蒸汽流量测量不准因素以及如何解决

摘要：针对影响蒸汽流量正确测量的各种常见因素进行分析,阐述了蒸汽流量计应具备的主要性能,介绍了弹簧负载变截面式流量计的原理和特点及蒸汽流量计系统安装的注意要点。

1前言

自工业革命以来,蒸汽由于具有容易产生、输送、控制、热容量高以及无毒、无味等特点,常作为工作流体或载热介质被广泛应用。

蒸汽流量的计量一直是蒸汽应用的重要内容之一。使用蒸汽流量计的主要目的包括:改进工厂的效率,确定用汽高峰时间和设备,合理使用蒸汽的制造方法,避免锅炉的超负荷运行;监视能源的使用效率;改进工艺制程的控制;计量蒸汽用量,进行内部或外部的计费。

但由于蒸汽的计量不同于其它流体如水、空气等介质,在实际测量中影响其精确测量的因素较多,同时在国内关于蒸汽测量方面也存在不少误区。针对影响蒸汽流量正确测量的一些因素提出了解决方法,阐述了流量计应具备的主要性能以及在实际的安装使用中需要注意的事项。

2影响正确测量蒸汽流量的因素

能否正确测量蒸汽的流量除了流量计本身的计量性能以外,还受到很多因素的影响,下面将讨论其中几个:

2.1蒸汽流量的变化

为了确保得到的流量信息能够正确表示在整个制程工况或需求范围内的蒸汽流量,流量计必须能够测量从极端的低负荷至zui大负荷的整个范围。而实际的蒸汽负荷可能无法知道或变化很大,因此流量计在可能的流动工况下具有尽可能大的量程比。但涉及量程比时我们必须小心,因为量程比是居于现实的流动速度上,例如对于蒸汽系统一般的zui大允许速度为35m/s,更高的流动速度会引起系统的冲蚀和噪音。而不同的流量计允许的zui低流速是不同的,例如一般涡尖流量计所能测量的zui低蒸汽流速为2.8m/s,而GilfloILVA流量计的zui低允许流速为0.6m/s。因此对于流量变化比较大的系统,很容易造成在低流量（低流速）时有些流量计无法正确计量或不能计量的事实。

2.2蒸汽压力和温度变化所引的密度变化

在理想情况下,蒸汽的压力能保持绝对的恒定。然而,在现实世界中,蒸汽系统负荷的变化、系统的压力降和制程参数的变化都会引起压力的变化,有时这种变化是很大的。在过热蒸汽系统中,即使在压力不变时过热度的变化也会引起蒸汽密度的变化。

为了正确计量蒸汽的质量流量,必须考虑蒸汽压力和温度的变化。对于蒸汽流量计必须具有内置的管线压力和温度补偿功能,即蒸汽密度补偿。

然而目前用来测量蒸汽质量流量的大多数流量计系统没有自动的压力和温度补偿,指定操作在某一压力下。如果管道压力（对过热蒸汽包括温度）能真正固定,则很好,但是,即使是相对很小的压力变化也会影响测量精度。不同类型的流量计影响的方式不同:

a.速度式流量计

例如涡尖流量计:涡尖流量计的信号输出只和流速有关,而和介质的密度、压力、温度无关。即对于给定的流动速度3barg和17barg的蒸汽,对同一个涡尖流量计其输出信号是相同的。因此,对于一个涡尖蒸汽流量计指定在某压力下工作,而实际运行于不同的压力,则误差可用以下方法简单计算:

b.差压式流量计

如孔板流量计:孔板和差压变送器输出的是差压信号。其质量流量与流量计的几何外型、差压平方根和密度平方根有关。因此,对于一个给定的流量计,在一定的差压下,压力变化引起的误差如下:

2.3蒸汽干度对于饱和蒸汽的影响

目前,用于测量蒸汽流量的流量计大部分为体积流量计,首先测得体积流量,然后通过蒸汽的密度（固定密度或根据温度、压力补偿）计算质量流量,也就是假定蒸汽为完全干燥。但是,蒸汽并非完全干燥,这几乎适用于所有的情况,特别是目前国内产生的蒸汽品质普遍较差,蒸汽输送管道没有有效的凝结水排放。因此通过以上方法测得的蒸汽质量不尽正确。如果不考虑蒸汽干度的影响,得出的数据会低于实际的流量。

实际的蒸汽流量和假定干蒸汽（蒸汽干度=1）所测得的流量可以用以下公式近似表达:

因此流量计的积算仪应该包括能设置饱和蒸汽干度的功能。但在实际工况确定蒸汽的干度也很困难。如果能够改进蒸汽流量计入口处的蒸汽品质,则能改进蒸汽流量计的测量精度。例如根据图4,如果蒸汽的干度为0.95,而测量时认为100%的干蒸汽,则误差为2.6%。

因此,建议在流量计的上游安装汽水分离装置,以提高测量正确性。

以上我们讨论了3个比较重要但容易被忽略的影响蒸汽测量蒸汽流量的因素,当然影响测量正确程度的因素还包括正确的安装、流量计的选型等。

3蒸汽流量计应具有的性能

“没有计量,就没有管理”,为了正确测量蒸汽的流量,一个蒸汽流量计必须具备以下性能:

3.1良好的再现性

再现性是描述流量计能多次显示一个确定的流量值的能力。再现性不应该和测量精度混淆。一个流量计对一个确定的流量能多次显示良好的同一性,但其值有可能是错误的或者是不正确的。流量计的再现性有助于改进工厂的效率、改进工艺过程的控制。

3.2高的测量精度

测量精度是衡量蒸汽流量计的显示值和“真实”值的吻合程度。精度有两种差别很大的方法表示:

3.2.1测量值误差或实际示值误差

如果流量计系统的实际示值误差为±3%,并且指示流量为1000kg/h,其“不确定值”在1030kg/h和970kg/h之间。当流量为500kg/h时,其误差仍然为±3%,“不确定值”在515kg/h和485kg/h之间。

3.2.2F.S.D或者全量程误差

在本表示方法中,误差以流量计的zui大测量值的百分比表示。假定一个流量计其zui大测量值为1000kg/h,其精度为全量程的±3%,则当流量为500kg/h时,其“不确定值“在530和470之间。可以看出,此时对于“实际测量值”其不确定性为±6%。并且当流量减少时,其不确定性增大,也即误差增大。

所以在考察一个流量计的精度时,一定要注意是示值误差还是全量程误差。

3.3量程比

一个流量计精度很重要,但口径选择正确和使流量计尽可能接近用户的实际需要也很关键。量程比是指一个流量计能确保给定的精度和再现性的范围内,所能测量的zui大流量和zui小流量之比。表1为一些常用的蒸汽流量计典型的量程比。

3.4蒸汽密度的自动补偿功

在前面关于影响蒸汽流量正确测量中讨论到,在现实世界中,完全恒定的蒸汽压力是不存在的。图3表示一个典型的饱和蒸汽应用的变化周期。在起机阶段,系统压力逐渐升高至正常的5barg,然而由于工艺过程负载等各种因素的变化,系统的压力总是在波动。对于一个简单的、没有密度自动补偿的流量计,在一天中的累计误差是很明显的。因此,对应用于蒸汽系统的流量计必须具有自动密度补偿功能。

4GilfloILVA流量计的工作原理和主要特点

针对目前蒸汽流量计量中普遍存在的问题,作为蒸汽控制工程的专家,斯派莎克专门设计一种弹簧负载变截面蒸汽流量计。

4.1工作原理

与其它常见的差压流量计,如孔板流量计和文丘利式流量计一样,GilfloILVA流量计的一次元件应用管道内能量守恒定律。如图4所示:随着流量的变化,圆锥移动,流体通过的圆环面积连续变化,中心定位的圆锥随压缩弹簧的阻力变化沿轴向自由移动,产生不同的差压,推导出瞬时流量。

GilfloILVA的独特设计极大地扩大了流量差压测量的能力,关键之处则在于圆孔和圆锥的设计减少了上游速度截面的影响,并同时在差压和流量线形的基础上,获得了极高的量程比。

4.2主要特点

a.适用于大多数工业流体,特别是蒸汽系统。

b.量程比可达100:1,满足不同负载变化的要求。

c.精度高。经过蒸汽实测,在5~100%的范围内示值误差优于±2%;在1~5%的范围内为±0.1%的全量程。

d.流量再现性优于±0.5%。

e.非常紧凑的对夹式安装,上下游分别只需6D和3D的直管道。

f.自动密度补偿功能。