貿(mào)易計(jì)量單位是一個(gè)較復(fù)雜的問題，但先在企業(yè)內(nèi)部推行蒸汽的能量計(jì)量在技術(shù)層面上是可行的，在管理層面將是一項(xiàng)十分有益的實(shí)踐。

2.4關(guān)于非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)

近年來，各種各樣的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)依其各自的點(diǎn)，在流量測(cè)量方面進(jìn)行了積的探索。但是由于它們不能像標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣，有成熟且通行的、標(biāo)準(zhǔn)支持，其儀表系數(shù)必須通過實(shí)流標(biāo)定獲得（所謂實(shí)流標(biāo)定一般是指在沒有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定的情況下，被測(cè)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為同一介質(zhì)，及測(cè)量蒸汽的儀表應(yīng)使用蒸汽進(jìn)行標(biāo)定）否則，在貿(mào)易計(jì)量中容易產(chǎn)生爭(zhēng)議。

2.5關(guān)于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的問題

目前企業(yè)的生產(chǎn)裝置自動(dòng)化水平越來越高，很多供熱企業(yè)已經(jīng)建立了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)各種通訊網(wǎng)絡(luò)的要求，選用的流量計(jì)量?jī)x表要具有多種網(wǎng)絡(luò)接口，生產(chǎn)廠家能提供使用多種通訊協(xié)議的軟件。

3 蒸汽流量計(jì)量?jī)x表配備方案

3.1一套合理、先進(jìn)的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下征：

（1）現(xiàn)場(chǎng)儀表符合準(zhǔn)確度要求、免維護(hù)、故障率低、穩(wěn)定性好、檢定周期長(zhǎng)。

（2）補(bǔ)償功能完善且補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）具有較寬的測(cè)量范圍。

（4）具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能。

（5）便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

（6）具有能量計(jì)量的功能。

3.2一次儀表配備方案

本文推薦的蒸汽流量計(jì)量一次儀表是一體化噴嘴流量計(jì)，并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。

節(jié)流式流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中占有重要的地位。節(jié)流式流量計(jì)技術(shù)成熟，別是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn)（ISO5167-2003E、GB/T2624-2006）設(shè)計(jì)、制造就無須實(shí)流標(biāo)定，是其它流量計(jì)*的。實(shí)際上，目前我國(guó)蒸汽計(jì)量用表有90%以上的仍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置。為何大力推薦采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴而不是孔板，其原因如下：

標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個(gè)缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，據(jù)悉國(guó)內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn)，在孔板連續(xù)使用2—3個(gè)月時(shí)，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1—3%，個(gè)別嚴(yán)重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問題的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損（見圖2）。它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，所以JJG640-94規(guī)程規(guī)定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年（孔板檢定周期是1年）。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多(僅為孔板的50-60%)，有利于減小能耗。長(zhǎng)期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。

節(jié)流式流量計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，有較長(zhǎng)的引壓管，容易阻塞，冬季運(yùn)行還需對(duì)引壓管、冷凝系統(tǒng)進(jìn)行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護(hù)工作量大。一體化噴嘴很好的解決了上述問題，一體化噴嘴是將節(jié)流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器，不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統(tǒng)，使系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，無需保溫供熱，在減少維護(hù)量的同時(shí)，也節(jié)省了能源。

 一體化噴嘴的點(diǎn)：

◆   采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，測(cè)量準(zhǔn)確度有依據(jù)；

◆   采用防凍隔離技術(shù)，冬季運(yùn)行無須伴熱，維護(hù)量少；

◆   噴嘴節(jié)流件阻力損失小(同樣流量下為相同β值孔板的60％左右)；

◆   沒有孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數(shù)穩(wěn)定，檢定周期長(zhǎng)（4年）；

◆   配置智能型差壓變送器，流量測(cè)量范圍度可達(dá)10：1或更寬；

◆   安裝簡(jiǎn)便。

3.3二次儀表配備方案

蒸汽流量計(jì)量二次儀表我們推薦采用流量計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品。流量計(jì)算機(jī)具有高精度補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)以及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊功能的新一代計(jì)量?jī)x表，其依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與建議、與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同介質(zhì)和流量計(jì)類型建立了多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計(jì)算軟件。一臺(tái)流量計(jì)算機(jī)可完成溫度、壓力、濕度、密度、組分等補(bǔ)償運(yùn)算。對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算。流量計(jì)算機(jī)所使用的流量計(jì)算軟件必須通過部門認(rèn)證。

流量計(jì)算機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

◆   依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與建議、與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同介質(zhì)和流量計(jì)類型建立了多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計(jì)算軟件，可以計(jì)算蒸汽質(zhì)量流量和能量流量。

◆   對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)寬量程。

◆   具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄、儀表斷電、修改參數(shù)設(shè)置等審計(jì)記錄功能，即使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障流量計(jì)量數(shù)據(jù)也會(huì)存儲(chǔ)在其中不至于丟失。

◆   的流量計(jì)算機(jī)所使用的流量計(jì)算軟件已通過部門認(rèn)證。

◆   流量計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的通訊功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表除可適配4～20mA信號(hào)、脈沖信號(hào)外，還可以適配HART、Modbus等數(shù)字信號(hào)；對(duì)上位機(jī)可采用包括程控網(wǎng)、以太網(wǎng)等方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督管理和建立集散式計(jì)量管理系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，由一體化噴嘴流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)，將經(jīng)典技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)量程小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短、系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。實(shí)踐表明該方案在蒸汽流量計(jì)量方面已日趨成熟，并已在我國(guó)石化、化工、冶金以及城市供熱等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，在蒸汽流量計(jì)量方面做了有益的探索。

參考文獻(xiàn)：

（1）GB/2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》

（2）JJG1003-2005《流量積算儀》

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