关于蒸汽孔板流量计测量原理及常见误差分析
摘要 : 随着生产及运维对测量精度要求日益提高，蒸汽流量测量方法及误差分析得到了越来越多的学者关注。本文拟对几种火电厂常用流量测量方法展开对比分析，并就常见仪表误差进行简要分析，旨为更好地满足现场实际测量需要。
1 研究背景
蒸汽，作为火电厂最重要的二次能源之一，其流量测量对于节能降耗，降低运营成本，提高经济效益具有重要意义--但其测量受到诸多因素限制、影响，如介质特性、仪表选型、现场安装等，大大增加了测量难度。随着生产及运维对测量精度的要求日益提高，蒸汽流量测量方法的选择及误差分析得到了越来越多的学者关注。
蒸汽分为过热蒸汽和饱和蒸汽。饱和状态下的液体称为饱和液体，其对应的蒸汽是饱和蒸汽，但最初只是湿饱和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸发后才是干饱和蒸汽。蒸汽从不饱和到湿饱和再到干饱和的过程温度是不增加的，干饱和之后继续加热则温度会上升，成为过热蒸汽。蒸汽在不同的温度、压力下密度不同，因而测量质量流量时要温压补偿 ；对于饱和蒸汽，其温度与密度有一一对应关系，一般只需进行压力补偿即可。
2 测量原理及对比分析
选择蒸汽流量测量仪表应考虑 5 个主要因素，即被测流体特性、安装条件、环境条件、仪表性能及维护需求。此外，在实际工程应用中，仪表的选择还应综合考虑以下问题 ：
（1）测量目的 ：如商贸结算和储运测量对准确度要求较高，而过程控制连续监测一般要求有良好的可靠性及重复性（精密度）；
（2）压力损失 ：尤其是对于大口径管路测量，压力损失会直接影响能量消耗。
通过上述分析不难得出，蒸汽流量测量采用孔板流量计或蒸汽孔板流量计较为理想。
孔板流量计是依据在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。它具有如下优点 ：①应用极为广泛，全部单相流体均可使用 ；②结构易于复制，简单、牢固、性能稳定可靠，价格低廉 ；③检测件（特别是标准型）为全世界通用，并得到了国际标准化组织和国际计量组织的认可 ；④无需个别校准即可投用 ；⑤同原理仪表扩展类型广泛，可替换性强。但其测量同样具有一定局限性 ：①由于众多因素的影响错综复杂，精确度难于大幅度提高 ；②受限于流量系数与雷诺数，一般仪表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有较长的直管段长度要求 ；④压力损失大 ；⑤长期使用精度难以保证，需要定期维护、检修维护量大。
蒸汽孔板流量计是利用卡曼涡街原理，即流体在管道中经过涡街流量变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关。它具有如下优点 ：①适用流体种类多，液、气、蒸汽及部分混相流皆可应用 ；②在一定雷诺数范围内，输出信号不受流体物性及组份影响，可在一种典型介质中校准，用于各种介质 ；③结构简单牢固、无可动部件，安装方便，运维可靠 ；④准确度较高，无零点漂移，量程比较大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤压损小（约为孔板流量计的 1/2~1/4），具有一定节能意义 ；⑥性价比较高。但其测量也具有一定局限性 ：①不适于低雷诺系数测量 ；②管道内流速分布应为充分发展流，被测管道上、下游直管段条件要求较为苛刻 ；③仪表系数较低，口径越大越低，适用于中、小口径测量 ；④不适用于振动大或脉动流工况。
3 常见误差分析
常见误差来源主要分为以下几点。
（1）参数调整或量程选择有误
如仪表量程小于实际参数，不仅无法正常量，且长时间故障运行可能会导致仪表无法恢复的机械损伤 ；若仪表量程远大于实际参数，测量结果无法满足精度要求--故合理选择仪表量程是精准测量的基础。
推荐量程选择 ：最大流量不超过满刻度的 95% ；正常流量为满刻度的 70% ～ 85% ；最小流量不小于满刻度的 30%。此外，DCS 侧量程需与仪表量程保持一致。
（2）仪表不具备温压补偿功能
蒸汽孔板流量计与测量介质无关是指其体积流量不受温度、压力变化影响，但如需计量被测介质的质量或标准状态下体积，就需判别蒸汽状态并测量实时压力、温度等热工状态参数，即在蒸汽工况偏离设计工况时，将蒸汽的密度对测量结果的影响予以修正 ；如仪表不具备温压补偿功能，数据处理不当将引入不必要的误差。
（3）安装条件不满足仪表要求
流体特性直接影响测量结果，而流体特性很大程度上受安装条件影响。安装条件考虑因素有仪表的流动方向，上下游管道状况，阀门位置，防护性辅助设备，非定长流（如脉动流）情况，电气干扰和维护空间等。参见“DL/T 5182-2004”，孔板流量计直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工艺管道直径，下游 ：2 ～ 8 倍工艺管道直径 ；蒸汽孔板流量计直管段要求--上游 ：15~50 倍工艺管道直径（如有束流导直器时，上游直段长度 12D），下游 ：5 倍工艺管道直径。
（4）安装不当或仪表工艺粗糙
仪表安装需保证测量管道与工艺管道同轴，安装法兰垫子时要注意不要凸出管内径 ；安装时还应尽可能的减小因被测介质脉动引起的内部震动及因动力引起的外部震动。
（5）蒸汽相变产生的附加误差
随着工况（压力、温度等）的变化，过热蒸汽可能会因热量损失从过热状态进入饱和状态，此时如仍按过热蒸汽规律进行密度计算将会带来附加误差。而饱和蒸汽在管道传输过长中，由于散热而温度降低，压力下降，很难保证蒸汽干度，出现凝结水的密度远大于蒸汽 ；同时，当管道保温良好，流动阻力损失很大时（管道上有开度很小的阀门，减压装置等），饱和蒸汽很可能会由于压力急剧降低而变成过热蒸汽（热力学上的绝热节流效应），上述情况都可能引起蒸汽密度变化，从而产生误差。
4 总结
通过综合对比，笔者推荐蒸汽流量测量采用孔板流量计及蒸汽孔板流量计进行测量，进而又对其适用工况及优缺点等展开对比分析，并就常见仪表误差进行简要分析，旨为更好地满足现场实际测量需要。
1 研究背景
蒸汽，作为火电厂最重要的二次能源之一，其流量测量对于节能降耗，降低运营成本，提高经济效益具有重要意义--但其测量受到诸多因素限制、影响，如介质特性、仪表选型、现场安装等，大大增加了测量难度。随着生产及运维对测量精度的要求日益提高，蒸汽流量测量方法的选择及误差分析得到了越来越多的学者关注。
蒸汽分为过热蒸汽和饱和蒸汽。饱和状态下的液体称为饱和液体，其对应的蒸汽是饱和蒸汽，但最初只是湿饱和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸发后才是干饱和蒸汽。蒸汽从不饱和到湿饱和再到干饱和的过程温度是不增加的，干饱和之后继续加热则温度会上升，成为过热蒸汽。蒸汽在不同的温度、压力下密度不同，因而测量质量流量时要温压补偿 ；对于饱和蒸汽，其温度与密度有一一对应关系，一般只需进行压力补偿即可。
2 测量原理及对比分析
选择蒸汽流量测量仪表应考虑 5 个主要因素，即被测流体特性、安装条件、环境条件、仪表性能及维护需求。此外，在实际工程应用中，仪表的选择还应综合考虑以下问题 ：
（1）测量目的 ：如商贸结算和储运测量对准确度要求较高，而过程控制连续监测一般要求有良好的可靠性及重复性（精密度）；
（2）压力损失 ：尤其是对于大口径管路测量，压力损失会直接影响能量消耗。
通过上述分析不难得出，蒸汽流量测量采用孔板流量计或蒸汽孔板流量计较为理想。
孔板流量计是依据在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。它具有如下优点 ：①应用极为广泛，全部单相流体均可使用 ；②结构易于复制，简单、牢固、性能稳定可靠，价格低廉 ；③检测件（特别是标准型）为全世界通用，并得到了国际标准化组织和国际计量组织的认可 ；④无需个别校准即可投用 ；⑤同原理仪表扩展类型广泛，可替换性强。但其测量同样具有一定局限性 ：①由于众多因素的影响错综复杂，精确度难于大幅度提高 ；②受限于流量系数与雷诺数，一般仪表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有较长的直管段长度要求 ；④压力损失大 ；⑤长期使用精度难以保证，需要定期维护、检修维护量大。
蒸汽孔板流量计是利用卡曼涡街原理，即流体在管道中经过涡街流量变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关。它具有如下优点 ：①适用流体种类多，液、气、蒸汽及部分混相流皆可应用 ；②在一定雷诺数范围内，输出信号不受流体物性及组份影响，可在一种典型介质中校准，用于各种介质 ；③结构简单牢固、无可动部件，安装方便，运维可靠 ；④准确度较高，无零点漂移，量程比较大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤压损小（约为孔板流量计的 1/2~1/4），具有一定节能意义 ；⑥性价比较高。但其测量也具有一定局限性 ：①不适于低雷诺系数测量 ；②管道内流速分布应为充分发展流，被测管道上、下游直管段条件要求较为苛刻 ；③仪表系数较低，口径越大越低，适用于中、小口径测量 ；④不适用于振动大或脉动流工况。
3 常见误差分析
常见误差来源主要分为以下几点。
（1）参数调整或量程选择有误
如仪表量程小于实际参数，不仅无法正常量，且长时间故障运行可能会导致仪表无法恢复的机械损伤 ；若仪表量程远大于实际参数，测量结果无法满足精度要求--故合理选择仪表量程是精准测量的基础。
推荐量程选择 ：最大流量不超过满刻度的 95% ；正常流量为满刻度的 70% ～ 85% ；最小流量不小于满刻度的 30%。此外，DCS 侧量程需与仪表量程保持一致。
（2）仪表不具备温压补偿功能
蒸汽孔板流量计与测量介质无关是指其体积流量不受温度、压力变化影响，但如需计量被测介质的质量或标准状态下体积，就需判别蒸汽状态并测量实时压力、温度等热工状态参数，即在蒸汽工况偏离设计工况时，将蒸汽的密度对测量结果的影响予以修正 ；如仪表不具备温压补偿功能，数据处理不当将引入不必要的误差。
（3）安装条件不满足仪表要求
流体特性直接影响测量结果，而流体特性很大程度上受安装条件影响。安装条件考虑因素有仪表的流动方向，上下游管道状况，阀门位置，防护性辅助设备，非定长流（如脉动流）情况，电气干扰和维护空间等。参见“DL/T 5182-2004”，孔板流量计直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工艺管道直径，下游 ：2 ～ 8 倍工艺管道直径 ；蒸汽孔板流量计直管段要求--上游 ：15~50 倍工艺管道直径（如有束流导直器时，上游直段长度 12D），下游 ：5 倍工艺管道直径。
（4）安装不当或仪表工艺粗糙
仪表安装需保证测量管道与工艺管道同轴，安装法兰垫子时要注意不要凸出管内径 ；安装时还应尽可能的减小因被测介质脉动引起的内部震动及因动力引起的外部震动。
（5）蒸汽相变产生的附加误差
随着工况（压力、温度等）的变化，过热蒸汽可能会因热量损失从过热状态进入饱和状态，此时如仍按过热蒸汽规律进行密度计算将会带来附加误差。而饱和蒸汽在管道传输过长中，由于散热而温度降低，压力下降，很难保证蒸汽干度，出现凝结水的密度远大于蒸汽 ；同时，当管道保温良好，流动阻力损失很大时（管道上有开度很小的阀门，减压装置等），饱和蒸汽很可能会由于压力急剧降低而变成过热蒸汽（热力学上的绝热节流效应），上述情况都可能引起蒸汽密度变化，从而产生误差。
4 总结
通过综合对比，笔者推荐蒸汽流量测量采用孔板流量计及蒸汽孔板流量计进行测量，进而又对其适用工况及优缺点等展开对比分析，并就常见仪表误差进行简要分析，旨为更好地满足现场实际测量需要。