蒸汽流量測量的準確性分析
蒸汽流量測量的準確性分析
摘要：簡要介紹了蒸汽流量測量的方法，分析了引起測量誤差較大的原因。
針對蒸汽流量的實際情況，提出了提高流量測量準確性的方法和措施，以及正確選用蒸汽流量剛量儀表應注意的事項，可供流量測量工作借鑒。
1 過熱蒸汽流量測量的不確定性
過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。過熱蒸汽的溫度與壓力是兩個獨立參數，其它狀態參數由這兩個參數決定。過熱蒸汽在經過輸送后，隨著工況（如溫度、壓力）的變化，特別是在過熱度不高的情況下，因為熱量損失溫度降低而使其從過熱狀態進入飽和或過飽和狀態，轉變成為飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽突然大幅度減壓，一部分液滴在絕熱膨脹時也會轉變成為過熱蒸汽，這樣就形成汽液兩相流介質，一般流量計都不能準確檢測兩相流體的流量，從而產生流量測量誤差。
2 飽和蒸汽流量測量的不確定性
飽和蒸汽的溫度與壓力之間一一對應，二者之間只有一個獨立參數。飽和蒸汽容易凝結，在傳輸過程中如有熱量損失，蒸汽中便有液滴或液霧形成，并導致溫度與壓力的降低。含有液滴或液霧的蒸汽稱為濕蒸汽。嚴格來說，飽和蒸汽或多或少都含有液滴或液霧，所以不同狀態下不能用同一氣體狀態方程式來描述。飽和蒸汽中液滴或液霧的含量反映了蒸汽的質量，一般用干度這一參數來表示。蒸汽的干度是指單位體積飽和蒸汽中干蒸汽所占的百分數。 準確計量飽和較困難，一般流量計都不能準確檢測兩相流體的流量，蒸汽壓力波動將引起蒸汽比體積的變化，流量測量值會產生附加誤差。所以，在飽和蒸汽測量中，必須設法保持測量點處蒸汽斷度穩定，必要時還應采取補償措施。
3 測量誤差分析
目前使用流量儀表測量蒸汽流量，測量介質都是指單相流的過熱蒸汽或飽和蒸汽。對于相流經常變化的蒸汽，會存在測量不準確的問題。對此，需保持蒸汽的過熱度，盡量減少蒸汽的含水量，例如加強蒸汽管道的保溫措施，減少蒸汽的壓力損失等，以提高測量的準確度。然而，這些方法并不能徹底解決蒸汽流量測量準確的問題，解決這一問題的根本辦法是開發一種可測兩相流動介質的流量儀表。 用于檢測氣體流量的流量計種類很多，以速度式和比體積流量計應用最普遍，它們的共同特點是可測定氣體的比體積流量，而比體積流量Gv又是狀態的函數，工作狀態下氣體的比體積流量并不能確切的反映實際流量。對此，工程上一般都以標準狀態比體積流值或質量流量表示。采用刻度氣體流量計時，選定氣體正常溫度、壓力為設計條件，將設計狀態下的比體積流量折算為標準比體積流量或質量流量，其折算系數中含有氣體比體積的因素，當氣體的工作狀態偏離設汁狀態，比體積流量測量值將產生誤差。此外，氣體的禪分、含量或溫度的變化，都對流量測量產生影響。所以，蒸汽流量的測量更需要采取補償措施，并且因蒸汽的狀態變化補償因素也比較復雜。 過熱蒸汽的比體積由蒸汽的溫度、壓力兩個參數決定，而且在不同的參數范圍內，比體積的表達形式也不相同，無法用同一通式表示，所以不能獲得統一的比體積計算公式，只能個別推導求得溫度、壓力補償公體。在溫度、壓力波動范圍較大的場合，除進行溫度、壓力補償外，還需要考慮對過熱蒸汽體積膨脹系數ε的補償。
無論采用何種流量計測量飽和蒸汽的流量，在蒸汽壓力波動的條件下，必須采取壓力補償措施，這是因為在流量方程中，工作條件與設計條件不一致時，蒸汽比體積讀數會產生誤差，誤差的大小和工作壓力與設計壓力偏差的大小有關，實際壓力大于設計壓力將出現負誤差，否則將出現正誤差。蒸汽的干度是關系到能否準確測量蒸汽流量的重要條件，正在研制的在線蒸汽干度檢測儀表應用于蒸汽流量計量與補償系統，將進一步提高計量的準確性。因此，目前的蒸汽流量測量應采取以下3 項措施。 (l) 輸送蒸汽的管路須有良好的保溫措施防止熱量損失。 (2) 在蒸汽管路上要逐段疏水，在管道的最低處及表前的管道上應設置疏水器，及時排出疏水。 (3) 鍋爐運行操作中應避免出現汽包液位過高現象，盡量減少出現大的負荷波動。 4 流量儀表的選型 蒸汽流量測量在選擇流量儀表時應考慮5個主要因素：(l)被測流體特性；(2)生產工藝情況；(3)安裝條件；(4)維護需求；(5)儀表特性。本文著重討論流量儀表的特性、安裝條件、維護需求以及選用流量儀表應注意的幾個問題。目前，測量蒸汽流量的儀表主要有渦街流量計、差壓式(孔板、均速管、彎管)流量計、分流旋翼式流量計、阿牛巴流量計、浮子式流量計等，下面以渦街流量計、孔板流量計和彎管流量計為例加以說明。
4.1 渦街流量計
是基于卡門渦街原理而研制的一種新型流量計，具有以下特點：
(1)結構簡單牢固，無可動部件，長期運行可靠；
(2)維護方便，安裝費用較低；
(3)傳感器不直接接觸介質，性能穩定，壽命較長；
(4)輸出與流量成正比的脈沖信號，無零點漂移，精度高，并方便與計算機聯網；
(5)流量量程比可達1:10，測量范圍較寬；
(6)壓力損失小，運行費用較低；
(7)在一定的雷諾數范圍內，輸出信號頻率不受流體物理性質和組分變化影響，儀表系數僅與漩渦發生體的形狀和尺寸有關，測量流體的比體積流量無需補償，調換配件后無需重新標定儀表的系數；
(8)應用范圍較廣，氣體、液體的流量均可測量；(9)檢定周期一般為2-4年。
該流量計也存在一定的局限性：
(l)渦街流量計是一種速度式流量計，漩渦分離的穩定性受流速影響，故對直管段長度有一定的要求，一般測點前后直管段長度分別為10D、5D(D為管道直徑);
(2)測量液體時，受壓損和氣蝕現象限制，上限流速一般是0.5-8m/s;
(3)測量蒸汽時，上限流速受介質可壓縮性的限制，下限流速受雷諾數和傳感器靈敏度的限制，蒸汽流速是8~25m/s;
(4)應力式渦街流量計對振動較為敏感，故在振動較大的管道安裝流量計時，管道要有一定的減震措施；
(5)應力式渦街流量計采用壓電晶體作為檢測傳感器，要受溫度的限制，一般為一40-300℃。
4.2 差壓式流量計
(3)以孔板流量計為代表的差壓式流量計理論精度高，應用較普遍，但也存在不足：(l)設計參數與工況參數不符，上游直管段長度不足，孔板和管道不同心，孔板A 面(進口側)受污染、銳角磨損等因素對其測量精度有顯著影響，使其測量誤差增大； (2)安裝較為麻煩，維護及拆洗的工作量較大； (3)需配差壓變送器使用，增加了維護的工作量，另需敷設導壓管，且在冬季需對導壓管進行保溫，不能在室外安裝；(4)流量量程比較小(1, 3)，量程范圍較窄；(5)若安裝不正確容易發生蒸汽泄漏；(6)壓力損失較大，運行費用較高。 4.3 彎管流量計 彎管流量計實際上是一個90°標準彎頭，是結構較為簡單的流量傳感器，其特點是：(1)結構簡單，價格低廉；(2)傳感器耐磨損，對微量磨損不敏感；(3)安裝簡單，可采用直接焊接法進行安裝，較徹底地解決了現場發生蒸汽泄漏的問題；(4)適應性強，量程范圍較寬，直管段長度要求不嚴，只要是可以用孔板、渦街、均速管流量計來測量的管道內流體流量都可以用彎管流量計進行測量，而且在對高溫、高壓、沖擊、振動、潮濕及粉塵等耐受能力方面，彎管流量計遠優于其它流量計；(5)量程比可達1:10，對于蒸汽流速的適用范圍為O~70m/S，可以較好地滿足蒸汽流量測量的要求;(6)由于其特殊的測量原理，使其在實際應用時對直都長度的要求不嚴格，一般只要求上、下游直管段長度分別為5D和2D，遠遠低于其它流量測量裝置的要求；(7)精度高，重現性好，測量精度可達1.14%，一次安裝后，不再需要重復拆裝，因此其安裝精度也能得到保證；(8)無需任何附加節流件或插入件，可大大降低流體在管道內輸送的動力消耗，節約能源，尤其對那些大系統、大管徑、低壓頭的側量對象優點更加明顯。
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