差壓式流量計在蒸汽計量中的若干問題及解決方法探討

一、差壓式流量計工作原理

    差壓式流量計是根據GB/T2624-1993《流量測量節流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量》生產和使用的，其原理公式為：

    式中：

    q_m——質量流量，kg/s；
    C ——流出系數；
    β ——直徑比，β=d/D；
    ε ——可膨脹性系數；
    d ——節流件開孔直徑，mm；
    ρ ——節流件上游流體密度，kg/m3；
    ΔP——流體流經節流件產生的差壓，kPa。

    二、蒸汽計量中存在的問題

    流量計量儀表品種很多，雖然技術上較為成熟，但在蒸汽測量尤其是貿易結算蒸汽計量中常發生爭端。差壓式流量計在使用中常見以下問題：

    1.量程

    差壓節流式流量計有一個測量范圍，超出測量范圍儀表就無法正常工作，或者準確度嚴重超差，尤其是傳統的差壓式流量計量程比只有3∶1。

    2.脈動流和小流量問題

    許多用戶使用蒸汽時是間斷使用的，用汽時閥門全開，不用時閥門全關或保留不能使儀表計量的小流量，導致流量計不能正常工作。

    3.防盜問題

    個別用戶對蒸汽計量儀表進行惡意改動，造成計量數據嚴重失準。

    三、解決方案分析

    解決蒸汽計量中存在的問題，不僅應從技術上，更重要的是應從管理上進行完善，兩者有效結合，才能達到理想效果。

    1.寬量程問題的解決

    在流量儀表的設計制造中，由于技術條件的限制無法*實現式（1）中的全部計算，式（1）中C和ε是一個非線性的變量，而接取壓孔板的C值計算如下：

    這里，R_eD為管道雷諾數，其計算公式為：

    式中：

    μ——流體動力黏度，Pa·s；
    D——管道內徑，mm。

    當介質為可壓縮流體時，計算可膨脹性系數的公式為：

    式中：

    k——流體的等熵指數；
    P——節流件上游的靜壓，Pa。

    式中：

    d20、D20——20℃時的節流件開孔直徑和管道內徑，mm；λd、λD——節流件和管道材質的線膨脹系數。

    C和ε隨ΔP（ReD）變化的曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 C隨ΔP（R_eD）變化的曲線

圖2 ε 隨ΔP（R_eD）變化的曲線

    傳統儀表難以實現多變量非線性的在線補償計算，所以將式（1）簡化為：

    將簡化為常數K后，為確保儀表計量準確度，所以差壓式流量計限定流量比為3∶1。

    隨著智能技術的發展這種限定已經沒有必要了，可通過單片機固化程序解決C和ε的變化問題，下面介紹三種解決方法：

    （1）分割法

    C和ε的計算過程十分復雜，考慮到儀表的成本，所以常用的計算方法為“分割法”，即將C和ε曲線分割成數段，不同的差壓段取不同的值，這種方法實現了量程的擴展并保證了計量儀表的基本準確度，但在兩段間卻有一個跳變。

    （2）分段插值法

    為解決跳變問題，我們采用10段“分段插值法”，即將C和ε曲線取10個點，采用插值法逼近。下面以5段為例（分段越多越）說明分割法和分段插值法的準確度區別：

    查表得：

    ΔP=101200Pa時，C1=0.60286、ε1=0.95129；

    ΔP=82944Pa時，C2=0.60289、ε2=0.96054；

    ΔP=65535Pa時，C3=0.60293、ε3=0.96883。

    采用分割法的誤差為：

    采用分段插值法（5段）的誤差為：

    可見，分割法不僅有跳變問題，準確度也不樂觀，而5段“分段插值法”已經達到了準確度要求，10段“分段插值法”誤差則小于0.01%。

    （3）逐點計算法

    逐點計算法就是隨著ΔP的變化逐點計算C和ε，這種方法準確度高，理論計算誤差接近于零，但運算過程復雜，儀表設計成本高，一般用于大宗、高價值貿易結算。

    2.脈動流和小流量問題

    “點滴使用”的情況普遍存在于水計量和蒸汽計量，部分用戶有意將流量控制在儀表不能啟動的小流量段，并長期使用；“超流速使用”是瞬間將流量開至zui大，超出了流量計的正常工作范圍，導致流量計對超出部分無法正常計量，給供熱方造成經濟損失。以上兩種現象可采用相關技術在流量積算儀上增加上下限替代值或記錄超*解決，但需要供需雙方共同認可，簽訂相應的合同或協議。

    3.防盜問題

    差壓、壓力的信號為（4~20）mA，溫度的對應阻值為（80~200）Ω，這就為線路的監控提供了依據，一旦不符合上述指示就證明變送器電路出現故障，并報警和記錄時間，防止人為破壞，但是需要安裝實時監控系統，同時對所有閥門采用防盜設計，開關必須用鑰匙，接線端子須上鎖并鉛封。

    4.停電問題

    傳統管理方式是使用停電計時器，記錄停電時間，事后結算。這種處理方式存在許多弊端，比如在高、低峰期停電，容易產生糾紛并增大工作量。采用電源管理器形式既能保障提供至少7天的后備電源，又克服了UPS逆變耗能和干擾問題，實際效果較為理想。

    四、小結

    對于蒸汽計量，有了完善的計量產品僅僅是具備了一個流量測量手段，要得到相對準確的數據，還需要根據具體的情況進行單獨設計和調整，同時相應的管理體系也是保證流量計量準確的基礎。