差壓式流量計在蒸汽計量中的應用

      1 引言

        隨著我國大中型企業的不斷深化改革，企業內部各分廠（車間）的經濟效益獨立核算，蒸汽計量工作已被越來越多的企業所重視。蒸汽計量關系到能源水泵的統計和考核，直接關系到產汽單位和用汽單位的經濟效益，同時，用汽單位正確控制蒸汽計量的多少，對生產工藝有很大的幫助。因此，流量儀表的正確選用尤為重要。目前工業上使用的流量計品種很多，由于差壓流量計結構簡單、通用性強、使用壽命長、信號便于遠傳等特點，已被廣泛應用。本文就差壓式流量計在蒸汽計量應用中的若干問題進行分析。

        2 差壓式流量計的測量原理及組成

      2.1 測量原理
充滿管里的流體經直線管道進入節流裝置，流束將在節流件處收縮，使流速加快，靜壓力降低，導致節流件前后產生差壓。流速增大，差壓也隨之增大，因此，通過測量差壓，可以確定流量，見圖1。

                              圖1 角接取壓法孔板裝置
     2.2 組成

     差壓式流量計由節流裝置、引壓導管、三閥組、差壓變送器和二次儀表組成。見圖2。

                              圖2 差壓式流量計組成
                              　　

      （1）節流裝置。節流裝置由節流和取壓裝置構成。

      標準節流件有三種類型，即：孔板、噴嘴、文丘利管。其中流體流過孔板所產生的壓力損失zui大，且孔板具有制造簡單、適用性廣、使用壽命長等特點，工業生產中廣泛采用標準孔板，精度可達±0.5%～±1%，公稱徑為50～1200mm。

      取壓裝置有兩個取壓口，一個是上游取壓口，一個是下流取壓口，上游取壓口引出流體的正壓力，下游取壓口引出流體的負壓力。

      ⑵差壓變送器。差壓變送器是差壓式流量計中的重要組成部分，它將節流裝置的差壓信號轉變成電流信號，以便于二次儀表處理和運算。早期使用的差壓變送器DDZ—Ⅱ（輸出0～10mA）和DDZ-Ⅲ（輸出4～20mA）型，其準確度均為±0.5%，基本能滿足工業計量的要求。目前，國內有兩種系列產品，一種是西安儀表廠生產的1151±0.5%系列差壓變送器，另一種是北京遠東儀表公司生產的1751系列，其準確度可達±0.25%。

      ⑶顯示儀表。顯示儀表將有效期壓變送氣產生的標準電流信號及其它裝置產生的補償信號進行開方并積算，顯示瞬時流量、累計流量及其它參量。對于壓力、溫度波動范圍較大的測量介質，如過熱蒸汽等，必須進行溫度、壓力補償，對于飽和蒸汽，應進行壓力（或溫度）補償。

      常用的顯示儀表有電磁計數式的開方積算器和智能數顯式的流量積算儀。智能流量積算儀是采用單片微處理機組成快速修正系統，能與差壓、壓力、溫度變送器或與熱電偶、熱電阻配合，對被測介質由于壓力、溫度偏離設計工況引起的流量測量誤差及累計積算等，通過軟件實現自動補償和積算，從而提高測量精度及可靠性。
                                  
      3 流量方程

      由于氣體具有可壓縮性質，測量蒸汽應采用質量流量。
      根據經典的伯努利定律、節流裝置的基本實用流量方程為：

       （1）式中：qm-質量流量kg/h；α-流量系數；ε-流體流束的膨脹系數（對不可壓縮流體ε=1，對可壓縮流體ε<1）；Ad-工作狀態下的節流件開孔面積；△P-節流件上、下流側規定的取壓孔位置上的表壓差，MPa；ρ1-工作狀態下的流體密度kg/m3。
                              　　
      由于影響的因素很多，通常利用經驗公式，直接實驗測定或查閱表格和曲線得到。
                              　　
      在實際生產中，由于鍋爐內壓力的變動，使蒸汽密度偏離設計時所采用的ρ值，從而導致測量誤差，因此實際流量的表示式為：

                                     （2）

      將式⑵除以式⑴得

                              　　   （3）
                              　　
      連續測量實際密度較困難，對于飽和蒸汽，與壓力或溫度成一定關系。對過熱蒸汽，與壓力、溫度成一定關系，因此，通過測量壓力、溫度得到ρ2。

       以壓力≤2MPa的飽和蒸汽為例：

       根據經驗公式P=（1/1.7235）P015/16     （4）

       將⑷式進行線性化處理得

       ρ2=ρ1（15P/16P0+1/16）  ⑸

       式中：P0-孔板設計時采用的壓力MPa；P-工作壓力MPa。

       將⑴與⑸代入⑶，得到：

                                      ⑹
                                  
      式中：△P=K1×Iλ1，P-0.1033=K2×Iλ2（表壓）；Iλ1-差壓變送器輸出電流；K2-壓力變送器系數。
                              　　將△P與P代入⑹可得：

      上式即為帶壓力補償的蒸汽流量的實用公式。

      4 有效期壓式流量計選用、安裝和維護

      4.1 選用
                              　　
      ⑴孔板的計算、加工一般委托儀表廠進行，而孔的準確參數必須由*提供。主要參數包括：測量介質的zui大流量（t/h）、測量介質的zui小流量（t/h）、平均表壓力（MPa）、平均溫度（℃）、平均大氣壓（Pa）、管道內徑（mm）、管道材質、測量介質黏度（Pa·s）、測量介質的水份以及管道安裝方式等10項。
                              　　
      對于測量范圍，選擇時應使實際測量的流量落在流量計的測量范圍內，常用流量值在測量上限的2/3處，由于差壓流量計的量程比是3：1，適用于生產量、消耗量比較穩定，變化幅度小的流量測量。
                              　　
      ⑵差壓變送器及壓力變送器等在訂購時應注意如下三點：
                              　　
      ①測程必須與孔板的zui大差壓一致，或可調至孔板的zui大差壓。
                              　　
      ②輸出信號必須是0～10mA或4～20mA標準信號，以便于與顯示儀表配合使用。
                              　　
      ③對于需要溫度、壓力補償的測量介質一定要配備溫度測量儀表和壓力測量儀表。
                              　　
      ⑶應注意顯示儀表和信號測量儀表配合使用。
                                 

       4.2 安裝
                              　　
      ⑴孔板安裝時其“+”號應向著流束。對于未標“+”、“-”符號的孔板，安裝時應注意孔板上的倒角在出氣的一邊。

      ⑵孔板安裝處不允許存在泄露現象。

      ⑶孔板上、下游側應有足夠長的直管段，通常，前直管段長10D，后直管段長5D（D為管道直徑），否則，會產生很大誤差。
                                  
      ⑷導壓管應垂直或傾斜敷設，傾斜度不得小于1：12，導壓管長度應盡量短，以減少壓力損失，走絲不能太小，以減少摩擦損失。

      ⑸安裝時應注意與測量登記表配套的三閥組的方向，特別對于那些未標明安裝方向或高、低壓閥手柄裝反的更應仔細檢查，以免給高度帶來不應有的麻煩。

      ⑹變送器應在外殼密封的情況下工作，必須防潮、防塵。環境條件過于惡劣時，可把變送器放在一小房間，以便于保護和維修。

      4.3 維護

      ⑴差壓變送器投入運行時，應正確操作位于它上部的三閥組。首先，應打開平衡閥，然后打開正壓閥和負壓閥，zui后關閉平衡閥，以避免壓力單相過載沖擊變送器的測量元件，拆除差壓變送器也應先打開平衡閥，后關閉正壓閥和負壓閥。

      ⑵對于孔板、導壓系統及前后管道應定期排污，新裝引壓導管需排污勤一點（約1個星期排一次），以后時間可長一點。

      ⑶當工作條件改變或孔板開孔直角入口邊緣的銳利度和垂直度、孔板端面平行度、光潔度等參數超差時，應及時對孔板進行修正和予以更換。

      ⑷引壓管中應保持冷凝水，以防蒸汽進入變送器正負壓容室，引起測量誤差。
                                  
      ⑸當變送器因誤操作，而受到單向工作壓力時，應盡快使高低壓室無壓力，并調整零點，使輸出電流變化不大于0.1mA。

      ⑹差壓變送器容室“O”形密封圈拆裝時，必須清除密封槽內垃圾，并用洗滌劑潤滑。

      ⑺變送器、顯示儀表應定期校驗。

      5 孔板式流量計在我廠的應用

      以西區電解鋅蒸汽計量為例：
      工藝條件。

      zui大流量：qmax=90t/h；常用流量：qcom=72t/h；zui小流量：qmin=30t/h；壓力：P=0.5MPa；工作溫度：t=240℃；流體密度：ρ=2.152kg/m3；管道內徑：D=509mm；差壓上限：△Pmax=6000Pa；流體粘度：μ=0.01774MPa·s；等熵指數：K=1.3027；管道相對粗糙度：K=0.075m；管道線膨脹系數λ0=1.72×10-6mm/mm℃；管節流件線膨脹系數：λ0=1.72×10-6mm/mm℃；20℃時節流體開孔直徑d20℃=312.93+0.16mm。

      由以上有關工藝條件得出：

      直徑比：β=0.61479；流出系數；C=0.60413；可膨脹系數：ε=0.97288；zui大雷諾數：REDMAX=3512667；常用雷諾數：REDCOM=2810134；zui小雷諾數：REDMIN=1170889；常用差壓：△P=38400Pa；壓力損失△W=36778Pa；計算誤差：E=0.0009%；流量不確定度：e=+0.88%；前直管段：L1=9.8mm；后直管段L2=3.6mm。

      因該水蒸汽是過熱蒸汽，故應進行壓力溫度補償，目前智能型儀表對流體密度采用兩種不同方法，有的儀表是預先給定的密度值，再通過所測得的溫度，有些儀表在軟件中采用查表法或補償法得到每一瞬間的液體密度值，此準確度高，鑒于此兩種情況，我廠選用的二次儀表為大華儀表廠生產的智能型通用流量過熱蒸汽質量流量（帶壓力、溫度補償）。其數字模型。

      測量過熱蒸汽質量流量（帶壓力、溫度補償）：

      式中：F2-儀表顯示的經壓力或溫度補償后的瞬時質量流量；QFS-流量量程設定值，即組態表中單元“08F”；I-對應于瞬時流量輸入電流；Imax-當輸入信號為4～20mA，△I=（20-4）mA=16mA；ρP·t-對應的壓力（Pa）、溫度（℃）狀態下過熱蒸汽的密度kg/m3；Ks2--第二流量補償系數、參數設置表中“17F”單元。
                                  
      ρ0為參考狀態下的蒸汽密度kg/m3。
                                      
      該孔板式流量計投入運行后，二次儀表運行穩定，數據可靠，得到了熱電廠和電解鋅廠的認可，對電解鋅生產工藝中用氣量的合理控制起到了重要作用，為電解鋅節能降耗、增產提供了方便的條件。

      6 結語
                                  
      在流量測量中，孔板式流量計具有結構簡單、使用壽命長及價格低等優點，使板式流量計得到了普遍的應用，盡管在不同的情況下存在測量精度不高的現象，但在使用中如果注意滿足孔板式流量計的使用條件和適用范圍，孔板式流量計仍能達到±1.5%的精度，目前仍然是一種較好的計量器具。