一体化喷嘴在蒸汽计量中的应用

王鑫民

(中国石化股份有限公司 天津分公司 炼油部，天津 300271)

节流式流量计技术成熟，在蒸汽计量中占有重要的地位。特别是标准节流装置按标准GB/T 2624—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》[1],ISO 5167—2003MeasurementofFluidFlowbyMeansofPressureDifferentialDevicesInsertedinCircularCross-sectionConduitsRunningFull[2]设计、制造，无须实流标定，是其他流量计无法比拟的。目前，蒸汽流量测量主要采用传统的标准节流装置，但是孔板流量计在蒸汽测量方面还存在很多不足，主要体现在测量范围小，压损大，现场安装、维护复杂，检定周期短等方面。一体化喷嘴蒸汽流量计采用喷嘴与差压变送器一体安装，还配备防冻式隔离器，解决了仪表冬季可靠运行的难题，与流量计算机构成了完整的高精度免维护蒸汽流量计量系统。本文对蒸汽流量计量系统的一些难点问题以及一体化喷嘴蒸汽计量系统进行分析介绍。

1 蒸汽流量计量高精度补偿

1.1 关于宽量程的问题

虽然引起孔板流量计的误差因素很多，诸如直管段、安装条件等，但是都可通过设计与施工予以保证。一般仪表的准确度均由测量范围内的相对误差表示，当测量值越接近满度值，其准确度越高。但在蒸汽输送过程中，实际的流量范围往往无法准确确定。在热负荷变化大的情况下，流量计长时间在测量范围以外工作，进而造成很大的测量误差。因此，在设计蒸汽流量计量系统时，应考虑使用具有宽量程补偿运算功能的计量系统。节流件流出系数C、可膨胀性系数ε等中间参数的实时计算是解决宽量程问题的关键。

节流式流量计流量计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：qV—体积流量，m3/s；C——流出系数；ε——可膨胀性系数；d——节流件开孔直径，m；D——管道内径，m；β——直径比，β=d/D；ρ——被测流体密度，kg/m3；Δp——差压，Pa。

根据文献[1]，C的计算公式如式(2)所示：

C=0.5961+0.0261β2-0.216β8+

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

式中：Re——雷诺数。

ε的计算式如式(3)所示：

(3)

式中：κ——等熵指数；p1，p2——分别为节流件前后的压力，Pa。

传统的节流式流量计将C和ε视为定值(C和ε由专门的节流装置设计计算软件计算得到)，输入现场的流量积算仪。孔板的C-Re曲线如图1所示。

由式(2)可知C的计算很复杂。相关标准提供了计算C的迭代方法，所以流量积算仪表必须具有高速、高精度的运算功能和较大的存储空间，以完成这些复杂的中间参数的补偿运算。

智能化宽量程的差压变送器和补偿功能更为完善的流量计算机使宽量程的智能化节流式流量计成为可能。它应具备3个条件： 智能化的宽量程差压变送器(差压范围为100∶1)；差压变送器与流量计算机之间的数字通信(HART协议)不仅能满足全量程差压信号传递的准确性，而且能够自动迁移测量范围；流量计算机不仅可根据温度、压力等参数对工况流量进行修正，还可以实时计数C，ε等。符合上述条件的宽量程智能化差压式流量计，在满足准确度的同时，流量测量范围可真正达到10∶1或更宽。

1.2 关于蒸汽密度问题

由于对蒸汽性质的复杂程度了解不够，针对蒸汽的流量测量在整个测量系统中，往往只重视差压、温度、压力信号的准确与否，并尽量使用高精度的变送器，而忽略了密度在测量中的重要性。目前有相当数量的流量类二次显示仪表(系统)中蒸汽流量密度的计算，采用的是简单的数学表达式或查表法，其准确度往往不能满足要求。和一般通用气体相比，在水蒸气流量计算时存在3个难点：

1) 密度的确定。水蒸气应视为实际气体，其物理性质较理想气体要复杂的多，故不能用简单的数学式加以描述。因此，在以往的工程计算中，凡涉及水蒸气的状态参数值，大部分从水蒸气参数表中查出。把水蒸气参数表输入仪表中，数据量很大。

2) 蒸汽在应用过程中会由于参数的变化发生状态变化，如过热蒸汽与饱和蒸汽的相互转换。因此，必须先判断蒸汽的状态，再通过不同的数表或公式计算得出密度值。

3) 湿饱和蒸汽中含有饱和水，是两相流，要准确测量蒸汽流量还必须确定干度。而干度测量难度很大，国外已有一些研究成果，但未见普遍推广应用，国内目前仍处于研究阶段。

通常有查表法和计算法2种水蒸气密度的确定方法。查表法： 把水蒸气密度表输入计算机中，根据工况的温度、压力，从表中查出相应的密度值。计算法： 自己拟合公式，或者参照其他公式；乌卡诺维奇公式；IFC1967公式。

中国没有制订“水蒸气热力学性质表”的国家标准，而是采用国外的水蒸气热力学性质表。中国曾翻译过美国、前苏联、西德的水蒸气热力学性质表，近年来逐步统一到IFC1967公式的数表。因此，在流量测量中使用的仪表应该按照IFC1967公式进行实时的密度计算才是最理想和准确的方法。目前中国JJG 1003—2005《流量积算仪检定规程》[3]已引用了该公式。

文献[3]的一个重要特点是把流量积算仪表与流量变送器、被测流体紧密结合在一起，检定的理论值完全按有关国家标准给出的数学模型计算得到。由于涉及的流量变送器种类、被测流体的类型较多，计算公式各异且相当复杂。因此，中国计量科学研究院和北京博思达新世纪测控技术有限公司联合开发了FIMJ-01-WIN版流量积算仪检定软件以满足用户对流量积算仪(含流量计算机,DCS,PLC数据采集系统等)型式检定、出厂检定、周期检定以及对在线仪表进行现场检定的需要。

2 一体化喷嘴蒸汽流量计量仪表配置方案

一套合理、先进的蒸汽计量系统应该具有以下特征： 现场仪表符合准确度要求,免维护,故障率低,稳定性好,检定周期长；补偿功能完善且补偿的算法符合相关标准；具有较宽的测量范围；具有历史数据存储、事件报警等管理功能；便于实现网络化；具有能量计量的功能。

2.1 一次仪表配置方案

本文推荐的蒸汽流量计量一次仪表是一体化喷嘴流量计，并配套温度、压力变送器进行温度、压力补偿。

目前国内90%以上的蒸汽计量用表仍采用标准孔板节流装置。标准孔板的主要缺点是入口直角锐利度在流体冲刷下易发生钝化。国内有关部门曾对新装孔板进行跟踪校验，在孔板连续使用2～3月时，钝化引起流出系数偏度在1%～3%，个别严重的在4%以上，这已引起了人们的高度重视。目前，解决标准孔板钝化问题的最好方法是采用标准喷嘴，喷嘴的入口为光滑曲面，不易磨损。其流出系数非常稳定，所以JJG 640—1994《差压式流量计检定规程》[4]规定ISA1932喷嘴的检定周期为4a(孔板检定周期是1a)。另外，喷嘴在相同流量和相同β值条件下，阻力损失比孔板小得多，仅为孔板的50%～60%，有利于降低能耗。长期运行情况表明，由于喷嘴在结构上的优势具有耐冲击抗变形的优点，适应于高温、高压、高流速介质。

另外，节流式流量计的系统构成比较复杂，有较长的引压管，容易阻塞，冬季运行还需对引压管、冷凝系统进行保温、伴热，稍有不慎便造成故障。一体化喷嘴是将节流件和差压变送器制作成一体，并装有防冻隔离器，不仅缩短了引压管线，还省去了冷凝和排污系统，使系统构成简单，无需保温供热，在减少维护量的同时，也节省了能源。

一体化喷嘴的特点： 采用标准节流件，测量准确度有依据；采用防冻隔离技术，冬季运行无须伴热，维护量少；喷嘴节流件阻力损失小(同样流量下阻力损失为相同β值孔板的60%左右)；不存在孔口钝化的问题，耐冲击不易变形，系数稳定，检定周期长(4a)；配置智能型差压变送器，流量测量范围度可达10∶1或更宽；安装简便。

2.2 二次仪表配置方案

蒸汽流量计量二次仪表推荐采用流量计算机类产品，具有以下优点：

1) 依据有关国际标准、国家与行业标准，针对不同介质和流量计类型建立了多种数学模型和相应计算软件，可计算蒸汽质量流量和体积流量。

2) 对节流式流量计的C，ε等参数进行实时逐点运算以实现宽量程。

3) 具有历史数据存储、报警记录、仪表断电、修改参数设置等审计记录功能，即使网络系统发生故障，流量计量数据也不会丢失。

4) 具有强大的通信功能，对现场仪表除可适配4～20mA信号、脉冲信号外，还可以适配HART，Modbus等数字信号；对上位机可采用包括程控电话网、以太网等。

3 结束语

由一体化喷嘴流量计和流量计算机构成的蒸汽计量系统，克服了传统孔板流量计量程小、阻力损失大、容易变形、检定周期短、系统安装和维护复杂等缺点。实践表明该方案在蒸汽流量计量方面已日趋成熟，并已在石化、化工、冶金以及城市供热等行业中得到了广泛应用，在蒸汽流量计量方面做了有益的探索。

参考文献：

[1] 李明华，彭淑琴，龙竹霖，等.GB/T 2624—2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量[S].北京： 中国标准出版社，2006.

[2] 国际标准化组织.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] 孔庆彦，朱永宏，崔耀华，等.JJG 1003—2005流量积算仪检定规程[S].北京: 中国计量出版社，2005.

[4] 翟秀贞，谢纪绩，杨希文，等.JJG 640—1994差压式流量计检定规程[S].北京: 中国计量出版社，1994.