对使用高温高压蒸汽流量计进行蒸汽流量测量的准确度问题分析
点击次数：1784 发布时间：2021-01-07 15:40:28
在我厂热力管网中，蒸汽流量测量不准确是经常出现的问题，而蒸汽流量的准确计量，多年来一直是仪表人所追求的目标，但是由于蒸汽分为过热蒸汽和饱和蒸汽，其性质的复杂性，目前人们还没能建立一个纯理论的状态方程来准确计量蒸汽。由于蒸汽高温高压的特殊性质，因此能用于流量测量的仪表目前只能限制在少数种类的流量仪表上，主要有：标准节流式差压流量计(高温高压蒸汽流量计)；非标准节流式差压流量计；涡街流量计；旋翼式流量计；金属浮子流量计等。其中涡街、浮子、旋翼流量计因为受到温度、口径、精度等限制，所以主流仪表还属于标准和非标准节流式差压流量计，通过对我厂已有测量手段和计算方法进行分析，结合全厂计量仪表完善项目”的蒸汽测量仪表的具体情况，针对标准节流式差压流量计在蒸汽流量测量中准确度问题进行讨论。。
1、影响蒸汽流量测量的主要因素
1.1 测量元件
一次测量元件孔板的入口锐边磨损、积污，节流件前后直管段内结垢、粗糙程度改变等。
1.2 测量管
对测量管没有按规定要求去做，安装测量元件时直管不符合要求、内径D数值不准确等。
1.3 密度
对密度的计算不准确，我厂大部分蒸汽仪表测量是用DCS里的气体补偿方式、或用智能流量二次仪表的气态方程来计算蒸汽的密度，再有就是根据工艺车间提供的数据直接做为蒸汽密度的参考值，虽然测量系统或多变量变送器（Honeywell SMV3000系列）有压力温度补偿，但因为计算公式或组态软件使用不正确，使补偿失准。
1.4 相关系数
有的实际工作流量不在界限雷诺数范围内，使得流出系数C（或流量系数a）不再是一个恒定的常数，而DCS或智能一次表中又无修正功能，只能按常数计算，从而带来测量误差。
1.5 量程
有的仪表量程选用不合理，工作区经常在满量程的50%甚至20%以下，从而使相对误差变大。
2、原因分析
2.1 节流元件磨损、脏污、变形
由于我厂的节流装置大部分采用高温高压蒸汽流量计作为一次测量元件，因此孔板的好坏就成了影响计量准确度重要因素之一。在实际使用中孔板入口边缘的易磨损、气蚀、前端面积污等，都是不易克服的缺点，由于节流装置的计算数据是在规定的标准条件下得到的，如果装置中节流元件的实际条件达不到标准条件或偏离规定，必然会带测量结果的误差。
2.2 测量管
测量管是节流装置的重要组成部分，其结构尺寸对流体流动状态有重要的影响，流体流经诸如弯头、阀门、缩径管、扩径管等阻流件后，会产生速度畸变、旋转流及非定常流，由于标准节流装置的各项参数是在充分发展管流、无旋转流以及定常流的参考工作条件下实验得出的，如果不满足规定的条件，就会造成流出系数偏离正常值，影响测量准确度。当然要在现场装置使用中完全达到标准试验的条件，也是不现实的，但我们应尽量在安装过程中，*大化的向标准条件靠拢，力求测量误差*小。
在我厂许多装置中我发现，有的节流件上下游直管段不满足要求，不管节流装置的具体情况，例如弯头，三通的数量及分布情况，直管段上缩、扩管的情况，以及阀门的开度等情况，大部分采取前10D后5D的安装，甚至小于前10D后5D的安装。关于直管段内径D的数据，按规定应该采取实测值，而实际情况是都没有实测量D值，有的采用工艺提供的数据，有的是查以前资料，甚至有的用公称通经代替D值作为设计计算的依据，从而使一开始计算书就有误差。
关于测量管内表面粗糙度对测量的影响是*为复杂的，也*易被忽略，特别是投用时间比较长的情况下，管内的结垢，磨蚀等都会使粗糙度远差于新投用时的情况。即使是新安装的管道，如果粗糙度达不到要求，都应该进行加工以达到规定的要求。即使是管流已达到充分发展管流时，粗糙度对流体仍是有影响的，见图1。
图1光滑管与粗糙管的流速分布
从图1中可以看出：粗糙管的流速分布与光滑管是有区别的，因此流出系数也不会相同。我厂大部分的蒸汽测量管都是直接用工艺管道，没有在定货时与节流装置整体加工，投用时粗糙度是否合乎要求也无从知道，况且经过多年的运行也没有进行过检查和清理，粗糙度对测量准确度的影响肯定是存在的。
2.3 密度计算
对于蒸汽的流量测量，人们都知道要进行压力和温度补偿，但是由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够，在实际工作中往往存在一些不正确的做法。
蒸汽是比较特殊的介质，一般情况下所说的蒸汽是指过热蒸汽。而过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温获得。其中绝不含液滴或液雾，属于实际气体。过热蒸汽的温度与压力参数是两个独立参数，其密度应由这两个参数决定。
过热蒸汽在经过长距离输送后，随着温度、压力的变化，特别是在过热度不高的情况下，会因为热量损失温度降低而使其从过热状态进入饱和状态或过饱和状态。转变成饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽容易凝结，在传输过程中如有热量损失，蒸汽中便有液滴或液雾形成，俗称温蒸汽（其质量一般用干度这一参数来表示，干度是指单位体积饱和蒸汽中干蒸汽所占的百分数）。这时它已不属于严格意义上的气体，其密度也发生了很大变化。所以，不同状态下不能用同一气体状态方程来描述。
在日常的流量测量中，大家往往只重视差压信号的准确与否，并常常使用高精度的差压变送器，而忽略了密度在测量中的重要地位。其实这个问题只要看一看节流装置流量方程就非常清楚了，流量方程为：
qm=k(2△p·p)1/2
式中
qm-质量流量，kg/s
C-流出系数；
ε-可膨胀性系数；
β-直径比，d/D；
d-工作条件下节流件的孔径，m；
D-工作条件下上游管道内径，m；
△P-差压，Pa；
P-流体密度，kg/m3。
从上式中我们可以看出差压与密度在测量中是处于同等地位的。然而在实际使用中由于忽视了密度对流量测量的影响，因此往往不重视对密度的认真研究和分析。
我们知道：对气体流量的测量，如果没有温压补偿，测量结果是不准确的。因此无论是以前的电III型仪表，还是近些年广泛使用的智能仪表、DCS，乃至到去年我厂新安装的多变量仪表（HoneyWellSMV3000），都有不同的补偿方式。为求得准确的气体状态方程，经多年努力，仍没有一个统一的气体状态方程，只有众多的实际气体状态方程。而本文所讨论的蒸汽就有专用的方程，主要是因为蒸汽在工作过程中有物质状态的变化，与理想的气体的性质有很大的差别，它的物体参数比理想气体要复杂，不能用简单的数学方程式表达出来。而实际生产中，蒸汽流量密度的计算，大多数采用的恰恰是简单的数学表达式。但由于使用测量的仪表不统一，仅智能流量二次表就有不同的型号，对密度的计算也各不相同，加上DCS，多变量等仪表的计算方式也不尽相同，造成密度计算的不准确，因此对蒸汽流量测量的影响不亚于用一台精度差的差压变送器带来的误差。
2.4 相关系数的影响
流出系数C的定义是：通过节流装置的实际流量与理论流量之比，将这个比值应用到理论方程中，以获得实际的流量。在一定的安装条件下给定的节流装置，C值仅与雷诺数有关。
在节流装置计算书中，根据提供的工艺条件计算出的C值是一个固定值，在DCS或智能二次表中都将流出系数C作为固定值参与流量计算，而实际上流出系数C只有雷诺数在规定的范围内才可视为常数，实际使用时当雷诺数不在这个范围时，流出系数C就不能视为常数。特别是当小流量时，随着雷诺数变小，流出系数C将较大的变化，流出系数C与雷诺数Re的变化关系如下图2：
雷诺数Re
图2流出系数C与雷诺数Re的变化关系图
从图2中可以看出：只有雷诺数Re≥104时，流出系数C才可以为是一个常数。据有关资料介绍，当Re=103时（β=0.6），附加误差可达-19%，而当Re=250时附加误差增加到-26%。在实际测量中，由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情况时有发生。我厂热电车间某蒸汽流量，*小可达1t/h，而*大时可达28T/h，实际量程比达到了28:1。在低限流量时流出系数将变化很大，如果不进行修正，仍按计算书的C值来计算流量，会带来较大的误差。在我厂大部分DCS和二次仪表中，都没有对流出系数C的修正功能，由此可见流出系数对测量系统的影响是普遍存在的。
实际上，孔板从安装使用*一天开始，严格上讲，它的入口锐边就开始经历由尖锐到平钝的一个变化过程，只不过这种变化*为缓慢人们不易察觉，或者说对仪表准确度的影响是一个从小到大的缓慢过程，常常不会被人注意。如果被测介质是高流速的流体，影响可能会更为显著。根据某专业杂志报道，在流体高速脏污的场合，流出系数C变化百分之十几也不足为奇，而我厂使用的孔板*长达上10年，短的也用了3、4年时间，因此流出系数C问题带来的测量误差是可想而知的。
2.5 仪表量程设置
在全厂计量仪表完善项目施工中，我逐渐发现，有部分车间的选用的仪表量程过大，使仪表经常工作在量程的50%甚至20%以下，这样就造成了相对误差变大后果。我们都知道，一般仪表的准确度等级都用引用误差表示的，其实引用误差是一种简化的相对误差。若仪表的准确度等级为0.2、0.5或1.0级，所标明的是仪表的引用误差不能超过的界限，也就是说合格仪表*大引用误差不会超过0.2%、0.5%、1.0%，而不能认为它的各刻度点上的示值都具有0.2%、0.5%、1.0%，的准确度。
设一台仪表的准确度为S%，量程为0～Xn，测量点为X，相对误差应按下式求得：
相对误差≤Xn/X×S%。
如果这台仪表的量程是0～150，准确度是0.5，用上式计算测量点75、50、30、15的相对误差分别为：1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可见，当测量值越接近满度值，其准确度越高。这就是我们在选用仪表量程时，尽可能在仪表的上限值处邻近或2/3量程以上的原因。
3 、解决的方法
3.1 节流元件改用标准喷嘴
对于大多数节流件孔板入口磨损及脏污等问题，我们应该选用标准喷嘴。由于喷嘴入口是一个光滑的曲面，它的抗磨损、抗积污、抗变形程度远好于孔板，流出系数稳定性也比孔板好，在相同流量和相同β值条件下，阻力损失也比孔板小的多（只有孔板的30%～50%），而且它的检定周期为4年，大大减少了维护费用。
3.2 节流装置整套加工
对于测量管的影响问题，应该采取指定专业生产厂家，统一加工节流件，统一加工法兰、直管段，统一开压力温度取样点，统一加工冷凝罐，统一整体组装。这次全厂计量仪表完善项目中，有许多节流装置就采用了这种办法进行定货，虽然造成了费用高了一些，但是由于测量准确度的提高，所产生的经济效益远远大于多花的费用的。
3.3 采用正确公式计算密度
关于密度的计算，针对计算公式不统一的问题，我们这次全厂计量仪表完善项目中，统一采用了美国HoneyWell公司的SMV3000系列多变量仪表，而且蒸汽的测量信号（差压、压力、温度）先进入SMV3000仪表进行运算，计算后的流量信号再根据需要送至DCS或全厂计量仪表系统进行显示，累积。
3.4 量程选用尽量合理
关于量程选用的问题，根据生产的实际情况，在满足工艺要求的前提条件下，尽量使仪表工作在满量程的2/3以上。但因有些生产工艺的特殊性，在低流量下运行的情况还是存在的。
4 、效果评价
全厂蒸汽流量仪表在改造以前，热电车间与工艺车间的蒸汽计量误差在10%～20%之间，改造后，经过仪表专业技术人员的努力，蒸汽计量误差已经小于6%，效果还是比较理想的。
由于目前使用流量仪表测量蒸汽流量，由于被测介质的特殊性，对于相流经常变化的蒸汽，肯定会存在测量不准确的情况，而解决这一问题的根本办法是开发一种可测两相流动介质的流量仪表。我相信，随着科学技术的不断进步，提高测量水平的呼声越来越高，因此针对生产实际情况，做一些细致的技术工作，一定会探索出一条蒸汽流量测量的成功之路。
1、影响蒸汽流量测量的主要因素
1.1 测量元件
一次测量元件孔板的入口锐边磨损、积污，节流件前后直管段内结垢、粗糙程度改变等。
1.2 测量管
对测量管没有按规定要求去做，安装测量元件时直管不符合要求、内径D数值不准确等。
1.3 密度
对密度的计算不准确，我厂大部分蒸汽仪表测量是用DCS里的气体补偿方式、或用智能流量二次仪表的气态方程来计算蒸汽的密度，再有就是根据工艺车间提供的数据直接做为蒸汽密度的参考值，虽然测量系统或多变量变送器（Honeywell SMV3000系列）有压力温度补偿，但因为计算公式或组态软件使用不正确，使补偿失准。
1.4 相关系数
有的实际工作流量不在界限雷诺数范围内，使得流出系数C（或流量系数a）不再是一个恒定的常数，而DCS或智能一次表中又无修正功能，只能按常数计算，从而带来测量误差。
1.5 量程
有的仪表量程选用不合理，工作区经常在满量程的50%甚至20%以下，从而使相对误差变大。
2、原因分析
2.1 节流元件磨损、脏污、变形
由于我厂的节流装置大部分采用高温高压蒸汽流量计作为一次测量元件，因此孔板的好坏就成了影响计量准确度重要因素之一。在实际使用中孔板入口边缘的易磨损、气蚀、前端面积污等，都是不易克服的缺点，由于节流装置的计算数据是在规定的标准条件下得到的，如果装置中节流元件的实际条件达不到标准条件或偏离规定，必然会带测量结果的误差。
2.2 测量管
测量管是节流装置的重要组成部分，其结构尺寸对流体流动状态有重要的影响，流体流经诸如弯头、阀门、缩径管、扩径管等阻流件后，会产生速度畸变、旋转流及非定常流，由于标准节流装置的各项参数是在充分发展管流、无旋转流以及定常流的参考工作条件下实验得出的，如果不满足规定的条件，就会造成流出系数偏离正常值，影响测量准确度。当然要在现场装置使用中完全达到标准试验的条件，也是不现实的，但我们应尽量在安装过程中，*大化的向标准条件靠拢，力求测量误差*小。
在我厂许多装置中我发现，有的节流件上下游直管段不满足要求，不管节流装置的具体情况，例如弯头，三通的数量及分布情况，直管段上缩、扩管的情况，以及阀门的开度等情况，大部分采取前10D后5D的安装，甚至小于前10D后5D的安装。关于直管段内径D的数据，按规定应该采取实测值，而实际情况是都没有实测量D值，有的采用工艺提供的数据，有的是查以前资料，甚至有的用公称通经代替D值作为设计计算的依据，从而使一开始计算书就有误差。
关于测量管内表面粗糙度对测量的影响是*为复杂的，也*易被忽略，特别是投用时间比较长的情况下，管内的结垢，磨蚀等都会使粗糙度远差于新投用时的情况。即使是新安装的管道，如果粗糙度达不到要求，都应该进行加工以达到规定的要求。即使是管流已达到充分发展管流时，粗糙度对流体仍是有影响的，见图1。
图1光滑管与粗糙管的流速分布
从图1中可以看出：粗糙管的流速分布与光滑管是有区别的，因此流出系数也不会相同。我厂大部分的蒸汽测量管都是直接用工艺管道，没有在定货时与节流装置整体加工，投用时粗糙度是否合乎要求也无从知道，况且经过多年的运行也没有进行过检查和清理，粗糙度对测量准确度的影响肯定是存在的。
2.3 密度计算
对于蒸汽的流量测量，人们都知道要进行压力和温度补偿，但是由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够，在实际工作中往往存在一些不正确的做法。
蒸汽是比较特殊的介质，一般情况下所说的蒸汽是指过热蒸汽。而过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温获得。其中绝不含液滴或液雾，属于实际气体。过热蒸汽的温度与压力参数是两个独立参数，其密度应由这两个参数决定。
过热蒸汽在经过长距离输送后，随着温度、压力的变化，特别是在过热度不高的情况下，会因为热量损失温度降低而使其从过热状态进入饱和状态或过饱和状态。转变成饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽容易凝结，在传输过程中如有热量损失，蒸汽中便有液滴或液雾形成，俗称温蒸汽（其质量一般用干度这一参数来表示，干度是指单位体积饱和蒸汽中干蒸汽所占的百分数）。这时它已不属于严格意义上的气体，其密度也发生了很大变化。所以，不同状态下不能用同一气体状态方程来描述。
在日常的流量测量中，大家往往只重视差压信号的准确与否，并常常使用高精度的差压变送器，而忽略了密度在测量中的重要地位。其实这个问题只要看一看节流装置流量方程就非常清楚了，流量方程为：
qm=k(2△p·p)1/2
式中
qm-质量流量，kg/s
C-流出系数；
ε-可膨胀性系数；
β-直径比，d/D；
d-工作条件下节流件的孔径，m；
D-工作条件下上游管道内径，m；
△P-差压，Pa；
P-流体密度，kg/m3。
从上式中我们可以看出差压与密度在测量中是处于同等地位的。然而在实际使用中由于忽视了密度对流量测量的影响，因此往往不重视对密度的认真研究和分析。
我们知道：对气体流量的测量，如果没有温压补偿，测量结果是不准确的。因此无论是以前的电III型仪表，还是近些年广泛使用的智能仪表、DCS，乃至到去年我厂新安装的多变量仪表（HoneyWellSMV3000），都有不同的补偿方式。为求得准确的气体状态方程，经多年努力，仍没有一个统一的气体状态方程，只有众多的实际气体状态方程。而本文所讨论的蒸汽就有专用的方程，主要是因为蒸汽在工作过程中有物质状态的变化，与理想的气体的性质有很大的差别，它的物体参数比理想气体要复杂，不能用简单的数学方程式表达出来。而实际生产中，蒸汽流量密度的计算，大多数采用的恰恰是简单的数学表达式。但由于使用测量的仪表不统一，仅智能流量二次表就有不同的型号，对密度的计算也各不相同，加上DCS，多变量等仪表的计算方式也不尽相同，造成密度计算的不准确，因此对蒸汽流量测量的影响不亚于用一台精度差的差压变送器带来的误差。
2.4 相关系数的影响
流出系数C的定义是：通过节流装置的实际流量与理论流量之比，将这个比值应用到理论方程中，以获得实际的流量。在一定的安装条件下给定的节流装置，C值仅与雷诺数有关。
在节流装置计算书中，根据提供的工艺条件计算出的C值是一个固定值，在DCS或智能二次表中都将流出系数C作为固定值参与流量计算，而实际上流出系数C只有雷诺数在规定的范围内才可视为常数，实际使用时当雷诺数不在这个范围时，流出系数C就不能视为常数。特别是当小流量时，随着雷诺数变小，流出系数C将较大的变化，流出系数C与雷诺数Re的变化关系如下图2：
雷诺数Re
图2流出系数C与雷诺数Re的变化关系图
从图2中可以看出：只有雷诺数Re≥104时，流出系数C才可以为是一个常数。据有关资料介绍，当Re=103时（β=0.6），附加误差可达-19%，而当Re=250时附加误差增加到-26%。在实际测量中，由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情况时有发生。我厂热电车间某蒸汽流量，*小可达1t/h，而*大时可达28T/h，实际量程比达到了28:1。在低限流量时流出系数将变化很大，如果不进行修正，仍按计算书的C值来计算流量，会带来较大的误差。在我厂大部分DCS和二次仪表中，都没有对流出系数C的修正功能，由此可见流出系数对测量系统的影响是普遍存在的。
实际上，孔板从安装使用*一天开始，严格上讲，它的入口锐边就开始经历由尖锐到平钝的一个变化过程，只不过这种变化*为缓慢人们不易察觉，或者说对仪表准确度的影响是一个从小到大的缓慢过程，常常不会被人注意。如果被测介质是高流速的流体，影响可能会更为显著。根据某专业杂志报道，在流体高速脏污的场合，流出系数C变化百分之十几也不足为奇，而我厂使用的孔板*长达上10年，短的也用了3、4年时间，因此流出系数C问题带来的测量误差是可想而知的。
2.5 仪表量程设置
在全厂计量仪表完善项目施工中，我逐渐发现，有部分车间的选用的仪表量程过大，使仪表经常工作在量程的50%甚至20%以下，这样就造成了相对误差变大后果。我们都知道，一般仪表的准确度等级都用引用误差表示的，其实引用误差是一种简化的相对误差。若仪表的准确度等级为0.2、0.5或1.0级，所标明的是仪表的引用误差不能超过的界限，也就是说合格仪表*大引用误差不会超过0.2%、0.5%、1.0%，而不能认为它的各刻度点上的示值都具有0.2%、0.5%、1.0%，的准确度。
设一台仪表的准确度为S%，量程为0～Xn，测量点为X，相对误差应按下式求得：
相对误差≤Xn/X×S%。
如果这台仪表的量程是0～150，准确度是0.5，用上式计算测量点75、50、30、15的相对误差分别为：1.0%、0.5%、2.5%、和5.0%。由此可见，当测量值越接近满度值，其准确度越高。这就是我们在选用仪表量程时，尽可能在仪表的上限值处邻近或2/3量程以上的原因。
3 、解决的方法
3.1 节流元件改用标准喷嘴
对于大多数节流件孔板入口磨损及脏污等问题，我们应该选用标准喷嘴。由于喷嘴入口是一个光滑的曲面，它的抗磨损、抗积污、抗变形程度远好于孔板，流出系数稳定性也比孔板好，在相同流量和相同β值条件下，阻力损失也比孔板小的多（只有孔板的30%～50%），而且它的检定周期为4年，大大减少了维护费用。
3.2 节流装置整套加工
对于测量管的影响问题，应该采取指定专业生产厂家，统一加工节流件，统一加工法兰、直管段，统一开压力温度取样点，统一加工冷凝罐，统一整体组装。这次全厂计量仪表完善项目中，有许多节流装置就采用了这种办法进行定货，虽然造成了费用高了一些，但是由于测量准确度的提高，所产生的经济效益远远大于多花的费用的。
3.3 采用正确公式计算密度
关于密度的计算，针对计算公式不统一的问题，我们这次全厂计量仪表完善项目中，统一采用了美国HoneyWell公司的SMV3000系列多变量仪表，而且蒸汽的测量信号（差压、压力、温度）先进入SMV3000仪表进行运算，计算后的流量信号再根据需要送至DCS或全厂计量仪表系统进行显示，累积。
3.4 量程选用尽量合理
关于量程选用的问题，根据生产的实际情况，在满足工艺要求的前提条件下，尽量使仪表工作在满量程的2/3以上。但因有些生产工艺的特殊性，在低流量下运行的情况还是存在的。
4 、效果评价
全厂蒸汽流量仪表在改造以前，热电车间与工艺车间的蒸汽计量误差在10%～20%之间，改造后，经过仪表专业技术人员的努力，蒸汽计量误差已经小于6%，效果还是比较理想的。
由于目前使用流量仪表测量蒸汽流量，由于被测介质的特殊性，对于相流经常变化的蒸汽，肯定会存在测量不准确的情况，而解决这一问题的根本办法是开发一种可测两相流动介质的流量仪表。我相信，随着科学技术的不断进步，提高测量水平的呼声越来越高，因此针对生产实际情况，做一些细致的技术工作，一定会探索出一条蒸汽流量测量的成功之路。