摘要：針對均速管流量計(jì)在蒸汽測量中的應(yīng)用難點(diǎn)，以實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，就典型問題進(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)量儀表是差壓式節(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，可用于測量蒸汽、液體、氣體等介質(zhì)流量，尤其適用于大管道流量測量。

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)量場合的應(yīng)用越來越多，計(jì)量難點(diǎn)也不斷顯現(xiàn)出來，比如計(jì)量的精度如何保證、超大蒸汽管道測量問題，高溫高壓的主蒸汽計(jì)量安全問題等。

對均速管流量計(jì)應(yīng)用中存在的典型問題進(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。分析對象選用德國西斯特(Systec Controls)公司德爾塔巴均速管流量計(jì)(簡稱西斯特流量計(jì))。

1、蒸汽流量的測量精度

西斯特流量計(jì)的基本原理源于皮托管測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，由動能產(chǎn)生的不同壓力在測量管內(nèi)形成均壓。平均后的壓力代表了整個管道截面的平均流速。流量傳感器是一種異形截面(見圖1)的中空金屬桿，在傳感器的迎流面和背流面制有測量壓力的引壓孔，通常為2～5對孔，孔的分布位置采用等面積法計(jì)算。迎流面的引壓孔測量到的是動壓，背流面測量的是靜壓，可通過動壓與靜壓獲得差壓(dp)并計(jì)算出蒸汽流量的測量值。

1.1 蒸汽測量的精度需求

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，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。均速管流量計(jì)在滿足給定的直管段長度和流量范圍的情況下，測量誤差均不超過±1.0%?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時，由于安裝偏差，管道直徑制造誤差，差壓、溫度、壓力等參數(shù)的測量誤差的存在，實(shí)際使用精度會下降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)量交割的場合或出現(xiàn)計(jì)量糾紛時才被采用。

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)量檢定時的參考條件穩(wěn)定不變，使檢定裝置具有0.015%的檢測精度。而目前氣體計(jì)量檢定設(shè)備的檢測精度僅為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。因此很多測試機(jī)構(gòu)和德國聯(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檢測技術(shù)公司曾介紹該公司利用水對其生產(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)是由德國西斯特公司與德國埃爾朗根大學(xué)共同研究開發(fā)的，通過了德國TUV的全面測試，獲得德國PTB測試報告，報告顯示其精度優(yōu)于0.6%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%。

目前，國內(nèi)*三方標(biāo)定僅有開封**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)直管段問題。安裝前必須選擇滿足流量計(jì)需要的直管段長度，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。一般來說，精度指標(biāo)一樣的流量計(jì)，對直管段要求短的精度特性好于直管段要求長的。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)冷凝器配置問題。蒸汽流量計(jì)必須配置冷凝器，對于分體式配裝的冷凝器要特別注意兩個冷凝罐中冷凝液面的等高安裝，其偏差應(yīng)在±2mm以內(nèi)，以免帶來附加的測量誤差。

西斯特流量計(jì)本身自帶微型冷凝器(見圖2)，可以一體化安裝或分體安裝。兩個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單。試驗(yàn)結(jié)果顯示，這種MT多用途探頭在一體化連接時，蒸汽通過微型冷凝器后進(jìn)入差壓變送器膜盒時的溫度不會超過室溫，即使蒸汽溫度高達(dá)550℃。

1.2.2 溫壓補(bǔ)償

在蒸汽計(jì)量過程中，密度是影響測量精度的關(guān)鍵參數(shù)。飽和蒸汽的密度補(bǔ)償可以單獨(dú)通過測量壓力或者溫度進(jìn)行；過熱蒸汽的密度與壓力、溫度同時相關(guān)，其密度補(bǔ)償須同時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)償是在被測蒸汽的運(yùn)行溫度、壓力偏離設(shè)計(jì)值時采取的密度修正措施，并通過DCS系統(tǒng)自動進(jìn)行。修正可以采用查表法和計(jì)算法，查表法是在兩個數(shù)據(jù)之間使用插值運(yùn)算，與計(jì)算法相比會引起比較大的誤差，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。使用該公式時應(yīng)特別注意溫度及壓力是絕對壓力和絕對溫度，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)條件時的質(zhì)量流量；dPB為運(yùn)行條件時的差壓值；dPD為設(shè)計(jì)條件時的差壓值。

1.2.3 現(xiàn)場流量計(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)，通過標(biāo)定可以確定該表的實(shí)際偏差，修正后可以提高測量精度。

在無法送檢的情況下，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主給水的流量推算蒸汽流量；工藝過程流量可以通過下游用汽設(shè)備耗汽經(jīng)驗(yàn)值對比精度偏差。

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越大，從過去的DN100～300增大至DN500～2000。大管徑蒸汽測量采用傳統(tǒng)的差壓儀表存在安裝難度大、費(fèi)用高問題，并且標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流型元件壓損大，長期運(yùn)行能耗高，使得大管徑蒸汽計(jì)量成為一個難題。大口徑蒸汽測量的*大難點(diǎn)就是探桿的強(qiáng)度問題，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。由于管道直徑過大，蒸汽流速高，DN1800、DN1300管道在選用了2"探頭后仍無法達(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)度需要又不影響測量的情況下，確定出DN1800管道內(nèi)增加2個支撐點(diǎn)、DN1300管道內(nèi)增加1個支撐點(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，為國內(nèi)眾多大型采暖系統(tǒng)提供了可行的超大管徑蒸汽測量的成功范例。

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)場進(jìn)入管道內(nèi)施工時，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)場管線相同的一段管道中，然后根據(jù)現(xiàn)場需要實(shí)施法蘭連接或直接焊接。對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)度和測量的要求。

3、高溫高壓主蒸汽流量測量

高溫高壓是蒸汽計(jì)量的又一難點(diǎn)，大多數(shù)流量儀表難以適應(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熱蒸汽，其溫度高達(dá)500℃以上，壓力也會高于10MPa。西斯特流量計(jì)針對該問題的解決方案：

(1)采用特殊的材料制造探頭。對溫度低于500℃的蒸汽介質(zhì)選用1.4571不銹鋼；測量500℃以上高溫蒸汽時則采用1.4828材料，可測量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)行探頭材料測試，確保材料合格；TUV安全測試，逐臺對探頭進(jìn)行整體安全測試，并出具TUV**。

以上措施保證了探頭強(qiáng)度符合安全需求，使高溫高壓蒸汽測量成為現(xiàn)實(shí)。西斯特流量計(jì)在國內(nèi)外主蒸汽測量方面的典型應(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，未伴熱凍結(jié)引壓管或伴熱溫度過高、伴熱不均等情況，會導(dǎo)致蒸汽測量不準(zhǔn)甚至無法測量的故障占比很高，嚴(yán)重影響了蒸汽的準(zhǔn)確測量和計(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傳遞差壓信號，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)的蒸汽測量需求。

防凍型蒸汽流量計(jì)的使用與維護(hù)：

(1)*次使用時，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，更換時應(yīng)注意將冷凝系統(tǒng)沖洗干凈，然后再加入新的防凍液。