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 流量技术论文
蒸 汽 流 量 测 量 一、流量测量应用技术——蒸汽相变对流量测量的影响
上海宝科自动化仪表研究所(200940)纪纲
摘 要 本文讨论蒸汽流量测量中,由于流体散热和减压等原因导致流体发生相变而偏离设计状态所引起的流量测量误差,并提出了解决方法。

关键词 流体相变 流量测量 质量流量 温压补偿

水蒸汽顾名思义是气相,但在一定条件下会变成液相;饱和水蒸汽中的水滴本是液相,但在一定条件会被蒸发变成气相。这是蒸汽质量流量测量中常常碰到的气水相变。
目前,蒸汽质量流量测量使用的方法基本上仍然采用推导法(间接法),这可能是因为科里奥利质量流量计用来测量蒸汽流量投资太大,而且还有很多局限性。
在推导式质量流量计中,关键环节是蒸汽密度的求取,蒸汽相变发生后,就使得通常由蒸汽温度压力求取其密度的关系发生变化,因此必须认真对待。

                              
. 气相变液相

  
过热蒸汽在经过长距离输送后,往往会因为热量损失温度降低使其从过热状态进入饱和状态,甚至部分蒸汽冷凝出现相变而变成水滴,这些水滴对流量测量结果究竟有多大影响,下面举例说明。
  
有一常用压力为1.0MPa的过热蒸汽,其流量为Qm,假设经常距离送后有10%Qm冷凝成水滴,令其为Qml,而保持气态的部分为Qms,从定义知,此时湿蒸汽的干度为

(1)
   由于采用温压补偿,所以按照临界饱和状态查表,得到此时的蒸汽(干部分)密度为PS=5.6808KG/M3,查水密度表知此时水滴的密度为PL=882.47kg/m3,显然水滴与蒸汽干部分的体积流量为
QL=Qml/PL
QS=Qms/PS
式中;
QL--
水滴的体积流量,m3/s
QS--
蒸汽干部分的体积流量,m3/s
由定义知,蒸汽干部分体积流量占湿蒸汽总体积流量之比RV

在该例中,RV=99.93%,由此可见,在湿蒸汽中,水滴所占的体积可忽略不计。

1.1
选用涡街流量计时湿度对测量结果的影响

涡街流量的输出仅于流过测量管的流体流速成正比,在测量湿饱和蒸汽时,水滴对涡街流量计输出的影响可忽略,故可以为,涡街流量计的输出完全是由湿蒸汽的干部分所引起,而干部分的密度,无论是压力补偿或温度补偿,都可较精确地查出。
蒸汽计量的结果往往作为供需双方经济结算的依据,如果双方约定按蒸汽干部分结算费用,冷凝水不收费,则在本例中相变对测量的影响微不足道,可以忽略.如果冷凝水也按照蒸汽一样收费,则涡街流量计的计量结果偏低值为(1X)。

1.2
选用孔板流量计时的湿度对测量结果的影响

GB/T 2624- 93 标准知{1},孔板流量计测量蒸汽质量流量的有下面的公式。



式中:
qm-----
质量流量, Kg/s ;
C-----
流出系数;
β-----节流件孔径与管道内径之比 d/ D;
ε1---流束膨胀系数;
d
―――节流件孔径,m
p----差压,Pa;
P1---
节流件入口端流体密度,kg/m3

  
当过热蒸汽热量损失而脱离过热状态后,只可能出下两种情况。一种是进入临界饱和状态,另一种是进入过饱和状态。如果进入临界饱和状态,从理论上讲,流量计不会因此而增大误差,因为在式(7)中,根据蒸汽压力查出的P1与实际密度是相符的,如果进入过饱和状态,情况就复杂了。
  
一般认为,蒸汽干度较高(X95%)时流体表现为均相流动,温压补偿可按通常方法进行,但出现一定误差。在式(7)中,P1是实际流体湿饱和蒸汽的密度,其值比临界饱和状态的大,而且干度越低密度越大。而人们根据压力查出的是临界饱和状态的密度,比实际密度小,所以质量流量计算结果出现负误差。在湿度不进行测量的情况下,X是未知数,因此,测量结果偏底多少也是未知数。
在蒸汽干度较低(X< 95% )时,管道中的流体出现分层流动,产生误差更大。

                         
   . 湿饱和蒸汽变成过热蒸汽

湿饱和蒸汽变成过热蒸汽,一般发生在湿饱和蒸汽突然较大幅度减压,流体出现绝热膨胀时。

2 .1
相变过程

  
湿饱和蒸汽中的水滴,其压力和温度处于平衡状态,在压力突然降低而低于平衡压力时,水滴部分蒸发,同时从液相和汽相中吸收汽化热,使汽液相温度降低。如果温度降低得不多或蒸发前湿度较高,都会使温度迅速降低到与新的压力所对应的饱和温度,建立新的平衡。这时蒸汽仍为湿饱和蒸汽。如果压力降低得很多或蒸发前湿度较低,则因水滴蒸发而使温度降低后仍高于新的压力所对应的饱和温度,则蒸汽变为过热状态。

2. 2
蒸发对流量测量的影响

1) 上述蒸发发生后得到的两种结果,前一种对我们的补偿无影响,仅仅是蒸汽中的干部分增加,干度相应增大。
2) 如果蒸发发生后,蒸汽变为过热状态,而流量计又恰巧安装在减压之后的管道上,这时对流量计的影响分三种情况。
A
) 设计时已经考虑到蒸汽变为过热状态或处于何种状态难以确定或有时是过热状态有时是饱和状态,所以采用温压补偿,则上述相变对测量结果无影响。
B
) 设计时按饱和蒸汽考虑。而且采用压力补偿,则上述相变将带来较小的误差,即过热蒸汽温度同饱和温度之差所对应的密度差造成的补偿误差。
C
) 设计时按饱和蒸汽考虑,但采用温度补偿,则将过热蒸汽温度当作饱和温度去查密度表,一般会引起较大的误差。

2.3
举 例

  
有一化工厂,锅炉房供饱和蒸汽,并根据各用户中蒸汽压力要求值最高的一个决定锅炉供汽压力为1.0MPa,多数用户在蒸汽总管进装置时先经减压阀减压。现从下图所示的一个实例着手进行分析。

  
用作进装置蒸汽计量的旋涡流量计按装在减压(稳压)阀之后。原设计按饱和蒸汽考虑,采用温度补偿。经减压,蒸汽总管带入的水滴蒸发完后汽温仍高于饱和温度,呈过热状态,现场采集到的数据如图所示,这时流量二次表按照所测量到的温度t2=162.4℃查饱和蒸汽密度表,得P2=3.4528kg/m3,而按照t2P2两个测量值查过热蒸汽密度表,得密度P2=2.6897kg/m3所以质量流量计算结果出现28.37%的误差,即
   在本例中,如果采用压力补偿,则根据P2=0.42MPa的信号查饱和蒸汽密度表,应得到P2=2.7761kg/m3,则补偿误差为
2.4 解决办法 1) 将总蒸汽流量计安装在减压阀之前。由于上述蒸汽未经减压时,不存在相变问题,所以,将流量计安装在减压阀之前,按饱和蒸汽补偿方法处理。可保证测量精度。
2) 如果流量计只能安装在减压阀后面,则可增装一台压力变送器。进行温压补偿。
3) 如果减压阀的稳压性能较好,可将流量计上游压力值作为一个恒定值(通过面板操作)设置到二次表内进行温度压力补偿。

参考文献

1. GT
T262493 《流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》.1993
2.
汪里还,纪纲. 蒸汽流量测量中的温压补偿实施方案. 石油化工自动化. 19983:39-42
二、涡街流量计在饱和蒸气测量中的应用
The Application of Vortex Flowmeter in Measurement of Saturated Steam
鲁学军 [衡阳钢管(集团)有限公司,湖南衡阳 421001
关键词:流量测量 饱和蒸气 涡街流量计 孔板

  摘要:介绍涡街流量计的测量原理及应用,具体介绍涡街流量计的选择,涡街流量计的参数设定,安装及使用注意事项.与孔板流量计相比,具有结构简单,安装,维护方便,测量范围宽等特点.

  Abstract: The measuring principle and application of vortex flowmeter are introduced. The selection of vortex flowmeters, the settings of the parameters and the cautions in installation and operation of vortex flowmeters are presented concretely. Comparing with orifice flowmeter, it features simple structure, ease installation and maintenance as well as wide range.

 
饱和蒸汽流量测量在80年代人们普遍采用标准孔板流量计,但从流量仪表发展状况来看,孔板流量计尽管其历史悠久、应用范围广;人们对他的研究也最充分,实验数据最完整,但用标准孔板流量计来测量饱和蒸汽流量,它仍存在一些不足之处:其一,压力损失较大;其二,导压管、三组阀及连接头容易泄漏;其三,量程范围小,一般为31,对流量波动较大易造成测量值偏低。而涡街流量计具有结构简单,涡街变送器直接安装于管道上,克服了管路泄漏现象。另外,涡街流量计的压力损失小,量程范围宽,对饱和蒸气测量量程比可达301。因此,随着涡街流量计测量技术的成熟,涡街流量计的使用越来越受到人们的青睐。

  1.涡街流量计的测量原理

 涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的,流体在管道中经过涡街流量变送器时,在三角柱的漩涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡,旋涡的释放频率与流过漩涡发生体的流体平均速度及漩涡发生体特征宽度有关,可用下式表示:


 
式中:f为旋涡的释放频率,Hz; v为流过漩涡发生体的流体平均速度,m/sd为旋涡发生体特征宽度,mSt为斯特罗哈数,无量纲,它的数值范围为0.14-0.27St是雷诺数的函数,St=f(1/Re)
当雷诺数Re102-105范围内,St值约为0.2,因此,在测量中,要尽量满足流体的雷诺数在102-105,旋涡频率f=0.2v/d
  因此可知,通过测量旋涡频率就可以计算出流过漩涡发生体的流体平均速度v,再由式q=vA可以求得流量q,其中,A为流体流过漩涡发生体的截面积。   当旋涡在发生体两侧产生时,利用压电传感器测处于流体流向垂直的交变升力变化,将升力的变化转换为电的频率信号,再将频率信号进行放大和整形,输出到二次仪表,进行累积,显示。
  2.涡街流量计的应用

2.1
涡街流量计的选择
2.1.1
涡街流量变送器的选择
 
我公司在饱和蒸气测量中采用合肥仪表总厂生产的VA形压电式涡街流量变送器,由于涡街流量计量程范围宽,因此,在实际应用中,一般主要考虑测量饱和蒸气的流量不低于涡街流量计的下限,也就是说必须满足流体流速不低于5m/s。根据用汽量的大小选用不同口径的涡街流量变送器,而不能以现有的工艺管道口径来选择变送器口径。
2.1.2 压力补偿用压力变送器的选择
 
由于饱和蒸汽管路长,压力波动较大,必须采用压力补偿,考虑到压力、温度及密度的对应关系,测量中只采用压力补偿即可,由于我公司管道饱和蒸汽压力在0.3-0.7MPa范围,压力变送器的量程选择1MPa即可。
2.1.3 显示仪表选择
显示仪表智能流量显示仪,具有温压补偿、瞬时流量显示和累积流量的积算功能。
2.2 涡街流量的参数设定
2.2.1
仪表系统的设定,合肥仪表总厂需设定的仪表系数K可用下式表示:
K=1000/K0
式中:K0为涡街发生体在出厂时标定的仪表常数,L/脉冲;K的单位为脉冲数/m3
2.2.2 压力补偿压力变送器的量程设定。 2.2.3 压力、流量报警上限设定。 2.3 涡街流量计的安装

2.3.1
涡街流量计尽量安装在远离振动源和电磁干扰较强的地方,振动存在的地方必须采用减震装置,减少管道受振动的影响。

2.3.2
直管段的配置,前后直管段要满足涡街流量计的要求,所配管道内径也必须和涡街流量变送器内径一致。
2.4 涡街流量计使用注意事项
尽量减少管道内汽锤对涡街发生体的冲击。振动较大而又无法消除时,不宜采用涡街流量计。
3. 结束语

 
涡街流量计在我公司投入使用后,克服了原孔板流量计诸多不足,对饱和蒸气的测量更准确、更稳定,维护又方便,但值得注意的是测量饱和蒸汽流体流速不得低于5m/s,否则,流量计量值会偏低。
三、关于蒸汽流量测量的讨论
The Investigation on Steam Flow Measurement
王建国(烟台开发区热力总公司,山东烟台,264006
关键词:流量测量 蒸汽流量 仪表选型

  摘要:从分析蒸汽特性入手,详细介绍各种流量仪表的特点和适用范围,以及测量蒸汽流量的最佳方案。
  Abstract: Based on the analysis of the characteristics of the steam the features of various flowmeters and their applicable ranges as well as the optimal strategy for steam flow measurement are introduced in detail

  供热行业中,蒸汽流量测不准是普遍问题,其中主要原因分析如下。

  1.蒸汽的特点

  蒸汽是比较特殊的介质,随着工况(如温度、压力)的变化,过热蒸汽经常会转变成为饱和蒸汽,形成汽液两相流介质。对于相流的经常变化的蒸汽,使用目前流量仪表测量气流量,肯定会存在测不准的问题。这个问题的解决方法是保持蒸汽的过热度,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不准的问题,然而解决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。

  2.流量仪表的选型

  至今为止,工业用流量仪表种类多达60余种,之所以这样,因为史上还没有一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都使用的流量仪表,没中流量仪表都有它特定的适用性,也有其局限性。如果流量仪表选择不当,流量肯定测量不准。但流量测量是一复杂的技术,而流量仪表种类繁多,即使针对某一确定的应用,选择一合适的流量仪表也就变成一项技术性很强的工作,需要在作出最终选择之前仔细而深入地考虑和权衡许多与测量问题有关的因素。
  在选择流量仪表时应考虑5个主要因素:被测流体特性、生产工艺情况、安装条件、维护需求以及流量仪表的特性。对蒸汽计量而言,同样要考虑以上5个因素。这里,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,这里主要讨论涡街流量计、孔板流量计和弯管流量计。
2.1
涡街流量计
  涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种新型流量计,由于它具有其它流量计不可兼得的优点,70年代以来得到了迅速发展。据介绍,现在日本、欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅度上升,已经广泛用于各个领域,将在未来流量仪表中占主导地位,是孔板流量计的理想替代产品。它具  有以下特点:
①结构简单牢固,无可动部件,长期运行十分可靠;
②维护十分方便,安装费用低;
③传感器不直接接触介质,性能稳定,寿命长;
④输出是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测量范围宽,量程比可达110
⑥压力损失小,运行费用低,更具节能意义;
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应用范围广,气体、液体的流量均可测量;
⑨检定周期为2-4年。
  同时涡街流量计也存在以下一定的局限性:
① 涡街流量计是一种速度式流量计,旋涡分离的稳定性受流速影响,故它对直管段有一定的要求,一般是前10D、后5D
② 测量液体时,上限流速受压损和气蚀现象限制,一般是0.5-8m/s
③ 测量气体是,上限流速受介质可压缩性变化的限制,下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制,蒸汽是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,故其受温度的限制,一般为-40-+300℃。
2.2
孔板流量计
  孔板流量计应用历史悠久,有国际标准,理论精度高,应用十分普遍,但经过几十年的应用,发现孔板流量计有以下不足:
① 应用中许多因素(设计参数与工况参数不符,上游直管段不足,孔板和管道不同心,孔板A面受污,锐角磨损等)对其测量精度有非常大的影响,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,不可以安装在室外;
④ 流量量程比为13,局限性大;
⑤ 若安装不正确,容易发生蒸汽泄漏;
⑥ 压力损失较大,运行费用高。
2.3
弯管流量计
① 结构简单,价格低廉。弯管传感器实际上是一个90度标准弯头,没有比它结构更简单的流量传感器了。随着机械加工工业的发展和行业标准化及规范化管理的不断完善,用作弯管传感器的标准机制弯头其质量越来越好,价格也越来越低;
② 无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、低压头的测量对象好处更加明显。
  下面举一个简单的例子予以说明。为维持一台安装在每小时数千吨流量供热管道的孔板流量计正常运行,一个采暖季节约需多耗电数万度,折合人民币数万元。这里仅考虑孔板流量计压力损失为几千帕,实际运行时远远超过这个值。即便是这几千帕的压力损失,它所造成的附加运行费用也是不可忽视的。表1给出的数据为目前热力管网用主管道流量范围在不同的压力损失时,孔板流量计引起的循环泵额外耗电量、电耗费用、折合标准煤量、购煤费用的单台孔板流量计在一个取暖季节运行费用的数据,其中运行天数按120天、电价按0.35元/度、标准煤价按200/t计算。
压力损失
千帕
流量
m3
·h-1
耗电量
kw
·
h
电费
万元
煤量
t
煤费
万元
运行费用
万元
30 2000 48000 1.68 5.90 0.118 1.562
4000 96000 3.36 11.79 0.2358 3.1242
8000 192000 6.72 23.58 0.4616 6.2584
10000 240000 8.40 29.48 0.5896 7.8104
20 2000 32000 1.12 3.93 0.0786 1.0414
4000 64000 2.24 7.86 0.1572 2.0828
8000 128000 4.48 15.72 0.3144 4.1656
10000 160000 5.60 19.65 0.3930 5.207
10 2000 16000 0.56 1.965 0.0393 0.5207
4000 32000 1.12 3.93 0.0786 1.0414
8000 64000 2.24 7.86 0.1572 2.0828
10000 80000 2.80 9.825 1.1965 2.6035

  由表1可见,一个流量为4000m3/h的中型热网,当孔板压力损失为30千帕时,仅一台孔板流量计就多耗9.6万度电,运行费用为3.12万元,对于流量为10000m3/h的大型热网,额外耗电量达24万度,运行费用7.8万元。而弯管流量计是没有附加阻力损失的,如果用弯管流量计替代孔板流量计进行计量,就可大大地减少运行费用,获得可观的经济效益;
③ 弯管流量计传感器耐磨损,对微量磨损不敏感;
④ 可采用直接焊接法进行安装,使现场跑冒滴漏的麻烦得到彻底的解决;
⑤ 适应性强,量程范围宽,直管段要求不严。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,而且在耐高温、耐高压、耐冲击、耐振动、耐潮湿、耐粉尘等方面,弯管流量计远优于其它流量计。
  如高温、高压、冲击、振动,对于涡街流量计来说其使用性是十分有限的,这与其测量原理有关,实测测量结果产生较大的附加误差影响了测量精度,造成测量不准。所有这些问题对弯管流量计来说都不存在。
  弯管流量计的量程比可达110,对于蒸汽,它的适用范围为0-70m/s,可以较好地满足蒸汽流量测量的要求。弯管流量计由于其特殊的测量原理,使其在实际应用时对直管段的要求不严格,一般只要求前5D、后2D即可,远远低于其他流量测量装置的要求;
⑥弯管流量计精度高,重现性好,测量精度可达1.14%,重现性精度可达0.2%,一次安装后,不再需要重复拆装,因此,其安装精度也能得到最佳保证。

  综上所述,蒸汽流量仪表的选用是非常重要的,准确测量蒸汽流量是生产部门都需要和普遍关心的问题。随着经济的发展,提高测量水平的呼声越来越高。因此,应针对生产实际情况,做一些细致的技术工作,切实探索出一条蒸汽流量测量的成功之路。
   
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