蒸汽流量测量的准确性分析  

蒸汽流量测量的准确性分析  

摘要：简要介绍了蒸汽流量测量的方法，分析了引起测量误差较大的原因。

针对蒸汽流量的实际情况，提出了提高流量测量准确性的方法和措施，以及正确选用蒸汽流量刚量仪表应注意的事项，可供流量测量工作借鉴。  

1 过热蒸汽流量测量的不确定性    

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是两个独立参数，其它状态参数由这两个参数决定。过热蒸汽在经过输送后，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，因为热量损失温度降低而使其从过热状态进入饱和或过饱和状态，转变成为饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽突然大幅度减压，一部分液滴在绝热膨胀时也会转变成为过热蒸汽，这样就形成汽液两相流介质，一般流量计都不能准确检测两相流体的流量，从而产生流量测量误差。

2 饱和蒸汽流量测量的不确定性      

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参数。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，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。      准确计量饱和蒸汽流量较困难，一般流量计都不能准确检测两相流体的流量，蒸汽压力波动将引起蒸汽比体积的变化，流量测量值会产生附加误差。所以，在饱和蒸汽测量中，必须设法保持测量点处蒸汽断度稳定，必要时还应采取补偿措施。

3 测量误差分析    

目前使用流量仪表测量蒸汽流量，测量介质都是指单相流的过热蒸汽或饱和蒸汽。对于相流经常变化的蒸汽，会存在测量不准确的问题。对此，需保持蒸汽的过热度，尽量减少蒸汽的含水量，例如加强蒸汽管道的保温措施，减少蒸汽的压力损失等，以提高测量的准确度。然而，这些方法并不能彻底解决蒸汽流量测量准确的问题，解决这一问题的根本办法是开发一种可测两相流动介质的流量仪表。     用于检测气体流量的流量计种类很多，以速度式和比体积流量计应用最普遍，它们的共同特点是可测定气体的比体积流量，而比体积流量Gv又是状态的函数，工作状态下气体的比体积流量并不能确切的反映实际流量。对此，工程上一般都以标准状态比体积流值或质量流量表示。采用刻度气体流量计时，选定气体正常温度、压力为设计条件，将设计状态下的比体积流量折算为标准比体积流量或质量流量，其折算系数中含有气体比体积的因素，当气体的工作状态偏离设汁状态，比体积流量测量值将产生误差。此外，气体的禅分、含量或温度的变化，都对流量测量产生影响。所以，蒸汽流量的测量更需要采取补偿措施，并且因蒸汽的状态变化补偿因素也比较复杂。      过热蒸汽的比体积由蒸汽的温度、压力两个参数决定，而且在不同的参数范围内，比体积的表达形式也不相同，无法用同一通式表示，所以不能获得统一的比体积计算公式，只能个别推导求得温度、压力补偿公体。在温度、压力波动范围较大的场合，除进行温度、压力补偿外，还需要考虑对过热蒸汽体积膨胀系数ε的补偿。

无论采用何种流量计测量饱和蒸汽的流量，在蒸汽压力波动的条件下，必须采取压力补偿措施，这是因为在流量方程中，工作条件与设计条件不一致时，蒸汽比体积读数会产生误差，误差的大小和工作压力与设计压力偏差的大小有关，实际压力大于设计压力将出现负误差，否则将出现正误差。蒸汽的干度是关系到能否准确测量蒸汽流量的重要条件，正在研制的在线蒸汽干度检测仪表应用于蒸汽流量计量与补偿系统，将进一步提高计量的准确性。因此，目前的蒸汽流量测量应采取以下3 项措施。     (l) 输送蒸汽的管路须有良好的保温措施防止热量损失。      (2) 在蒸汽管路上要逐段疏水，在管道的最低处及表前的管道上应设置疏水器，及时排出疏水。     (3) 锅炉运行操作中应避免出现汽包液位过高现象，尽量减少出现大的负荷波动。 4 流量仪表的选型      蒸汽流量测量在选择流量仪表时应考虑5个主要因素：(l)被测流体特性；(2)生产工艺情况；(3)安装条件；(4)维护需求；(5)仪表特性。本文着重讨论流量仪表的特性、安装条件、维护需求以及选用流量仪表应注意的几个问题。目前，测量蒸汽流量的仪表主要有涡街流量计、差压式(孔板、均速管、弯管)流量计、分流旋翼式流量计、阿牛巴流量计、浮子式流量计等，下面以涡街流量计、孔板流量计和弯管流量计为例加以说明。

4.1 涡街流量计      

涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制的一种新型流量计，具有以下特点：

(1)结构简单牢固，无可动部件，长期运行可靠；

(2)维护方便，安装费用较低；

(3)传感器不直接接触介质，性能稳定，寿命较长；

(4)输出与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高，并方便与计算机联网；

(5)流量量程比可达1:10，测量范围较宽；

(6)压力损失小，运行费用较低；

(7)在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组分变化影响，仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关，测量流体的比体积流量无需补偿，调换配件后无需重新标定仪表的系数；

(8)应用范围较广，气体、液体的流量均可测量；(9)检定周期一般为2-4年。      

该流量计也存在一定的局限性：

(l)涡街流量计是一种速度式流量计，漩涡分离的稳定性受流速影响，故对直管段长度有一定的要求，一般测点前后直管段长度分别为10D、5D(D为管道直径);

(2)测量液体时，受压损和气蚀现象限制，上限流速一般是0.5-8m/s;

(3)测量蒸汽时，上限流速受介质可压缩性的限制，下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制，蒸汽流速是8~25m/s;

(4)应力式涡街流量计对振动较为敏感，故在振动较大的管道安装流量计时，管道要有一定的减震措施；

(5)应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器，要受温度的限制，一般为一40-300℃。

4.2 差压式流量计    

(3)以孔板流量计为代表的差压式流量计理论精度高，应用较普遍，但也存在不足：(l)设计参数与工况参数不符，上游直管段长度不足，孔板和管道不同心，孔板A 面(进口侧)受污染、锐角磨损等因素对其测量精度有显著影响，使其测量误差增大； (2)安装较为麻烦，维护及拆洗的工作量较大； (3)需配差压变送器使用，增加了维护的工作量，另需敷设导压管，且在冬季需对导压管进行保温，不能在室外安装；(4)流量量程比较小(1, 3)，量程范围较窄；(5)若安装不正确容易发生蒸汽泄漏；(6)压力损失较大，运行费用较高。  4.3 弯管流量计      弯管流量计实际上是一个90°标准弯头，是结构较为简单的流量传感器，其特点是：(1)结构简单，价格低廉；(2)传感器耐磨损，对微量磨损不敏感；(3)安装简单，可采用直接焊接法进行安装，较彻底地解决了现场发生蒸汽泄漏的问题；(4)适应性强，量程范围较宽，直管段长度要求不严，只要是可以用孔板、涡街、均速管流量计来测量的管道内流体流量都可以用弯管流量计进行测量，而且在对高温、高压、冲击、振动、潮湿及粉尘等耐受能力方面，弯管流量计远优于其它流量计；(5)量程比可达1:10，对于蒸汽流速的适用范围为O~70m/S，可以较好地满足蒸汽流量测量的要求;(6)由于其特殊的测量原理，使其在实际应用时对直都长度的要求不严格，一般只要求上、下游直管段长度分别为5D和2D，远远低于其它流量测量装置的要求；(7)精度高，重现性好，测量精度可达1.14%，一次安装后，不再需要重复拆装，因此其安装精度也能得到保证；(8)无需任何附加节流件或插入件，可大大降低流体在管道内输送的动力消耗，节约能源，尤其对那些大系统、大管径、低压头的侧量对象优点更加明显。