双向蒸汽流量的测量

叶非，叶海清，纪纲

（1.上海电力股份有限公司吴泾热电厂，上海200241；2.杭州市质量技术监督检测院，杭州310019；3.上海同欣自动化仪表有限公司，上海200070）

有些生产装置在正常生产时可外供蒸汽，但在某一段时间，例如开车过程中，需消耗蒸汽。两个独立核算的热网之间，蒸汽有时从A网流向B网，有时从B网流向A网，这就要求流量计具有双向测量能力。

目前市售的双向流量计包括容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、热式流量计、科里奥利质量流量计等，但因蒸汽温度高，无自润滑能力，管道通径比较大，使这几种流量计无法适应。

下面介绍的几种双向流量计，在测量蒸汽双向流量方面各具特色，只要设计、制造、安装得当，就能很好地完成测量任务。

1 双向孔板流量计

对于用标准孔板流量计测量蒸汽质量流量，仪表工程师大多有丰富的经验，但对用标准孔板流量计测量双向蒸汽质量流量感到陌生。其实GB／T 2624—2006（相应的国际标准为ISO5167：2003（E））对双向孔板也做了详细的规定，只要按照标准设计、制造、安装、使用，就能获得标准所规定的准确度。

1.1 工作原理

与普通孔板流量计相比，双向孔板流量计具有下列特殊之处［1］4［2］5－6：

a）双向孔板。孔板不切斜角；两个端面均应符合国标中关于上游端面的规定；节流孔的两个边缘均应符合国家标准中关于上游边缘的规定；孔板厚度应为0.005～0.02D，其中D为管道内径，为了防止孔板变形，在结构和其他相关方面必须采取相应措施。

单向孔板如图1所示，双向孔板如图2所示。

图1 单向孔板

2 双向孔板

b）对直管段的要求。测量正向流时的后直管，在测量反向流时变为前直管。因此，仪表的两个直管段都应满足国家标准中前直管段的要求。

c）正端取压口压力p1的计算。仪表的节流件正端取压口压力p1用压力变送器测量。该变送器安装在正向流的正端取压口，在流体反向流动时，该点压力变成了反向流的负端取压口压力。根据正端取压口压力、负端取压口压力和差压的定义可知：

式中：p′1——反向流正端取压口压力，Pa；p1——正向流正端取压口压力，Pa；Δp′——反向流差压，Pa。

其实p′1就是正向流的负端取压口压力，只因该点未安装压力变送器，所以只能用间接的方法得到。

d）温度传感器的安装。按照国家标准，温度传感器的套管只能安装在节流件上游20D以外的管段上，由于制造厂提供的直管段长度有限，当管径较大时，测温套管由用户自行安装在主管道上；并且套管管径要尽量小，插入深度在不影响测量准确度的前提下，要尽量浅一些。

双向孔板输出的正反向差压信号，通常采用2台差压变送器测量，质量流量为零时，2台差压变送器均输出4mA，小信号切除值可按单向孔板流量计方法处理。2台变送器的差压上限，分别与正反向质量流量上限相对应，如图3所示。

为了节省投资，也可用1台差压变送器。将差压变送器零位设置在12mA，则12～20mA代表正向质量流量，12～4mA代表反向质量流量。

图3 双向孔板流量计系统示意

e）双向流的温压补偿。对于过热蒸汽和一般气体，流体流过节流件为等温过程，所以流体温度无变化；对于饱和蒸汽，因为蒸汽中可能带有微量水滴，所以流体流过节流件后产生的压降可能会使温度有所降低。因此，对于饱和蒸汽推荐采用压力补偿，即根据节流件前蒸汽压力查蒸汽密度表；如果蒸汽状态不能确定，有时为过热蒸汽，有时为饱和蒸汽，则应采用温压补偿压力优先方式［3］25－26。

f）双向流的流出系数补偿。在差压式流量计中，流出系数随雷诺数的变化而变化。因此，须按数学模型对此变化进行在线补偿才能保证系数精确度［4－5］［6］554－559。流量显示装置中，按照正向流孔板计算书设置的流出系数C补偿数据，同样适用于反向流。

g）双向流的可膨胀性系数补偿。反向流与正向流采用相同的公式计算可膨胀性系数ε，所以反向流ε补偿与正向流相同。

h）流量演算器的功能。用于双向蒸汽质量流量测量的流量演算器，除了对差压信号进行处理，对流动方向做出判断之外，还需对正向瞬时质量流量、正向累积质量流量、反向瞬时质量流量、反向累积质量流量进行计算，并予以显示。此外，还承担着流体温度压力补偿、流出系数自动补偿和可膨胀性系数自动补偿等任务。

1.2 结 构

双向孔板流量计需考虑流体流向从一个方向转换到另一个方向的过程中，有可能在小流量区间停留较长时间。因此，流量计必须有很小的切除值，这就要求仪表有很大的量程比。故仪表的变送部分宜采用一体化结构，只有这样，孔板输出的差压信号才能不失真地传递到差压变送器。

图4所示是FDIt双向流量计的结构，仪表变送部分由节流件、前直管段、后直管段、夹持法兰、垫片、双头螺栓、支架、三阀组、差压变送器、压力变送器、引压管和温度传感器、切断阀、冷凝罐等组成。直管段末端自带配对法兰，压力高时采用焊接坡口，以便与工艺管连接。其中节流件、三阀组、引压管和支架为不锈钢材质，变送器和传感器与流体接触部分为不锈钢或其他耐腐蚀材料，垫片采用金属缠绕石墨垫片。图5所示为配有2台差压变送器的双向孔板流量计结构示意。

图4 双向孔板流量计结构（单差压变送器）

5 双向孔板流量计结构（双差压变送器）

1.3 检 定

用于贸易结算的双向孔板流量计，必须经技术监督机关授权机构强检合格才能使用。检定所依据的规程为JJG 640—94。

a）几何检定法。按照GB／T 2624规定，标准节流装置可以采用几何检定法检定［7］，检定项目包括节流件开孔直径d20、厚度、锐缘、管道内径D20、端面粗糙度、平整度等；然后再对差压变送器、压力变送器、温度传感器和流量二次表进行检定；最后用误差合成法评估系统不确定度。

b）实流检定法。双向孔板流量计的各部分组装成一个整体后，就可放在流量标准装置上进行实际检定，检定点可按规程选定。正向质量流量检定完毕，应将被检流量计进出口颠倒，对其反向质量流量的测量指标进行检定。只有正反向质量流量检定结果均合格，整套仪表才算合格。

1.4 技术指标

a）节流装置不确定度EC：在0.2＜β＜0.6和Re≥5 000时，EC为±0.5%［1］7－10［2］10－13。

b）系统准确度：±1%（液体）和±1.5%（蒸汽）。

c）单量程结构可测范围：（2～100）%（F.S），保证精度范围：（10～100）%（F.S）。

d）双量程结构可测范围：（1～100）%（F.S），保证精度范围：（3～100）%（F.S）。

2 菱形截面阿牛巴流量计

上述双向孔板流量计用来测量蒸汽质量流量时，准确度比较高，而且检定方便，受到热电、热力行业的欢迎，但是投资较高，而且永久性压损也较大。在不需强制检定的测量点，如果测量精确度要求也不高，则可用菱形截面阿牛巴流量计来测量蒸汽的双向质量流量。

阿牛巴流量计是径流速计中的一种，其检测杆的截面形状有圆形、T形、子弹头形和菱形等。其中，菱形截面检测杆的迎流面和背流面开有相同的四个孔，每个孔测量蒸汽管道截面积1／4的平均流速，因为迎流面与背流面完全对称，所以可用来测量双向流量［8］。

图6所示为菱形截面阿牛巴流量计用来测量双向蒸汽质量流量时的一次元件结构。

图6 测量双向蒸汽质量流量的阿牛巴流量计（俯视图）

差压变送器的零点设置与双向孔板流量计相同。

阿牛巴流量计结构简单，价格便宜，永久性压损也小，但检定困难，所以多用在过程测量与控制中。

JJG 640规定，阿牛巴流量计只能采用流量系数法检定，即必须放在流量标准装置中标定其流量系数。这样，就必须有一段内径与实际安装地点管道内径相同的测量管才能实施检定，这就给检定造成了很大困难。

3 用超声波流量计测量双向蒸汽质量流量

超声波流量计具有双向体积流量测量能力，但是用超声波流量计测量蒸汽质量流量却受到三方面的约束：最高流速不大于35m／s；介质温度不大于170℃；被测介质声阻抗与管壁声阻抗之比不大于3 000。其中，第一个约束条件并不难实现，因为对于流速可能达到35m／s以上的测量对象，可局部扩大管径。第二个约束条件意味着这种方法只能测量表压低于0.68MPa以下的饱和蒸汽。但是，蒸汽压力太低又要受到第三个条件的约束，因为蒸汽压力降低后，其密度相应减小，所以使其声阻抗与管壁声阻抗比增大。

现在，制造商推出了一种可测高温介质流量的新技术，即经高温导波器将常规探头耐温范围延伸到400℃，其结构如图7所示，但是导波器又增大了声阻抗比。所以，在考虑选用这一方法时，需向制造商详细咨询，避免使用不当。

4 结束语

a）双向蒸汽质量流量的测量是一项特殊的测量任务，可供选择的方法有限，应当慎用。

图7 导波板在管道上的安装

b）在一般测量时，菱形截面阿牛巴流量计是不错的选择，但因差压信号很小，实施时应谨慎，防止差压信号的传递失真。由于阿牛巴流量计的检定要在流量标准装置上才能进行，难度很高。

c）超声流量计用于双向蒸汽质量流量测量时，精确度可达读数值的1%，能够满足要求，但耐温等级、声阻抗比和流速限制是必须解决的问题。

d）双向孔板是双向蒸汽质量流量测量的成熟方法，能够适应的温度压力范围、管径和流速范围都很宽广，检定也方便，是蒸汽计量交接的实用方法。

［1］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 2624—2006用安装在圆形管道中的差压装置测量满管流体流量 第2部分：孔板［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［2］ ISO Copyright Office.ISO 5167：2003Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross－section Conduits Running Full［S］.Switzerland，2003.

［3］ 纪纲.流量测量仪表应用技巧［M］.2版.北京：化学工业出版社，2009.

［4］ 王建忠，纪纲.节流式差压流量计为何仍有优势［J］.自动化仪表，2006（07）：63－33.

［5］ 王建忠，纪纲.差压式流量计范围度问题研究［J］.自动化仪表，2005（08）：4－6，9.

［6］ 国家质检总局计量司.2008全国能源计量优秀论文集［C］.北京：中国计量出版社，2008：554－559.

［7］ 国家质量技术监督局.JJG 640—94常用计量检定规程汇编 流量仪表［S］.北京：中国计量出版社，1998：119－196.

［8］ 侯娟.双向毕托管流量计特性分析［J］.仪表技术与传感器，2003（05）：53－54.

［9］ 蔡武昌，孙淮清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用［M］.北京：化学工业出版社，2001：223.

［10］ 蔡武昌，应启嘎.新型流量检测仪表［M］.北京：化学工业出版社，2005：252－253.