蒸汽流量測(cè)量的比較與分析

劉　欣

東華工程科技股份有限公司　合肥　230024

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蒸汽流量測(cè)量的比較與分析

劉欣*

東華工程科技股份有限公司合肥230024

本文結(jié)合差壓式流量計(jì)和渦街流量計(jì)的原理，對(duì)節(jié)流裝置、巴類流量元件和渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量的主要影響因素進(jìn)行分析，并根據(jù)幾種不同儀表的特點(diǎn)，分別就選型、安裝、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行分析，并總結(jié)幾種測(cè)量儀表的優(yōu)點(diǎn)與不足。

蒸汽節(jié)流裝置巴類流量元件渦街流量計(jì)

蒸汽是使用最廣泛的載熱工質(zhì)，是重要的二次能源，蒸汽流量的測(cè)量對(duì)加強(qiáng)管理、公平貿(mào)易、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都有重要意義。蒸汽流量測(cè)量方法按工作原理，可分為直接式和推導(dǎo)式兩大類。現(xiàn)在廣泛使用的蒸汽流量計(jì)為推導(dǎo)式，包括節(jié)流裝置、巴類流量元件及渦街流量計(jì)等，這些測(cè)量方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場合。

1　節(jié)流裝置

節(jié)流式差壓流量元件是一種歷史悠久、用量最大的流量計(jì)。節(jié)流式差壓流量計(jì)依據(jù)流體流過節(jié)流裝置，使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能產(chǎn)生差壓的原理來工作。節(jié)流裝置分為標(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型兩大類。標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流元件按照GB/T 2624設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用，無需實(shí)流校準(zhǔn)。節(jié)流式差壓流量計(jì)可測(cè)量所有單向流，包括液、氣、蒸汽等。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置世界通用，并得到國際計(jì)量組織的認(rèn)可。

節(jié)流裝置見圖1。當(dāng)流體通過標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置時(shí)，在I-I截面前，流體未受節(jié)流件的影響，管道內(nèi)流速分布均勻。管道軸心處和管壁處的靜壓相等。I-I截面后(約0.5D～2D)，流體開始受節(jié)流件影響，靠近管壁處的流體向中心加速，平均流速逐漸升高，直至Ⅱ-Ⅱ截面，流束收縮到最小，平均流速達(dá)到最大值。自Ⅱ-Ⅱ截面后，流束開始膨脹，直至Ⅲ-Ⅲ截面，又恢復(fù)到I-I截面前的情況，此時(shí)平均流速逐漸降低，與平均流速相對(duì)應(yīng)的靜壓也由低到高再恢復(fù)到低值。流體在節(jié)流件前、后的管壁附近形成渦流，渦流即有橫向脈動(dòng)，還有逆向運(yùn)動(dòng)，孔板或噴嘴的壓力損失高，就是因?yàn)闇u流能量耗散造成的。

圖1　節(jié)流裝置原理

根據(jù)不可壓縮流體的伯努利方程：

(1)

式中，Z、p/ρ、Kv2/2分別表示單位質(zhì)量流體在過流斷面上的位能、壓力能和動(dòng)能的平均值。εv2/2表示單位質(zhì)量流體的平均能量損失。

推導(dǎo)出不可壓縮流體的流量方程式：

(2)

可壓縮流體在流動(dòng)過程中流體密度不能視為常數(shù)，需采用熱力學(xué)過程的絕熱過程方程式 ，ε為可膨脹系數(shù)。

(3)

(4)

(5)

按照GB/T2624 ，流出系數(shù)C的定義式為：

(6)

(7)

在一定的安裝條件下給定的節(jié)流裝置，該C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)，即C=f(ReD,節(jié)流件類型，D，β)。由此，可以算出流出系數(shù)，進(jìn)而得到節(jié)流裝置的選型計(jì)算。

流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系見圖2。低雷諾數(shù)區(qū)域?qū)儆趯恿鲄^(qū)，流體繞過限流孔后不會(huì)形成噴射現(xiàn)象，流出系數(shù)隨雷諾數(shù)增高而增大；中雷諾數(shù)區(qū)域內(nèi)流動(dòng)從層流發(fā)展到紊流，流出系數(shù)隨雷諾數(shù)增高而增大的速度緩慢。對(duì)于孔板，由于慣性作用加強(qiáng)，孔口處開始形成噴射，流束在孔口外產(chǎn)生縮流，因此C值下降；在高雷諾數(shù)區(qū)域，C值都趨于穩(wěn)定，對(duì)于孔板，β值越高，趨于穩(wěn)定時(shí)的雷諾數(shù)就越高。

圖2　流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

2　巴類流量元件

巴類流量元件是一種新型的差壓式流量元件，采用差壓式的工作原理，插入式的安裝方法。其通過一根直徑為十幾毫米的探頭取壓，探頭前后有二排不均勻分布的、若干個(gè)幾毫米的引壓孔。通過這兩排孔將管道從上到下的不同壓力在孔內(nèi)取平均以構(gòu)成差壓。巴類流量元件精度高，壓損小，對(duì)探頭磨損小，在安裝合適的情況下，可以長期保持高精度。

巴類流量元件質(zhì)量流量的計(jì)算公式：

(8)

阻斷系數(shù)ζ只與探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于不可壓縮介質(zhì)，由于壓損不會(huì)影響密度的變化，膨脹系數(shù)ε為1。對(duì)于可壓縮的介質(zhì)，隨著管道內(nèi)壓力損失增加和管道內(nèi)靜壓的減小，膨脹系數(shù)ε從1開始，按照比例下降。

(9)

當(dāng)前工況的膨脹系數(shù)εD。

(10)

式中，pD為設(shè)計(jì)壓力，pB為工況壓力，εB為設(shè)計(jì)膨脹系數(shù)，dpD為設(shè)計(jì)差壓，當(dāng)前工況密度為ρB。若介質(zhì)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相近，使用理想氣體方程可以得到足夠精度的結(jié)果：

(11)

3　渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)根據(jù)卡門(Karman)渦街原理研究生產(chǎn)，渦街流量計(jì)壓損小，量程范圍大，精度高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響，無可動(dòng)機(jī)械零件，維護(hù)量小。渦街流量計(jì)在流體中設(shè)置三角柱型旋渦發(fā)生體，流體在管道中經(jīng)過渦街流量計(jì)時(shí)，在三角柱的旋渦發(fā)生體后上下交替產(chǎn)生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān)：

(12)

式中，f為旋渦的釋放頻率；v為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度；d為旋渦發(fā)生體特征寬度；St為斯特勞哈爾數(shù)，范圍為0.14～0.27，是雷諾數(shù)的函數(shù)。

(13)

當(dāng)雷諾數(shù)Re在 102～105時(shí) 范圍內(nèi)，St值約為0.2。在測(cè)量中，需滿足流體的雷諾數(shù)在102～105，此時(shí)旋渦頻率：

(14)

由此，通過測(cè)量旋渦頻率就可以計(jì)算出流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度v，再由式q=vA,可以求出流量q，其中A為流體流過旋渦發(fā)生體的截面積。

4　三種流量計(jì)比較

4.1選型比較

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只有在滿足以下條件下，流量系數(shù)才與規(guī)范中提供的數(shù)據(jù)相符：① 被測(cè)介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道截面連續(xù)地流動(dòng)；② 管道內(nèi)的流速(流動(dòng)狀態(tài))應(yīng)是穩(wěn)定的；③ 被測(cè)介質(zhì)在通過節(jié)流裝置時(shí)，應(yīng)不發(fā)生相變；④ 節(jié)流裝置前后有足夠長度的直管段。

巴類流量元件運(yùn)用廣泛，可以測(cè)量干燥氣體、潮濕氣體、液體或蒸汽的介質(zhì)，不受介電常數(shù)的影響，適用通徑廣。一般用于大口徑管道上蒸汽流量測(cè)量。

渦街流量計(jì)可以在測(cè)量介質(zhì)流速0.5～12m/s范圍內(nèi)選用。渦街流量計(jì)的口徑不一定與工藝管道相同，選型時(shí)考慮測(cè)量流量范圍是否在流速范圍內(nèi)，當(dāng)管道流速偏低，需縮小儀表口徑，提高流速，從而得到滿意的測(cè)量結(jié)果。

4.2安裝比較

節(jié)流裝置和巴類流量元件都需要與差壓顯示儀表連接，測(cè)量蒸汽時(shí)都采用伴熱保溫來應(yīng)對(duì)蒸汽冬季凝結(jié)的情況，見圖3、圖4。節(jié)流裝置的現(xiàn)場安裝條件要求較高，需較長的直管段，一般為前20D，后15D。巴類流量元件的前后直管段要求相對(duì)短一些，一般為前7D，后3D。節(jié)流裝置或巴類流量元件與差壓顯示儀表之間引壓管線亦為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞及凍結(jié)、信號(hào)失真等故障。

圖3　節(jié)流裝置或巴類流量元件安裝

圖4　節(jié)流裝置或巴類流量元件伴熱安裝

巴類流量元件安裝工作量小。該探頭采用的是插入式的工作方式，安裝方便、簡單。安裝的時(shí)候只要在現(xiàn)場直接開孔焊接即可，見圖5。

圖5　巴類流量元件安裝

渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、無需導(dǎo)壓管和三閥組，減少了泄漏、堵塞和凍結(jié)等。但是，渦街流量計(jì)對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)的場所。渦街流量計(jì)的前后直管段要求前15D，后10D，通常用于管徑在300mm以下的工況，見圖6。

圖6　渦街流量計(jì)安裝

4.3經(jīng)濟(jì)性比較

節(jié)流式差壓流量計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，性能可靠，價(jià)格低廉，無需實(shí)流校準(zhǔn)就能夠使用；其測(cè)量精確度在流量計(jì)中屬于中等水平。由于很多因素影響錯(cuò)綜復(fù)雜，精確度難以提高；測(cè)量范圍窄，差壓信號(hào)與流量為平方關(guān)系，量程比僅為3:1～4:1；孔板或噴嘴的壓損較大，能耗高。

巴類流量元件壓損較孔板大幅減少，只有孔板的5%～10%，減小了系統(tǒng)的運(yùn)營成本。由于壓差小，則對(duì)應(yīng)的差壓變送器選擇要求提高，相應(yīng)增大了差壓變送器的采購成本。

渦街流量計(jì)壓損小，約為節(jié)流式元件的1/4，其儀表購置費(fèi)用高，安裝費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較低。

4.4精度與小流量切除性能比較

滿足規(guī)范GB/T2426生產(chǎn)的節(jié)流式差壓流量計(jì)的精度在±0.55%左右；巴類流量元件的精度與前后直管段有關(guān)，當(dāng)前直管段長度為14D，后直管段長度為3D時(shí)，精度可以達(dá)到±0.5%，當(dāng)前直管段為7D，后直管段為3D時(shí)，精度可以達(dá)到±1%；而渦街流量計(jì)的精度在±1.0%，對(duì)于內(nèi)縮徑型的渦街流量計(jì)，其精度在±1.35%左右。

當(dāng)某測(cè)點(diǎn)由開車工況變化至正常工況時(shí)，其測(cè)點(diǎn)往往流量值逐步由小流量遞增至正常流量。當(dāng)工況流量低于三種儀表可以測(cè)量的范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。對(duì)于節(jié)流裝置，當(dāng)雷諾數(shù)小于5000時(shí)，精度就會(huì)遠(yuǎn)超0.55%；巴類流量元件對(duì)雷諾數(shù)的要求不高，在保證滿管的情況下，若雷諾數(shù)低，巴類流量元件的輸出差壓會(huì)偏小，影響差壓變送器的測(cè)量精度；渦街流量計(jì)的最小雷諾數(shù)極限為10000。

4.5案例比較

針對(duì)某精餾工段換熱器的蒸汽流量測(cè)量，本文做了計(jì)算對(duì)比：

該位置點(diǎn)管道壓力等級(jí)為150#，管徑250mm，蒸汽操作壓力為0.4MPa，操作溫度為151℃，蒸汽流量為4000kg/h，允許壓損為20kPa。

節(jié)流裝置經(jīng)過選型計(jì)算，采用滿刻度壓差10kPa，正常差壓為5kPa，開孔直徑比為0.44，最大壓損為7.9kPa。一整套節(jié)流裝置的采購安裝費(fèi)用大致在2.5萬元左右。

巴類流量元件經(jīng)計(jì)算，其滿刻度差壓為0.3kPa，正常差壓為0.18kPa，最大壓損為0.02kPa。其采購安裝費(fèi)用大致在4.2萬元左右。

該處非振動(dòng)管道，因此可以采用渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)經(jīng)過計(jì)算，選用縮徑為150mm管徑的法蘭式流量計(jì)，其最大壓損為2.9kPa。其采購安裝費(fèi)用大致在5萬元左右。

通過比較，可得結(jié)論：① 節(jié)流裝置壓損最大，巴類流量元件壓損最小。考慮長期運(yùn)行能耗，巴類流量元件經(jīng)濟(jì)性最好，渦街次之；② 節(jié)流裝置選用差壓變送器可采用普通量程范圍型，巴類流量元件選用差壓變送器需采用微小差壓測(cè)量型變送器；③ 當(dāng)該測(cè)點(diǎn)由開車工況變化至正常工況時(shí)，流量高于51.57kg/h，節(jié)流式差壓流量元件才能確保應(yīng)有的精度；流量高于802kg/h，渦街流量計(jì)可以達(dá)到應(yīng)有的精度；流量高于1500kg/h，巴類流量元件輸出能達(dá)到高精度差壓變送器的精度下限值；④ 若考慮總承包采購成本的限制，可選用節(jié)流裝置測(cè)量蒸汽流量。若考慮綜合采購及運(yùn)行成本，包括長期運(yùn)行蒸汽壓力損失成本和冬季保溫伴熱蒸汽成本，可選用渦街流量計(jì)。若遇到蒸汽管線口徑增大至300mm以上，可考慮采用巴類流量元件，此時(shí)巴類流量元件的采購成本將比其余兩種流量計(jì)低得多。

5　結(jié)語

蒸汽流量儀表的選用非常重要，準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽流量是生產(chǎn)部門的需要。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高測(cè)量水平的呼聲越來越高。在實(shí)際選用中，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)蒸汽的性質(zhì)和工況精度的要求、成本核算等條件來選擇適合的蒸汽儀表。節(jié)流裝置、巴類流量元件和渦街流量計(jì)各有利弊，需要充分考慮工藝、環(huán)境要求，合理地選擇流量計(jì)，才能保證蒸汽計(jì)量的準(zhǔn)確性。

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*劉欣：助理工程師。畢業(yè)于上海交通大學(xué)控制理論和控制專業(yè)獲碩士學(xué)位。研究方向：自動(dòng)化與儀器儀表。

聯(lián)系電話：18297901390，E-mai:liuxin@chinaecec.com。

2016-03-18)