關于蒸汽孔板流量計測量原理及常見誤差分析
摘要 : 隨著生產及運維對測量精度要求日益提高，蒸汽流量測量方法及誤差分析得到了越來越多的學者關注。本文擬對幾種火電廠常用流量測量方法展開對比分析，并就常見儀表誤差進行簡要分析，旨為更好地滿足現場實際測量需要。
1 研究背景
蒸汽，作為火電廠*重要的二次能源之一，其流量測量對于節能降耗，降低運營成本，提高經濟效益具有重要意義--但其測量受到諸多因素限制、影響，如介質特性、儀表選型、現場安裝等，大大增加了測量難度。隨著生產及運維對測量精度的要求日益提高，蒸汽流量測量方法的選擇及誤差分析得到了越來越多的學者關注。
蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽。飽和狀態下的液體稱為飽和液體，其對應的蒸汽是飽和蒸汽，但*初只是濕飽和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸發后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過程溫度是不增加的，干飽和之后繼續加熱則溫度會上升，成為過熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不同，因而測量質量流量時要溫壓補償 ；對于飽和蒸汽，其溫度與密度有一一對應關系，一般只需進行壓力補償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量儀表應考慮 5 個主要因素，即被測流體特性、安裝條件、環境條件、儀表性能及維護需求。此外，在實際工程應用中，儀表的選擇還應綜合考慮以下問題 ：
（1）測量目的 ：如商貿結算和儲運測量對準確度要求較高，而過程控制連續監測一般要求有良好的可靠性及重復性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對于大口徑管路測量，壓力損失會直接影響能量消耗。
通過上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或蒸汽孔板流量計較為理想。
孔板流量計是依據在已知有關參數的條件下，根據流動連續性原理和伯努利方程可以推導出差壓與流量之間的關系而求得流量。它具有如下優點 ：①應用*為廣泛，全部單相流體均可使用 ；②結構易于復制，簡單、牢固、性能穩定可靠，價格低廉 ；③檢測件（特別是標準型）為全**通用，并得到了國際標準化組織和國際計量組織的認可 ；④無需個別校準即可投用 ；⑤同原理儀表擴展類型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有一定局限性 ：①由于眾多因素的影響錯綜復雜，精確度難于大幅度提高 ；②受限于流量系數與雷諾數，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長的直管段長度要求 ；④壓力損失大 ；⑤長期使用精度難以保證，需要定期維護、檢修維護量大。
蒸汽孔板流量計是利用卡曼渦街原理，即流體在管道中經過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發生體后上下交替產生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關。它具有如下優點 ：①適用流體種類多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應用 ；②在一定雷諾數范圍內，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質中校準，用于各種介質 ；③結構簡單牢固、無可動部件，安裝方便，運維可靠 ；④準確度較高，無零點漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義 ；⑥性價比較高。但其測量也具有一定局限性 ：①不適于低雷諾系數測量 ；②管道內流速分布應為充分發展流，被測管道上、下游直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表系數較低，口徑越大越低，適用于中、小口徑測量 ；④不適用于振動大或脈動流工況。
3 常見誤差分析
常見誤差來源主要分為以下幾點。
（1）參數調整或量程選擇有誤
如儀表量程小于實際參數，不僅無法正常量，且長時間故障運行可能會導致儀表無法恢復的機械損傷 ；若儀表量程遠大于實際參數，測量結果無法滿足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準測量的基礎。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻度的 95% ；正常流量為滿刻度的 70% ～ 85% ；*小流量不小于滿刻度的 30%。此外，DCS 側量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具備溫壓補償功能
蒸汽孔板流量計與測量介質無關是指其體積流量不受溫度、壓力變化影響，但如需計量被測介質的質量或標準狀態下體積，就需判別蒸汽狀態并測量實時壓力、溫度等熱工狀態參數，即在蒸汽工況偏離設計工況時，將蒸汽的密度對測量結果的影響予以修正 ；如儀表不具備溫壓補償功能，數據處理不當將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿足儀表要求
流體特性直接影響測量結果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考慮因素有儀表的流動方向，上下游管道狀況，閥門位置，防護性輔助設備，非定長流（如脈動流）情況，電氣干擾和維護空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下游 ：2 ～ 8 倍工藝管道直徑 ；蒸汽孔板流量計直管段要求--上游 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導直器時，上游直段長度 12D），下游 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安裝不當或儀表工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道與工藝管道同軸，安裝法蘭墊子時要注意不要凸出管內徑 ；安裝時還應盡可能的減小因被測介質脈動引起的內部震動及因動力引起的外部震動。
（5）蒸汽相變產生的附加誤差
隨著工況（壓力、溫度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀態進入飽和狀態，此時如仍按過熱蒸汽規律進行密度計算將會帶來附加誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過長中，由于散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證蒸汽干度，出現凝結水的密度遠大于蒸汽 ；同時，當管道保溫良好，流動阻力損失很大時（管道上有開度很小的閥門，減壓裝置等），飽和蒸汽很可能會由于壓力急劇降低而變成過熱蒸汽（熱力學上的絕熱節流效應），上述情況都可能引起蒸汽密度變化，從而產生誤差。
4 總結
通過綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采用孔板流量計及蒸汽孔板流量計進行測量，進而又對其適用工況及優缺點等展開對比分析，并就常見儀表誤差進行簡要分析，旨為更好地滿足現場實際測量需要。
1 研究背景
蒸汽，作為火電廠*重要的二次能源之一，其流量測量對于節能降耗，降低運營成本，提高經濟效益具有重要意義--但其測量受到諸多因素限制、影響，如介質特性、儀表選型、現場安裝等，大大增加了測量難度。隨著生產及運維對測量精度的要求日益提高，蒸汽流量測量方法的選擇及誤差分析得到了越來越多的學者關注。
蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽。飽和狀態下的液體稱為飽和液體，其對應的蒸汽是飽和蒸汽，但*初只是濕飽和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸發后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過程溫度是不增加的，干飽和之后繼續加熱則溫度會上升，成為過熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不同，因而測量質量流量時要溫壓補償 ；對于飽和蒸汽，其溫度與密度有一一對應關系，一般只需進行壓力補償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量儀表應考慮 5 個主要因素，即被測流體特性、安裝條件、環境條件、儀表性能及維護需求。此外，在實際工程應用中，儀表的選擇還應綜合考慮以下問題 ：
（1）測量目的 ：如商貿結算和儲運測量對準確度要求較高，而過程控制連續監測一般要求有良好的可靠性及重復性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對于大口徑管路測量，壓力損失會直接影響能量消耗。
通過上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或蒸汽孔板流量計較為理想。
孔板流量計是依據在已知有關參數的條件下，根據流動連續性原理和伯努利方程可以推導出差壓與流量之間的關系而求得流量。它具有如下優點 ：①應用*為廣泛，全部單相流體均可使用 ；②結構易于復制，簡單、牢固、性能穩定可靠，價格低廉 ；③檢測件（特別是標準型）為全**通用，并得到了國際標準化組織和國際計量組織的認可 ；④無需個別校準即可投用 ；⑤同原理儀表擴展類型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有一定局限性 ：①由于眾多因素的影響錯綜復雜，精確度難于大幅度提高 ；②受限于流量系數與雷諾數，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長的直管段長度要求 ；④壓力損失大 ；⑤長期使用精度難以保證，需要定期維護、檢修維護量大。
蒸汽孔板流量計是利用卡曼渦街原理，即流體在管道中經過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發生體后上下交替產生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關。它具有如下優點 ：①適用流體種類多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應用 ；②在一定雷諾數范圍內，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質中校準，用于各種介質 ；③結構簡單牢固、無可動部件，安裝方便，運維可靠 ；④準確度較高，無零點漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義 ；⑥性價比較高。但其測量也具有一定局限性 ：①不適于低雷諾系數測量 ；②管道內流速分布應為充分發展流，被測管道上、下游直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表系數較低，口徑越大越低，適用于中、小口徑測量 ；④不適用于振動大或脈動流工況。
3 常見誤差分析
常見誤差來源主要分為以下幾點。
（1）參數調整或量程選擇有誤
如儀表量程小于實際參數，不僅無法正常量，且長時間故障運行可能會導致儀表無法恢復的機械損傷 ；若儀表量程遠大于實際參數，測量結果無法滿足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準測量的基礎。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻度的 95% ；正常流量為滿刻度的 70% ～ 85% ；*小流量不小于滿刻度的 30%。此外，DCS 側量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具備溫壓補償功能
蒸汽孔板流量計與測量介質無關是指其體積流量不受溫度、壓力變化影響，但如需計量被測介質的質量或標準狀態下體積，就需判別蒸汽狀態并測量實時壓力、溫度等熱工狀態參數，即在蒸汽工況偏離設計工況時，將蒸汽的密度對測量結果的影響予以修正 ；如儀表不具備溫壓補償功能，數據處理不當將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿足儀表要求
流體特性直接影響測量結果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考慮因素有儀表的流動方向，上下游管道狀況，閥門位置，防護性輔助設備，非定長流（如脈動流）情況，電氣干擾和維護空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下游 ：2 ～ 8 倍工藝管道直徑 ；蒸汽孔板流量計直管段要求--上游 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導直器時，上游直段長度 12D），下游 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安裝不當或儀表工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道與工藝管道同軸，安裝法蘭墊子時要注意不要凸出管內徑 ；安裝時還應盡可能的減小因被測介質脈動引起的內部震動及因動力引起的外部震動。
（5）蒸汽相變產生的附加誤差
隨著工況（壓力、溫度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀態進入飽和狀態，此時如仍按過熱蒸汽規律進行密度計算將會帶來附加誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過長中，由于散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證蒸汽干度，出現凝結水的密度遠大于蒸汽 ；同時，當管道保溫良好，流動阻力損失很大時（管道上有開度很小的閥門，減壓裝置等），飽和蒸汽很可能會由于壓力急劇降低而變成過熱蒸汽（熱力學上的絕熱節流效應），上述情況都可能引起蒸汽密度變化，從而產生誤差。
4 總結
通過綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采用孔板流量計及蒸汽孔板流量計進行測量，進而又對其適用工況及優缺點等展開對比分析，并就常見儀表誤差進行簡要分析，旨為更好地滿足現場實際測量需要。