摘要：針對(duì)均速管流量計(jì)在蒸汽測(cè)量中的應(yīng)用難點(diǎn)，以實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，就典型問(wèn)題進(jìn)行分析并提出解決方案。

0、引言

蒸汽流量計(jì)量常用的計(jì)量?jī)x表是差壓式節(jié)流裝置，其中以標(biāo)準(zhǔn)孔板應(yīng)用為*多。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，均速管流量計(jì)異軍突起。它與各種差壓儀表配套，可用于測(cè)量蒸汽、液體、氣體等介質(zhì)流量，尤其適用于大管道流量測(cè)量。

均速管流量計(jì)與孔板相比較，*大的特點(diǎn)是安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、壓損低、能耗少、精度穩(wěn)定、磨損小。隨著均速管流量計(jì)在蒸汽計(jì)量場(chǎng)合的應(yīng)用越來(lái)越多，計(jì)量難點(diǎn)也不斷顯現(xiàn)出來(lái)，比如計(jì)量的精度如何保證、超大蒸汽管道測(cè)量問(wèn)題，高溫高壓的主蒸汽計(jì)量安全問(wèn)題等。

對(duì)均速管流量計(jì)應(yīng)用中存在的典型問(wèn)題進(jìn)行探討，并提出解決方案，達(dá)到加強(qiáng)蒸汽計(jì)量管理、節(jié)能降耗的目的。分析對(duì)象選用德國(guó)西斯特(Systec Controls)公司德?tīng)査途俟芰髁坑?jì)(簡(jiǎn)稱西斯特流量計(jì))。

1、蒸汽流量的測(cè)量精度

西斯特流量計(jì)的基本原理源于皮托管測(cè)量流體高低壓的方式。管道內(nèi)流體流速分布為管道中間快、兩側(cè)慢，流速作用在管道直徑上的一組引壓孔中，由動(dòng)能產(chǎn)生的不同壓力在測(cè)量管內(nèi)形成均壓。平均后的壓力代表了整個(gè)管道截面的平均流速。流量傳感器是一種異形截面(見(jiàn)圖1)的中空金屬桿，在傳感器的迎流面和背流面制有測(cè)量壓力的引壓孔，通常為2～5對(duì)孔，孔的分布位置采用等面積法計(jì)算。迎流面的引壓孔測(cè)量到的是動(dòng)壓，背流面測(cè)量的是靜壓，可通過(guò)動(dòng)壓與靜壓獲得差壓(dp)并計(jì)算出蒸汽流量的測(cè)量值。

1.1 蒸汽測(cè)量的精度需求

實(shí)際應(yīng)用中，依GB17167《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》中規(guī)定，蒸汽計(jì)量準(zhǔn)確度不得低于2.5級(jí)，與蒸汽質(zhì)量計(jì)算相關(guān)的溫度、壓力儀表的準(zhǔn)確度不低于1.0級(jí)。均速管流量計(jì)在滿足給定的直管段長(zhǎng)度和流量范圍的情況下，測(cè)量誤差均不超過(guò)±1.0%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于安裝偏差，管道直徑制造誤差，差壓、溫度、壓力等參數(shù)的測(cè)量誤差的存在，實(shí)際使用精度會(huì)下降0.5%～1.0%。

均速管流量計(jì)屬于節(jié)流元件，是一種結(jié)構(gòu)尺寸決定測(cè)量精度的流量傳感器。根據(jù)JJG-640差壓式流量計(jì)檢定規(guī)程，檢定分為幾何檢驗(yàn)法(干式標(biāo)定)和系數(shù)標(biāo)定法(又稱濕標(biāo)定)兩種。探桿的截面形狀及引壓孔開(kāi)孔位置的加工精度符合設(shè)計(jì)要求，均速管流量計(jì)的精度即獲得了保證(±1.0%)。

系數(shù)標(biāo)定法是將被檢驗(yàn)流量計(jì)安裝在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)量確定流量計(jì)精度的方法。一般只有在計(jì)量交割的場(chǎng)合或出現(xiàn)計(jì)量糾紛時(shí)才被采用。

與氣體檢定設(shè)備相比較，水計(jì)量檢定介質(zhì)可以更好地保持計(jì)量檢定時(shí)的參考條件穩(wěn)定不變，使檢定裝置具有0.015%的檢測(cè)精度。而目前氣體計(jì)量檢定設(shè)備的檢測(cè)精度僅為0.16%～0.3%。即水檢定設(shè)備精度要比氣體檢定設(shè)備高出20倍。因此很多測(cè)試機(jī)構(gòu)和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)都確認(rèn)水標(biāo)定技術(shù)替代氣體標(biāo)定是完全可行的方案。E+H檢測(cè)技術(shù)公司曾介紹該公司利用水對(duì)其生產(chǎn)的氣體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量檢定，證明水標(biāo)定技術(shù)能夠滿足全部可追溯性要求，并在**范圍內(nèi)得到了認(rèn)可。

西斯特流量計(jì)是由德國(guó)西斯特公司與德國(guó)埃爾朗根大學(xué)共同研究開(kāi)發(fā)的，通過(guò)了德國(guó)TUV的全面測(cè)試，獲得德國(guó)PTB測(cè)試報(bào)告，報(bào)告顯示其精度優(yōu)于0.6%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%。

目前，國(guó)內(nèi)*三方標(biāo)定僅有開(kāi)封**水大流量計(jì)量站能標(biāo)定口徑達(dá)1.6m的大管徑蒸汽流量計(jì)，可以提供1.6m及以下全口徑檢定**。部分用于蒸汽測(cè)量的西斯特流量計(jì)的*三方檢定數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 流量計(jì)應(yīng)用精度的保證

1.2.1 重要安裝事項(xiàng)

(1)直管段問(wèn)題。安裝前必須選擇滿足流量計(jì)需要的直管段長(zhǎng)度，如西斯特流量計(jì)要求前4ID(ID為管道內(nèi)徑)后3ID的直管段。一般來(lái)說(shuō)，精度指標(biāo)一樣的流量計(jì)，對(duì)直管段要求短的精度特性好于直管段要求長(zhǎng)的。直管段要求是保證流量計(jì)精度的基礎(chǔ)，必須優(yōu)先滿足。

(2)冷凝器配置問(wèn)題。蒸汽流量計(jì)必須配置冷凝器，對(duì)于分體式配裝的冷凝器要特別注意兩個(gè)冷凝罐中冷凝液面的等高安裝，其偏差應(yīng)在±2mm以內(nèi)，以免帶來(lái)附加的測(cè)量誤差。

西斯特流量計(jì)本身自帶微型冷凝器(見(jiàn)圖2)，可以一體化安裝或分體安裝。兩個(gè)微型冷凝器與探頭集合為一體，既容易保證正負(fù)壓冷凝液面等高(誤差在±1mm內(nèi))，也使安裝變得更加簡(jiǎn)單。試驗(yàn)結(jié)果顯示，這種MT多用途探頭在一體化連接時(shí)，蒸汽通過(guò)微型冷凝器后進(jìn)入差壓變送器膜盒時(shí)的溫度不會(huì)超過(guò)室溫，即使蒸汽溫度高達(dá)550℃。

1.2.2 溫壓補(bǔ)償

在蒸汽計(jì)量過(guò)程中，密度是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵參數(shù)。飽和蒸汽的密度補(bǔ)償可以單獨(dú)通過(guò)測(cè)量壓力或者溫度進(jìn)行；過(guò)熱蒸汽的密度與壓力、溫度同時(shí)相關(guān)，其密度補(bǔ)償須同時(shí)獲取壓力和溫度參數(shù)。

流量計(jì)算公式：

式中，qm為質(zhì)量流量，kg/s；ζ為探頭阻斷系數(shù)(Zeta值)；ε為膨脹系數(shù)；d為管道內(nèi)徑，m；dp為工況差壓，Pa；ρB為工況密度，kg/m3。

溫壓補(bǔ)償是在被測(cè)蒸汽的運(yùn)行溫度、壓力偏離設(shè)計(jì)值時(shí)采取的密度修正措施，并通過(guò)DCS系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行。修正可以采用查表法和計(jì)算法，查表法是在兩個(gè)數(shù)據(jù)之間使用插值運(yùn)算，與計(jì)算法相比會(huì)引起比較大的誤差，因此通常采用計(jì)算法進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算。

運(yùn)行條件下的介質(zhì)密度修正公式：

公式中下標(biāo)D表示設(shè)計(jì)參數(shù)，下標(biāo)B表示運(yùn)行參數(shù)。將計(jì)算得到的ρB帶入流量計(jì)算公式，即可以得到補(bǔ)償后的流量值。使用該公式時(shí)應(yīng)特別注意溫度及壓力是絕對(duì)壓力和絕對(duì)溫度，如果使用工況下的溫度和壓力將導(dǎo)致很大的計(jì)算偏差。

實(shí)際應(yīng)用中常采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法進(jìn)行溫壓補(bǔ)償運(yùn)算，公式為：

式中，qmD為設(shè)計(jì)條件時(shí)的質(zhì)量流量；dPB為運(yùn)行條件時(shí)的差壓值；dPD為設(shè)計(jì)條件時(shí)的差壓值。

1.2.3 現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的精度確認(rèn)

*佳方法是送*三方檢定，采用水標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行精度校驗(yàn)，通過(guò)標(biāo)定可以確定該表的實(shí)際偏差，修正后可以提高測(cè)量精度。

在無(wú)法送檢的情況下，通常采用與已知工藝狀態(tài)下的流量進(jìn)行比較修正，如：主蒸汽流量可以通過(guò)主給水的流量推算蒸汽流量；工藝過(guò)程流量可以通過(guò)下游用汽設(shè)備耗汽經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比精度偏差。

2、超大口徑蒸汽計(jì)量

隨著熱電系統(tǒng)以大代小和新建20萬(wàn)及以上機(jī)組的建設(shè)應(yīng)用，供熱系統(tǒng)的換熱蒸汽管道也越來(lái)越大，從過(guò)去的DN100～300增大至DN500～2000。大管徑蒸汽測(cè)量采用傳統(tǒng)的差壓儀表存在安裝難度大、費(fèi)用高問(wèn)題，并且標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流型元件壓損大，長(zhǎng)期運(yùn)行能耗高，使得大管徑蒸汽計(jì)量成為一個(gè)難題。大口徑蒸汽測(cè)量的*大難點(diǎn)就是探桿的強(qiáng)度問(wèn)題，西斯特流量計(jì)可供選擇的探桿截面有1"、1.5"、2"3種，用以適應(yīng)不同的管道直徑和強(qiáng)度需要。

某公司2×35萬(wàn)kW熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中屬于超大采暖蒸汽管道的有8條，其中2條DN1800、4條DN1300，DN800和DN700各一條。由于管道直徑過(guò)大，蒸汽流速高，DN1800、DN1300管道在選用了2"探頭后仍無(wú)法達(dá)到安全系數(shù)不低于1.3的強(qiáng)度要求。為了滿足用戶需求，結(jié)合施工可以由管道人孔進(jìn)入管道內(nèi)進(jìn)行操作的便利條件，廠家采用了管內(nèi)多點(diǎn)支撐的應(yīng)用方案(原設(shè)計(jì)為兩點(diǎn)支撐)，通過(guò)流量計(jì)強(qiáng)度計(jì)算軟件的精密核算，找出增加強(qiáng)度的支撐點(diǎn)，在既滿足強(qiáng)度需要又不影響測(cè)量的情況下，確定出DN1800管道內(nèi)增加2個(gè)支撐點(diǎn)、DN1300管道內(nèi)增加1個(gè)支撐點(diǎn)的安裝方案。實(shí)施效果證明，該方案完美解決了超大口徑蒸汽的計(jì)量難題，為國(guó)內(nèi)眾多大型采暖系統(tǒng)提供了可行的超大管徑蒸汽測(cè)量的成功范例。

實(shí)際應(yīng)用中有些DN700～800的大管徑蒸汽管線也需要增加管內(nèi)支撐，但又不能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入管道內(nèi)施工時(shí)，則可以采用管段式安裝方法，即由廠商將流量計(jì)預(yù)先安裝到與現(xiàn)場(chǎng)管線相同的一段管道中，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要實(shí)施法蘭連接或直接焊接。對(duì)DN300～700的大管徑蒸汽管道，一般采用2"或更小的探頭和普通的安裝方式即可滿足強(qiáng)度和測(cè)量的要求。

3、高溫高壓主蒸汽流量測(cè)量

高溫高壓是蒸汽計(jì)量的又一難點(diǎn)，大多數(shù)流量?jī)x表難以適應(yīng)，可供高溫高壓蒸汽計(jì)量的儀表種類非常有限。例如，大型熱電廠輸送的過(guò)熱蒸汽，其溫度高達(dá)500℃以上，壓力也會(huì)高于10MPa。西斯特流量計(jì)針對(duì)該問(wèn)題的解決方案：

(1)采用特殊的材料制造探頭。對(duì)溫度低于500℃的蒸汽介質(zhì)選用1.4571不銹鋼；測(cè)量500℃以上高溫蒸汽時(shí)則采用1.4828材料，可測(cè)量500～650℃的新鮮蒸汽。

(2)采用實(shí)心材料超深孔加工出探桿，確保探頭的抗沖擊強(qiáng)度，其設(shè)計(jì)壽命為20萬(wàn)h。

(3)相關(guān)安全認(rèn)證確保探頭使用質(zhì)量：根據(jù)DINEN10204-3.1B標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行探頭材料測(cè)試，確保材料合格；TUV安全測(cè)試，逐臺(tái)對(duì)探頭進(jìn)行整體安全測(cè)試，并出具TUV**。

以上措施保證了探頭強(qiáng)度符合安全需求，使高溫高壓蒸汽測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)。西斯特流量計(jì)在國(guó)內(nèi)外主蒸汽測(cè)量方面的典型應(yīng)用參數(shù)如表2所示。

4、高寒地區(qū)蒸汽計(jì)量

冬季高寒時(shí)，未伴熱凍結(jié)引壓管或伴熱溫度過(guò)高、伴熱不均等情況，會(huì)導(dǎo)致蒸汽測(cè)量不準(zhǔn)甚至無(wú)法測(cè)量的故障占比很高，嚴(yán)重影響了蒸汽的準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)量管理。

為此，廠家設(shè)計(jì)了一款新穎的防凍型蒸汽流量計(jì)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，該結(jié)構(gòu)采用了冷凝器與隔離器相結(jié)合的方式；用防凍液替代冷凝液來(lái)傳遞差壓信號(hào)，避免了蒸汽冷凝液容易凍結(jié)的弊端，達(dá)到了既防凍又準(zhǔn)確計(jì)量的目的，滿足了高寒地區(qū)的蒸汽測(cè)量需求。

防凍型蒸汽流量計(jì)的使用與維護(hù)：

(1)*次使用時(shí)，應(yīng)將冷凝罐和引壓通道及差壓變送器的工作腔室充滿防凍液，并注意消除防凍液里夾雜的氣泡。

(2)被選用的防凍液冰點(diǎn)應(yīng)低于當(dāng)?shù)?或使用環(huán)境)*低氣溫5～10℃，以免防凍液失效。

(3)不同型號(hào)的防凍液不能混用，以免引起化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀或氣泡，影響使用效果。

(4)應(yīng)定期更換防凍液，更換時(shí)應(yīng)注意將冷凝系統(tǒng)沖洗干凈，然后再加入新的防凍液。