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魯衛(wèi)華

1  引言
供熱行業(yè)中，蒸汽流量測量不準(zhǔn)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(zhì)，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(dòng)力能源，常用來帶動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或離心式壓縮機(jī)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(shí)際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數(shù)是兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，其密度應(yīng)由這兩個(gè)參數(shù)決定。
過熱蒸汽在經(jīng)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(huì)因?yàn)闊崃繐p失溫度降低而使其從過熱狀態(tài)進(jìn)入飽和或過飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)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(xiàn)絕熱膨脹時(shí)也會(huì)轉(zhuǎn)變成為過熱蒸汽，這樣就形成汽液兩相流介質(zhì)。
1.2  飽和蒸汽
未經(jīng)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(diǎn)。
(1)  飽和蒸汽的溫度與壓力之間一一對應(yīng)，二者之間只有―個(gè)獨(dú)立變量。
(2)  飽和蒸汽容易凝結(jié)，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(dǎo)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(yán)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(tài)下不能用同一氣體狀態(tài)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(zhì)量，一般用干度這一參數(shù)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?jǐn)?shù)，以“x”表示。
(3)  準(zhǔn)確計(jì)量飽和蒸汽流量比較困難，因?yàn)轱柡驼羝母啥入y以保證，一般流量計(jì)都不能準(zhǔn)確檢測雙相流體的流量，蒸汽壓力波動(dòng)將引起蒸汽密度的變化，流量計(jì)示值產(chǎn)生附加誤差。所以在蒸汽計(jì)量中，必須設(shè)法保持測量點(diǎn)處蒸汽的干度以滿足要求，必要時(shí)還應(yīng)采取補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(zhì)都是指單相的過熱蒸汽或飽和蒸汽。對于相流經(jīng)常變化的蒸汽，肯定會(huì)存在測量不準(zhǔn)確的問題。這個(gè)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(qiáng)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(zhǔn)確度。然而這些方法并不能徹底解決蒸汽流量測量不準(zhǔn)確的問題，解決這一問題的根本辦法是開發(fā)一種可測兩相流動(dòng)介質(zhì)的流量儀表。
用于檢測氣體流量的流量計(jì)種類很多，以速度式和容積流量計(jì)應(yīng)用最普遍，它們的共同特點(diǎn)是只能連續(xù)測定工況下的體積流量，而體積流量又是狀態(tài)的函數(shù)，工作狀態(tài)下的體積流量不能確切的表示實(shí)際流量，工程上一般都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量或質(zhì)量流量表示。所謂標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積是0℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積或20℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積。以質(zhì)量流量為計(jì)量單位的情況，目前應(yīng)用不多。采用刻度氣體流量計(jì)時(shí)，選定氣體正常溫度、壓力為設(shè)計(jì)條件，將設(shè)計(jì)狀態(tài)下的體積流量折算為標(biāo)準(zhǔn)體積流量或質(zhì)量流量，其折算系數(shù)中含有氣體密度的因素，當(dāng)氣體介質(zhì)的工作狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，流量示值將產(chǎn)生誤差。此外氣體介質(zhì)的組成、含量或溫度的變化，對流量測量也產(chǎn)生影響，所以蒸汽流量的測量更需要采取補(bǔ)償措施，并且因蒸汽的狀態(tài)變化補(bǔ)償因素也比較復(fù)雜。
過熱蒸汽的密度由蒸汽的溫度、壓力兩個(gè)參數(shù)決定，而且在參數(shù)的不同范圍內(nèi)，密度的表達(dá)形式也不相同，無法用同一通式表示，所以不能獲得統(tǒng)一的密度計(jì)算公式，只能個(gè)別推導(dǎo)求得溫度、壓力補(bǔ)償公式。在溫度、壓力波動(dòng)范圍較大的場合，除進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償外，還需要考慮對氣體膨脹系數(shù)ε的補(bǔ)償。
無論采用何種流量計(jì)檢測飽和蒸汽的流量，在蒸汽壓力波動(dòng)的條件下工作，必須采取壓力補(bǔ)償措施，這是因?yàn)樵诹髁糠匠讨校己姓羝芏鹊囊蛩兀ぷ鳁l件與設(shè)計(jì)條件不一致時(shí)，讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生誤差，誤差的大小和工作壓力與設(shè)計(jì)壓力偏差的大小有關(guān)，P實(shí)＞P設(shè)將出現(xiàn)負(fù)誤差，否則將出現(xiàn)正誤差。蒸汽的干度條件是關(guān)系到能否準(zhǔn)確計(jì)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(yīng)用于蒸汽流量計(jì)量與補(bǔ)償系統(tǒng)，必將進(jìn)―步提高計(jì)量的準(zhǔn)確性。目前應(yīng)采取以下三項(xiàng)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(yīng)設(shè)置疏水器，及時(shí)排出冷凝水。
(3)  鍋爐操作中應(yīng)避免出現(xiàn)汽包液位過高現(xiàn)象，盡量減少負(fù)荷出現(xiàn)大的波動(dòng)。

3  流量儀表的選型
對于蒸汽計(jì)量在選擇流量儀表時(shí)應(yīng)考慮5個(gè)主要因素：被測流體特性、生產(chǎn)工藝情況、安裝條件、維護(hù)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(hù)需求以及選用流量儀表應(yīng)注意的幾個(gè)問題。目前，測量蒸汽流量的儀表主要有渦街流量計(jì)、差壓式（孔板、均速管、彎管）流量計(jì)、分流旋翼式流量計(jì)、阿牛巴流量計(jì)、浮子式流量計(jì)等，下面以渦街流量計(jì)、孔板流量計(jì)和彎管流量計(jì)為例加以說明。
3.1  渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理而研制成功的一種新型流量計(jì)，由于它具有其它流量計(jì)不可兼得的優(yōu)點(diǎn)，70年代以來得到了迅速發(fā)展。據(jù)介紹，現(xiàn)在日本、歐美等發(fā)達(dá)國家使用渦街流量計(jì)的比例大幅度上升，已經(jīng)廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，將在未來流量儀表中占主導(dǎo)地位，是孔板流量計(jì)的理想替代產(chǎn)品。它具有以下特點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)簡單牢固，無可動(dòng)部件，長期運(yùn)行十分可靠；② 維護(hù)十分方便，安裝費(fèi)用低；③ 傳感器不直接接觸介質(zhì)，性能穩(wěn)定，壽命長；④ 輸出與流量成正比的脈沖信號，無零點(diǎn)漂移，精度高，并方便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)；⑤ 測量范圍寬，量程比可達(dá)1:10；⑥ 壓力損失小，運(yùn)行費(fèi)用低，更具節(jié)能意義；⑦ 在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號頻率不受流體物理性質(zhì)和組分變化影響，儀表系數(shù)僅與漩渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)，測量流體的體積流量無需補(bǔ)償，調(diào)換配件后無需重新標(biāo)定儀表的系數(shù)；⑧ 應(yīng)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(jì)也存在一定的局限性：① 渦街流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，漩渦分離的穩(wěn)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(shí)，上限流速受壓損和氣蝕現(xiàn)象限制，一般是0.5～8m/s；③ 測量氣體時(shí)，上限流速受介質(zhì)可壓縮性變化的限制，下限流速受雷諾數(shù)和傳感器靈敏度的限制，蒸汽是8～25m/s；④ 應(yīng)力式渦街流量計(jì)對振動(dòng)較為敏感，故在振動(dòng)較大的管道安裝流量計(jì)時(shí)，管道要有一定的減震措施；⑤ 應(yīng)力式渦街流量計(jì)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(jì)
以孔板流量計(jì)為代表的差壓式流量計(jì)應(yīng)用歷史悠久，有國際標(biāo)準(zhǔn)，理論精度高，應(yīng)用十分普遍。但經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)孔板流量計(jì)也存在不足：① 應(yīng)用中許多因素（設(shè)計(jì)參數(shù)與工況參數(shù)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(hù)及拆洗的工作量較大；③ 需配差壓變送器使用，增加了維護(hù)的工作量，另需敷設(shè)導(dǎo)壓管，且在冬季需對導(dǎo)壓管進(jìn)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(fā)生蒸汽泄漏；⑥ 壓力損失較大，運(yùn)行費(fèi)用高。
3.3  彎管流量計(jì)
彎管流量計(jì)實(shí)際上是一個(gè)90度標(biāo)準(zhǔn)彎頭，沒有比它結(jié)構(gòu)更簡單的流量傳感器了。隨著機(jī)械加工工業(yè)的發(fā)展和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化管理的不斷完善，用作彎管傳感器的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭性價(jià)比越來越高。它的特點(diǎn)是：① 結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。② 彎管流量計(jì)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(jìn)行安裝，使現(xiàn)場跑冒滴漏的麻煩得到徹底的解決。④ 適應(yīng)性強(qiáng)，量程范圍寬，直管段要求不嚴(yán)。只要是可以用孔板、渦街、均速管流量計(jì)來測量的管道內(nèi)流體流量都可以用彎管流量計(jì)進(jìn)行測量，而且在耐高溫、耐高壓、耐沖擊、耐振動(dòng)、耐潮濕、耐粉塵等方面，彎管流量計(jì)遠(yuǎn)優(yōu)于其它流量計(jì)。⑤ 彎管流量計(jì)的量程比可達(dá)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(jì)由于其特殊的測量原理，使其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對直管段的要求不嚴(yán)格，一般只要求前5D、后2D即可，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他流量測量裝置的要求。⑦ 彎管流量計(jì)精度高，重現(xiàn)性好，測量精度可達(dá)1.14%，重現(xiàn)性精度可達(dá)0.2%，一次安裝后，不再需要重復(fù)拆裝，因此，其安裝精度也能得到最佳保證。⑧ 彎管流量計(jì)的最突出特點(diǎn)是無任何附加節(jié)流件或插入件，可大大降低流體在管道內(nèi)輸送的動(dòng)力消耗，節(jié)約能源，尤其對那些大系統(tǒng)、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(shí)數(shù)千噸流量供熱管道的孔板流量計(jì)正常運(yùn)行，一個(gè)采暖季節(jié)約需多耗電數(shù)萬度，折合人民幣數(shù)萬元。這里僅考慮孔板流量計(jì)壓力損失為幾千帕，實(shí)際運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)值。即便是這幾千帕的壓力損失，它所造成的附加運(yùn)行費(fèi)用也是不可忽視的。表1給出的數(shù)據(jù)為目前熱力管網(wǎng)用主管道流量范圍在不同的壓力損失時(shí)，孔板流量計(jì)引起的循環(huán)泵額外耗電量、電耗費(fèi)用、折合標(biāo)準(zhǔn)煤量、購煤費(fèi)用的單臺孔板流量計(jì)在一個(gè)取暖季節(jié)運(yùn)行費(fèi)用的數(shù)據(jù)，其中運(yùn)行天數(shù)按120天、電價(jià)按0.35元/度、標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)按200元/t計(jì)算。

表1

由表1可見，一個(gè)流量為4000m3/h的中型熱網(wǎng)，當(dāng)孔板壓力損失為30千帕?xí)r，僅一臺孔板流量計(jì)就多耗9.6萬度電，運(yùn)行費(fèi)用為3.12萬元，對于流量為10000m3/h的大型熱網(wǎng)，額外耗電量達(dá)24萬度，運(yùn)行費(fèi)用7.8萬元。而彎管流量計(jì)進(jìn)行測量附加阻力損失就會(huì)小得多，如果用彎管流量計(jì)替代孔板流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，可大大地減少運(yùn)行費(fèi)用，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
綜上所述，蒸汽流量儀表的選用是非常重要的，準(zhǔn)確測量蒸汽流量是生產(chǎn)部門都需要和普遍關(guān)心的問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高測量水平的呼聲越來越高。因此，應(yīng)針對生產(chǎn)實(shí)際情況，做一些細(xì)致的技術(shù)工作，切實(shí)探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。