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魯衛華

1  引言
供熱行業中，蒸汽流量測量不準確是普遍存在的問題，其中主要原因分析如下。
1.1  過熱蒸汽
蒸汽是比較特殊的介質，一般情況下所說的蒸汽是指過熱蒸汽。過熱蒸汽是常見的動力能源，常用來帶動汽輪機旋轉，進而帶動發電機或離心式壓縮機工作。過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。其中絕不含液滴或液霧，屬于實際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數是兩個獨立參數，其密度應由這兩個參數決定。
過熱蒸汽在經過長距離輸送后，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，會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，液體出現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。
1.2  飽和蒸汽
未經過熱處理的蒸汽稱為飽和蒸汽。它是無色、無味、不能燃燒又無腐蝕性的氣體。飽和蒸汽具有如下特點。
(1)  飽和蒸汽的溫度與壓力之間一一對應，二者之間只有―個獨立變量。
(2)  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的雙相流體，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，以“x”表示。
(3)  準確計量飽和蒸汽流量比較困難，因為飽和蒸汽的干度難以保證，一般流量計都不能準確檢測雙相流體的流量，蒸汽壓力波動將引起蒸汽密度的變化，流量計示值產生附加誤差。所以在蒸汽計量中，必須設法保持測量點處蒸汽的干度以滿足要求，必要時還應采取補償措施，實現準確的測量。
2  測量的分析
目前使用流量儀表測量蒸汽流量，測量介質都是指單相的過熱蒸汽或飽和蒸汽。對于相流經常變化的蒸汽，肯定會存在測量不準確的問題。這個問題的解決方法是保持蒸汽的過熱度，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不準確的問題，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，以速度式和容積流量計應用最普遍，它們的共同特點是只能連續測定工況下的體積流量，而體積流量又是狀態的函數，工作狀態下的體積流量不能確切的表示實際流量，工程上一般都以標準狀態體積流量或質量流量表示。所謂標準狀態體積是0℃、1個標準大氣壓下的氣體體積或20℃、1個標準大氣壓下的體積。以質量流量為計量單位的情況，目前應用不多。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，將設計狀態下的體積流量折算為標準體積流量或質量流量，其折算系數中含有氣體密度的因素，當氣體介質的工作狀態偏離設計狀態，流量示值將產生誤差。此外氣體介質的組成、含量或溫度的變化，對流量測量也產生影響，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。
過熱蒸汽的密度由蒸汽的溫度、壓力兩個參數決定，而且在參數的不同范圍內，密度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密度計算公式，只能個別推導求得溫度、壓力補償公式。在溫度、壓力波動范圍較大的場合，除進行溫度、壓力補償外，還需要考慮對氣體膨脹系數ε的補償。
無論采用何種流量計檢測飽和蒸汽的流量，在蒸汽壓力波動的條件下工作，必須采取壓力補償措施，這是因為在流量方程中，都含有蒸汽密度的因素，工作條件與設計條件不一致時，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，P實＞P設將出現負誤差，否則將出現正誤差。蒸汽的干度條件是關系到能否準確計量蒸汽流量的重要條件，目前正在研制在線蒸汽干度檢測儀表，待干度儀表應用于蒸汽流量計量與補償系統，必將進―步提高計量的準確性。目前應采取以下三項措施：
(1)  輸送蒸汽的管路必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，在管道的最低處及儀表前的管道上應設置疏水器，及時排出冷凝水。
(3)  鍋爐操作中應避免出現汽包液位過高現象，盡量減少負荷出現大的波動。

3  流量儀表的選型
對于蒸汽計量在選擇流量儀表時應考慮5個主要因素：被測流體特性、生產工藝情況、安裝條件、維護需求以及流量儀表的特性。這里，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。
3.1  渦街流量計
渦街流量計是基于卡門渦街原理而研制成功的一種新型流量計，由于它具有其它流量計不可兼得的優點，70年代以來得到了迅速發展。據介紹，現在日本、歐美等發達國家使用渦街流量計的比例大幅度上升，已經廣泛用于各個領域，將在未來流量儀表中占主導地位，是孔板流量計的理想替代產品。它具有以下特點：① 結構簡單牢固，無可動部件，長期運行十分可靠；② 維護十分方便，安裝費用低；③ 傳感器不直接接觸介質，性能穩定，壽命長；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 測量范圍寬，量程比可達1:10；⑥ 壓力損失小，運行費用低，更具節能意義；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 應用范圍廣，氣體、液體的流量均可測量；⑨ 檢定周期為2～4年。
但該流量計也存在一定的局限性：① 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，故它對直管段有一定的要求，一般是前10D、后5D；② 測量液體時，上限流速受壓損和氣蝕現象限制，一般是0.5～8m/s；③ 測量氣體時，上限流速受介質可壓縮性變化的限制，下限流速受雷諾數和傳感器靈敏度的限制，蒸汽是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，故其受溫度的限制，一般為-40～+300℃。
3.2  差壓式流量計
以孔板流量計為代表的差壓式流量計應用歷史悠久，有國際標準，理論精度高，應用十分普遍。但經過幾十年的應用，發現孔板流量計也存在不足：① 應用中許多因素（設計參數與工況參數不符，上游直管段不足，孔板和管道不同心，孔板A面受污，銳角磨損等）對其測量精度有非常大的影響，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，不可以安裝在室外；④ 流量量程比為1:3，局限性大；⑤ 若安裝不正確，容易發生蒸汽泄漏；⑥ 壓力損失較大，運行費用高。
3.3  彎管流量計
彎管流量計實際上是一個90度標準彎頭，沒有比它結構更簡單的流量傳感器了。隨著機械加工工業的發展和行業標準化及規范化管理的不斷完善，用作彎管傳感器的標準機制彎頭性價比越來越高。它的特點是：① 結構簡單，價格低廉。② 彎管流量計傳感器耐磨損，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，使現場跑冒滴漏的麻煩得到徹底的解決。④ 適應性強，量程范圍寬，直管段要求不嚴。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，而且在耐高溫、耐高壓、耐沖擊、耐振動、耐潮濕、耐粉塵等方面，彎管流量計遠優于其它流量計。⑤ 彎管流量計的量程比可達1:10，對于蒸汽，它的適用范圍為0～70m/s，可以較好地滿足蒸汽流量測量的要求。⑥ 彎管流量計由于其特殊的測量原理，使其在實際應用時對直管段的要求不嚴格，一般只要求前5D、后2D即可，遠遠低于其他流量測量裝置的要求。⑦ 彎管流量計精度高，重現性好，測量精度可達1.14%，重現性精度可達0.2%，一次安裝后，不再需要重復拆裝，因此，其安裝精度也能得到最佳保證。⑧ 彎管流量計的最突出特點是無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、低壓頭的測量對象好處更加明顯。
舉例說明：為維持一臺安裝在每小時數千噸流量供熱管道的孔板流量計正常運行，一個采暖季節約需多耗電數萬度，折合人民幣數萬元。這里僅考慮孔板流量計壓力損失為幾千帕，實際運行時遠遠超過這個值。即便是這幾千帕的壓力損失，它所造成的附加運行費用也是不可忽視的。表1給出的數據為目前熱力管網用主管道流量范圍在不同的壓力損失時，孔板流量計引起的循環泵額外耗電量、電耗費用、折合標準煤量、購煤費用的單臺孔板流量計在一個取暖季節運行費用的數據，其中運行天數按120天、電價按0.35元/度、標準煤價按200元/t計算。

表1

由表1可見，一個流量為4000m3/h的中型熱網，當孔板壓力損失為30千帕時，僅一臺孔板流量計就多耗9.6萬度電，運行費用為3.12萬元，對于流量為10000m3/h的大型熱網，額外耗電量達24萬度，運行費用7.8萬元。而彎管流量計進行測量附加阻力損失就會小得多，如果用彎管流量計替代孔板流量計進行計量，可大大地減少運行費用，獲得可觀的經濟效益。
綜上所述，蒸汽流量儀表的選用是非常重要的，準確測量蒸汽流量是生產部門都需要和普遍關心的問題。隨著經濟的發展，提高測量水平的呼聲越來越高。因此，應針對生產實際情況，做一些細致的技術工作，切實探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。