一體化噴嘴在蒸汽計量中的應用

王鑫民

(中國石化股份有限公司 天津分公司 煉油部，天津 300271)

節流式流量計技術成熟，在蒸汽計量中占有重要的地位。特別是標準節流裝置按標準GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》[1],ISO 5167—2003MeasurementofFluidFlowbyMeansofPressureDifferentialDevicesInsertedinCircularCross-sectionConduitsRunningFull[2]設計、制造，無須實流標定，是其他流量計無法比擬的。目前，蒸汽流量測量主要采用傳統的標準節流裝置，但是孔板流量計在蒸汽測量方面還存在很多不足，主要體現在測量范圍小，壓損大，現場安裝、維護復雜，檢定周期短等方面。一體化噴嘴蒸汽流量計采用噴嘴與差壓變送器一體安裝，還配備防凍式隔離器，解決了儀表冬季可靠運行的難題，與流量計算機構成了完整的高精度免維護蒸汽流量計量系統。本文對蒸汽流量計量系統的一些難點問題以及一體化噴嘴蒸汽計量系統進行分析介紹。

1 蒸汽流量計量高精度補償

1.1 關于寬量程的問題

雖然引起孔板流量計的誤差因素很多，諸如直管段、安裝條件等，但是都可通過設計與施工予以保證。一般儀表的準確度均由測量范圍內的相對誤差表示，當測量值越接近滿度值，其準確度越高。但在蒸汽輸送過程中，實際的流量范圍往往無法準確確定。在熱負荷變化大的情況下，流量計長時間在測量范圍以外工作，進而造成很大的測量誤差。因此，在設計蒸汽流量計量系統時，應考慮使用具有寬量程補償運算功能的計量系統。節流件流出系數C、可膨脹性系數ε等中間參數的實時計算是解決寬量程問題的關鍵。

節流式流量計流量計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：qV—體積流量，m3/s；C——流出系數；ε——可膨脹性系數；d——節流件開孔直徑，m；D——管道內徑，m；β——直徑比，β=d/D；ρ——被測流體密度，kg/m3；Δp——差壓，Pa。

根據文獻[1]，C的計算公式如式(2)所示：

C=0.5961+0.0261β2-0.216β8+

0.080e-10L1-0.123e-7L1)(1-0.11A)

式中：Re——雷諾數。

ε的計算式如式(3)所示：

(3)

式中：κ——等熵指數；p1，p2——分別為節流件前后的壓力，Pa。

傳統的節流式流量計將C和ε視為定值(C和ε由專門的節流裝置設計計算軟件計算得到)，輸入現場的流量積算儀。孔板的C-Re曲線如圖1所示。

由式(2)可知C的計算很復雜。相關標準提供了計算C的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運算功能和較大的存儲空間，以完成這些復雜的中間參數的補償運算。

智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機使寬量程的智能化節流式流量計成為可能。它應具備3個條件： 智能化的寬量程差壓變送器(差壓范圍為100∶1)；差壓變送器與流量計算機之間的數字通信(HART協議)不僅能滿足全量程差壓信號傳遞的準確性，而且能夠自動遷移測量范圍；流量計算機不僅可根據溫度、壓力等參數對工況流量進行修正，還可以實時計數C，ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準確度的同時，流量測量范圍可真正達到10∶1或更寬。

1.2 關于蒸汽密度問題

由于對蒸汽性質的復雜程度了解不夠，針對蒸汽的流量測量在整個測量系統中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準確與否，并盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測量中的重要性。目前有相當數量的流量類二次顯示儀表(系統)中蒸汽流量密度的計算，采用的是簡單的數學表達式或查表法，其準確度往往不能滿足要求。和一般通用氣體相比，在水蒸氣流量計算時存在3個難點：

1) 密度的確定。水蒸氣應視為實際氣體，其物理性質較理想氣體要復雜的多，故不能用簡單的數學式加以描述。因此，在以往的工程計算中，凡涉及水蒸氣的狀態參數值，大部分從水蒸氣參數表中查出。把水蒸氣參數表輸入儀表中，數據量很大。

2) 蒸汽在應用過程中會由于參數的變化發生狀態變化，如過熱蒸汽與飽和蒸汽的相互轉換。因此，必須先判斷蒸汽的狀態，再通過不同的數表或公式計算得出密度值。

3) 濕飽和蒸汽中含有飽和水，是兩相流，要準確測量蒸汽流量還必須確定干度。而干度測量難度很大，國外已有一些研究成果，但未見普遍推廣應用，國內目前仍處于研究階段。

通常有查表法和計算法2種水蒸氣密度的確定方法。查表法： 把水蒸氣密度表輸入計算機中，根據工況的溫度、壓力，從表中查出相應的密度值。計算法： 自己擬合公式，或者參照其他公式；烏卡諾維奇公式；IFC1967公式。

中國沒有制訂“水蒸氣熱力學性質表”的國家標準，而是采用國外的水蒸氣熱力學性質表。中國曾翻譯過美國、前蘇聯、西德的水蒸氣熱力學性質表，近年來逐步統一到IFC1967公式的數表。因此，在流量測量中使用的儀表應該按照IFC1967公式進行實時的密度計算才是最理想和準確的方法。目前中國JJG 1003—2005《流量積算儀檢定規程》[3]已引用了該公式。

文獻[3]的一個重要特點是把流量積算儀表與流量變送器、被測流體緊密結合在一起，檢定的理論值完全按有關國家標準給出的數學模型計算得到。由于涉及的流量變送器種類、被測流體的類型較多，計算公式各異且相當復雜。因此，中國計量科學研究院和北京博思達新世紀測控技術有限公司聯合開發了FIMJ-01-WIN版流量積算儀檢定軟件以滿足用戶對流量積算儀(含流量計算機,DCS,PLC數據采集系統等)型式檢定、出廠檢定、周期檢定以及對在線儀表進行現場檢定的需要。

2 一體化噴嘴蒸汽流量計量儀表配置方案

一套合理、先進的蒸汽計量系統應該具有以下特征： 現場儀表符合準確度要求,免維護,故障率低,穩定性好,檢定周期長；補償功能完善且補償的算法符合相關標準；具有較寬的測量范圍；具有歷史數據存儲、事件報警等管理功能；便于實現網絡化；具有能量計量的功能。

2.1 一次儀表配置方案

本文推薦的蒸汽流量計量一次儀表是一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進行溫度、壓力補償。

目前國內90%以上的蒸汽計量用表仍采用標準孔板節流裝置。標準孔板的主要缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發生鈍化。國內有關部門曾對新裝孔板進行跟蹤校驗，在孔板連續使用2～3月時，鈍化引起流出系數偏度在1%～3%，個別嚴重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標準孔板鈍化問題的最好方法是采用標準噴嘴，噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損。其流出系數非常穩定，所以JJG 640—1994《差壓式流量計檢定規程》[4]規定ISA1932噴嘴的檢定周期為4a(孔板檢定周期是1a)。另外，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多，僅為孔板的50%～60%，有利于降低能耗。長期運行情況表明，由于噴嘴在結構上的優勢具有耐沖擊抗變形的優點，適應于高溫、高壓、高流速介質。

另外，節流式流量計的系統構成比較復雜，有較長的引壓管，容易阻塞，冬季運行還需對引壓管、冷凝系統進行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障。一體化噴嘴是將節流件和差壓變送器制作成一體，并裝有防凍隔離器，不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統，使系統構成簡單，無需保溫供熱，在減少維護量的同時，也節省了能源。

一體化噴嘴的特點： 采用標準節流件，測量準確度有依據；采用防凍隔離技術，冬季運行無須伴熱，維護量少；噴嘴節流件阻力損失小(同樣流量下阻力損失為相同β值孔板的60%左右)；不存在孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數穩定，檢定周期長(4a)；配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達10∶1或更寬；安裝簡便。

2.2 二次儀表配置方案

蒸汽流量計量二次儀表推薦采用流量計算機類產品，具有以下優點：

1) 依據有關國際標準、國家與行業標準，針對不同介質和流量計類型建立了多種數學模型和相應計算軟件，可計算蒸汽質量流量和體積流量。

2) 對節流式流量計的C，ε等參數進行實時逐點運算以實現寬量程。

3) 具有歷史數據存儲、報警記錄、儀表斷電、修改參數設置等審計記錄功能，即使網絡系統發生故障，流量計量數據也不會丟失。

4) 具有強大的通信功能，對現場儀表除可適配4～20mA信號、脈沖信號外，還可以適配HART，Modbus等數字信號；對上位機可采用包括程控電話網、以太網等。

3 結束語

由一體化噴嘴流量計和流量計算機構成的蒸汽計量系統，克服了傳統孔板流量計量程小、阻力損失大、容易變形、檢定周期短、系統安裝和維護復雜等缺點。實踐表明該方案在蒸汽流量計量方面已日趨成熟，并已在石化、化工、冶金以及城市供熱等行業中得到了廣泛應用，在蒸汽流量計量方面做了有益的探索。

參考文獻：

[1] 李明華，彭淑琴，龍竹霖，等.GB/T 2624—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量[S].北京： 中國標準出版社，2006.

[2] 國際標準化組織.ISO 5167:2003(E)Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-section Conduits Running Full [S]. 2003.

[3] 孔慶彥，朱永宏，崔耀華，等.JJG 1003—2005流量積算儀檢定規程[S].北京: 中國計量出版社，2005.

[4] 翟秀貞，謝紀績，楊希文，等.JJG 640—1994差壓式流量計檢定規程[S].北京: 中國計量出版社，1994.