无节流元件蒸汽流量测量的一种可行方法

沈永凤， 王 鑫

（1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064； 2.91439部队，辽宁大连 116041）

无节流元件蒸汽流量测量的一种可行方法

沈永凤1， 王 鑫2

（1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064； 2.91439部队，辽宁大连 116041）

介绍了目前常用的蒸汽流量测量方法——直接测量法，对其测量原理、特点及测量误差进行了分析。针对系统工况负荷变化频繁、蒸汽流量经常出现大幅度波动、直接测量流量误差较大的问题，提出了一种流量软测量，即无节流元件的蒸汽测量方法。利用此方法对蒸汽流量进行计算，并与实际流量计测量值对比，得出在流量波动时，流量计测量误差为10%，而软测量误差最大不超过5%。

计量学；蒸汽流量；节流元件；软测量；调节阀

1 引 言

目前蒸汽流量的测量普遍采用节流装置，即孔板或喷嘴。其原理是根据伯努利定律，通过测量流体流动过程中产生的差压信号来测量流量［1］，在保证设计参数情况下测量精度较高，而当偏离设计值时，测量误差较大。特别是对于舰船动力系统，由于机动性要求，工况负荷变化频繁，蒸汽流量经常出现大幅度波动，流量测量误差较大，且修正困难［2］。此外，节流元件带来的压力损失，也影响到机组的经济性，而且节流元件投资大，安装维护不便。本文介绍了一种根据调节阀前后压力间接计算蒸汽流量的方法，测量精度较高，而且由于不采用节流元件测量流量，减小节流损失，投资少。

2 直接测量法

直接测量法通常采用孔板（或流量喷嘴）测量蒸汽流量。

孔板流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经孔板时产生压力差，经导压管将此压力差传给差压变送器，差压变送器测出差压后换成4～20 mA信号，此信号再传给流量积算器（或计算机），直接数字显示瞬时流量和累积流量。流量及压力差具体关系为：

式中：Q为质量流量，kg／s；α为流量系数；ε为流束膨胀系数；A为流束截面积；ρ为流体密度；ΔP为孔板前后压力差，kPa。α、ε、A、ρ等项均受环境因素的影响，不能保持不变，特别是流量系数α、蒸汽密度ρ在机组滑参数运行或负荷变动时，基数值变化较大。针对ρ的变化，需进行压力、温度补偿，而α的变化范围，一般规定节流变压降式流量计所测的最大流量与最小流量之比为4∶1，也就是说只有负荷在25%以上时才能进行测量［4］。

这种方法原理简单，应用技术成熟，但由于蒸汽流量经常呈现出大幅度波动［5］，其温度、压力与流量计设计工况不同，导致密度不同引起测量误差［6］。通常测量系统带有温度、压力补偿，可以在一定程度上消除密度差异引起的误差，但由于补偿模型本身精度问题而存在一定的原理误差。而且其安装要求严格，维修工作量大。

3 流量软测量

流量软测量则是建立在数学模型的基础上，利用一些易于实时测量的、与被测变量密切相关的变量（二次变量），通过在线分析，来估计不可测或难测量变量的方法。由于计算机技术、虚拟仪器技术的发展，软测量的快速性和精确性得到了很大提高，可以作为新型环节，融入到在线检测和过程控制系统之中。因此，通过对压力、温度等参数在线测量，应用软测量技术对蒸汽系统瞬时流量进行在线估算，可以较好地解决瞬时流量测量不准确的问题。

3.1 测量原理

蒸汽流量软测量的基本原理是根据流量系数计算公式（膨胀系数法），已知调节阀各项参数及其前后压差、温度，反算出蒸汽流量。

由于可压缩流体—蒸汽，经过节流之后，体积膨胀，密度减小，而且在进口压力不变，阀门压差增加到一定程度时，通过节流孔后会达到临界状态，产生阻塞流，因此测量蒸汽流量时必须考虑这些因素的影响。调节阀流量系数计算公式是通过引入膨胀系数y，来校正从阀入口到阀后缩流处气体密度的变化；引入临界压差比系数XT而考虑了压力恢复，来修正不同阀结构造成的流量系数计算误差。理论上，y与节流口面积与入口面积之比、流路形状、压差比X、雷诺数、比热比系数FK有关，但由于介质的流速很高，在可压缩流体的情况下，由于紊流几乎始终存在，所以雷诺数的影响极小，可以忽略。膨胀系数法的计算精度较高而被IEC作为标准推荐使用［7］。因此，用此方法计算蒸汽流量也会取得较高的计算精度。

当X＜FKXT时，为非阻塞流情况，调节阀流量系数的计算公式

流量软测量的具体实施方法是：调节阀流量系数KV及临界压差比系数XT由厂家提供（或进行相应的阀门实验以获得更准确的数据），不同开度下的流量系数由调节阀流量特性及最大流量系数来确定；利用压力表测出调节阀前、后压力p1、p2；利用温度表测出调节阀前的温度T1，从而得出阀门压差Δp及流体密度ρ，判断是否出现阻塞流，利用式（2）或式（3）即可计算出流量值。

3.2 实例分析

为了检验蒸汽流量软测量方法的准确性，使用某试验场的试验数据进行验证。系统原理如图1，调节阀1和调节阀2相互配合以维持蒸汽总管压力的稳定。

图1 某试验场蒸汽系统原理图

除锅炉测点外，管路系统上的流量测点有3个，分别在蒸汽总管、支路1、支路2；压力测点有7个，分别在蒸汽总管闸阀前、调节阀1后、节流阀1前后、调节阀2后、节流阀2前后；温度测点有3个，蒸汽总管闸阀前、节流阀1后、节流阀2后。

2台锅炉额定产汽量为90 t／h，但2支路上的调节阀在调节过程中，蒸汽总管压力会波动，造成锅炉产汽量出现波动，最大流量为108.51 t／h。

根据节流阀1、节流阀2前后压力，总管温度，利用公式（2）即可计算得出两支管的蒸汽流量，与流量计测量的蒸汽流量对比，见表1。

表1 两种流量值对比t·h－1

从表1可以看出，调节阀1和调节阀2动作时，流量波动较大，实际流量测量值误差达10%，误差较大；软测量值在流量波动时的误差最大也不超过5%，完全可以满足测量和自动控制调节的要求。

使用该方法进行流量测量，其适用范围较宽，测量时对管道流动工况无特殊要求，这都是其它流量测量方法无法与之相比的；利用此方法进行流量软测量的前提是调节阀流量特性要首先确定，因其流量系数及流量特性的误差将会给软测量值的误差带来很大影响；用膨胀系数法进行流量测量在理论上是准确的，但也存在一定误差，其误差大小还取决于对二次变量p1、p2、T1的测量误差。

5 结 论

介绍了目前常用的蒸汽流量测量方法，对其测量原理、特点及测量误差进行了分析。针对测量误差较大的问题，提出了流量软测量方法，这种方法在流量测量的快速性和精确性方面有很大提高，可以较好地解决瞬时流量测量不准确的问题。而且这种测量方法比较简单，不需将专门的流量传感器插入管道中进行检测，而只需在调节阀前后加装相应的压力表和温度表即可，这就消除了因传感器而造成的局部阻力损失，并且不存在对传感器的维护检修问题。

［1］ 马龙博，张宏建，周洪亮，等.基于差压法的油水两相流的流量测量［J］.浙江大学学报（工学版），2007，41（2）：365－368.

［2］ 徐耀文.采用汽轮机第一压力级组压力与温度测量主蒸汽流量［J］.华东电力，1983，11（11）：14－19.

［3］ 刘禹林，迟新利.无节流元件主蒸汽流量测量［J］.东北电力技术.1997，（11）：62－63.

［4］ Chaibakhsh A，Ghaffari A.Steam turbine model［J］.SimulationModellingPracticeandTheory，2008，16（5）：1145－1162.

［5］ 赵晶晴，林中达.电厂主蒸汽流量测量与计算方法分析比较［J］.燃气轮机技术，2007，（4）：39－46.

［6］ 陆陪文.调节阀实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006：88－89.

A Practicable Method of Measurem ent for Steam Flow w ithout Restricting Element

SHEN Yong-feng1， WANG Xin2
（1.China Ship Development and Design Center，Wuhan，Hubei430064，China；
2.91439 Army，Dalian，Liaoning 116041，China）

The directmeasurementof steam flow is introduced，analysing the theory ofmeasurement，characteristic and themeasurement error.Depending on the frequently changed load mode，steam flow was often sharply fluctuated，which induced biggermeasurement error.So the indirect flow measurement was put forward，that is to say，steam flow was measured without restricting element.Steam flow was calculated in an actual system by using thismeasure.Comparing with the actual flow which was measured by flowmeter，the measurement error by flowmeter was bigger even to ten percent，however the indirectmeasurementwas just less than five percent，proving thismeasure was accurate.

Metrology；Steam flow；Throttle element；Softmeasurement；Control valve

TB937

A

1000-1158（2014）05-0455-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．10

2012-09-06；

2013-02-21

沈永凤（1984－），女，山东单县人，中国舰船研究设计中心工程师，硕士，主要从事舰船动力系统设计。beyond-shen＠163.com