蒸汽流量测量的比较与分析

刘　欣

东华工程科技股份有限公司　合肥　230024



蒸汽流量测量的比较与分析

刘欣*

东华工程科技股份有限公司合肥230024

本文结合差压式流量计和涡街流量计的原理，对节流装置、巴类流量元件和涡街流量计测量蒸汽流量的主要影响因素进行分析，并根据几种不同仪表的特点，分别就选型、安装、经济效益等方面进行分析，并总结几种测量仪表的优点与不足。

蒸汽节流装置巴类流量元件涡街流量计

蒸汽是使用最广泛的载热工质，是重要的二次能源，蒸汽流量的测量对加强管理、公平贸易、节约能源、提高经济效益等方面都有重要意义。蒸汽流量测量方法按工作原理，可分为直接式和推导式两大类。现在广泛使用的蒸汽流量计为推导式，包括节流装置、巴类流量元件及涡街流量计等，这些测量方法有各自的优缺点，适用于不同场合。

1　节流装置

节流式差压流量元件是一种历史悠久、用量最大的流量计。节流式差压流量计依据流体流过节流装置，使部分压力能转变为动能产生差压的原理来工作。节流装置分为标准型和非标准型两大类。标准型节流元件按照GB/T 2624设计、制造、安装和使用，无需实流校准。节流式差压流量计可测量所有单向流，包括液、气、蒸汽等。标准节流装置世界通用，并得到国际计量组织的认可。

节流装置见图1。当流体通过标准节流装置时，在I-I截面前，流体未受节流件的影响，管道内流速分布均匀。管道轴心处和管壁处的静压相等。I-I截面后(约0.5D～2D)，流体开始受节流件影响，靠近管壁处的流体向中心加速，平均流速逐渐升高，直至Ⅱ-Ⅱ截面，流束收缩到最小，平均流速达到最大值。自Ⅱ-Ⅱ截面后，流束开始膨胀，直至Ⅲ-Ⅲ截面，又恢复到I-I截面前的情况，此时平均流速逐渐降低，与平均流速相对应的静压也由低到高再恢复到低值。流体在节流件前、后的管壁附近形成涡流，涡流即有横向脉动，还有逆向运动，孔板或喷嘴的压力损失高，就是因为涡流能量耗散造成的。

图1　节流装置原理

根据不可压缩流体的伯努利方程：

(1)

式中，Z、p/ρ、Kv2/2分别表示单位质量流体在过流断面上的位能、压力能和动能的平均值。εv2/2表示单位质量流体的平均能量损失。

推导出不可压缩流体的流量方程式：

(2)

可压缩流体在流动过程中流体密度不能视为常数，需采用热力学过程的绝热过程方程式 ，ε为可膨胀系数。

(3)

(4)

(5)

按照GB/T2624 ，流出系数C的定义式为：

(6)

(7)

在一定的安装条件下给定的节流装置，该C值仅与雷诺数有关，即C=f(ReD,节流件类型，D，β)。由此，可以算出流出系数，进而得到节流装置的选型计算。

流出系数与雷诺数的关系见图2。低雷诺数区域属于层流区，流体绕过限流孔后不会形成喷射现象，流出系数随雷诺数增高而增大；中雷诺数区域内流动从层流发展到紊流，流出系数随雷诺数增高而增大的速度缓慢。对于孔板，由于惯性作用加强，孔口处开始形成喷射，流束在孔口外产生缩流，因此C值下降；在高雷诺数区域，C值都趋于稳定，对于孔板，β值越高，趋于稳定时的雷诺数就越高。

图2　流出系数与雷诺数的关系

2　巴类流量元件

巴类流量元件是一种新型的差压式流量元件，采用差压式的工作原理，插入式的安装方法。其通过一根直径为十几毫米的探头取压，探头前后有二排不均匀分布的、若干个几毫米的引压孔。通过这两排孔将管道从上到下的不同压力在孔内取平均以构成差压。巴类流量元件精度高，压损小，对探头磨损小，在安装合适的情况下，可以长期保持高精度。

巴类流量元件质量流量的计算公式：

(8)

阻断系数ζ只与探头结构有关。对于不可压缩介质，由于压损不会影响密度的变化，膨胀系数ε为1。对于可压缩的介质，随着管道内压力损失增加和管道内静压的减小，膨胀系数ε从1开始，按照比例下降。

(9)

当前工况的膨胀系数εD。

(10)

式中，pD为设计压力，pB为工况压力，εB为设计膨胀系数，dpD为设计差压，当前工况密度为ρB。若介质的实际工作状态与设计状态相近，使用理想气体方程可以得到足够精度的结果：

(11)

3　涡街流量计

涡街流量计根据卡门(Karman)涡街原理研究生产，涡街流量计压损小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，无可动机械零件，维护量小。涡街流量计在流体中设置三角柱型旋涡发生体，流体在管道中经过涡街流量计时，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：

(12)

式中，f为旋涡的释放频率；v为流过旋涡发生体的流体平均速度；d为旋涡发生体特征宽度；St为斯特劳哈尔数，范围为0.14～0.27，是雷诺数的函数。

(13)

当雷诺数Re在 102～105时 范围内，St值约为0.2。在测量中，需满足流体的雷诺数在102～105，此时旋涡频率：

(14)

由此，通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度v，再由式q=vA,可以求出流量q，其中A为流体流过旋涡发生体的截面积。

4　三种流量计比较

4.1选型比较

标准节流装置只有在满足以下条件下，流量系数才与规范中提供的数据相符：① 被测介质应充满全部管道截面连续地流动；② 管道内的流速(流动状态)应是稳定的；③ 被测介质在通过节流装置时，应不发生相变；④ 节流装置前后有足够长度的直管段。

巴类流量元件运用广泛，可以测量干燥气体、潮湿气体、液体或蒸汽的介质，不受介电常数的影响，适用通径广。一般用于大口径管道上蒸汽流量测量。

涡街流量计可以在测量介质流速0.5～12m/s范围内选用。涡街流量计的口径不一定与工艺管道相同，选型时考虑测量流量范围是否在流速范围内，当管道流速偏低，需缩小仪表口径，提高流速，从而得到满意的测量结果。

4.2安装比较

节流装置和巴类流量元件都需要与差压显示仪表连接，测量蒸汽时都采用伴热保温来应对蒸汽冬季凝结的情况，见图3、图4。节流装置的现场安装条件要求较高，需较长的直管段，一般为前20D，后15D。巴类流量元件的前后直管段要求相对短一些，一般为前7D，后3D。节流装置或巴类流量元件与差压显示仪表之间引压管线亦为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞及冻结、信号失真等故障。

图3　节流装置或巴类流量元件安装

图4　节流装置或巴类流量元件伴热安装

巴类流量元件安装工作量小。该探头采用的是插入式的工作方式，安装方便、简单。安装的时候只要在现场直接开孔焊接即可，见图5。

图5　巴类流量元件安装

涡街流量计结构简单、安装维护方便、无需导压管和三阀组，减少了泄漏、堵塞和冻结等。但是，涡街流量计对管道机械振动敏感，不宜用于强振动的场所。涡街流量计的前后直管段要求前15D，后10D，通常用于管径在300mm以下的工况，见图6。

图6　涡街流量计安装

4.3经济性比较

节流式差压流量计中的标准孔板结构易于复制，性能可靠，价格低廉，无需实流校准就能够使用；其测量精确度在流量计中属于中等水平。由于很多因素影响错综复杂，精确度难以提高；测量范围窄，差压信号与流量为平方关系，量程比仅为3:1～4:1；孔板或喷嘴的压损较大，能耗高。

巴类流量元件压损较孔板大幅减少，只有孔板的5%～10%，减小了系统的运营成本。由于压差小，则对应的差压变送器选择要求提高，相应增大了差压变送器的采购成本。

涡街流量计压损小，约为节流式元件的1/4，其仪表购置费用高，安装费用和运行费用较低。

4.4精度与小流量切除性能比较

满足规范GB/T2426生产的节流式差压流量计的精度在±0.55%左右；巴类流量元件的精度与前后直管段有关，当前直管段长度为14D，后直管段长度为3D时，精度可以达到±0.5%，当前直管段为7D，后直管段为3D时，精度可以达到±1%；而涡街流量计的精度在±1.0%，对于内缩径型的涡街流量计，其精度在±1.35%左右。

当某测点由开车工况变化至正常工况时，其测点往往流量值逐步由小流量递增至正常流量。当工况流量低于三种仪表可以测量的范围内，会出现测量不准确的现象。对于节流装置，当雷诺数小于5000时，精度就会远超0.55%；巴类流量元件对雷诺数的要求不高，在保证满管的情况下，若雷诺数低，巴类流量元件的输出差压会偏小，影响差压变送器的测量精度；涡街流量计的最小雷诺数极限为10000。

4.5案例比较

针对某精馏工段换热器的蒸汽流量测量，本文做了计算对比：

该位置点管道压力等级为150#，管径250mm，蒸汽操作压力为0.4MPa，操作温度为151℃，蒸汽流量为4000kg/h，允许压损为20kPa。

节流装置经过选型计算，采用满刻度压差10kPa，正常差压为5kPa，开孔直径比为0.44，最大压损为7.9kPa。一整套节流装置的采购安装费用大致在2.5万元左右。

巴类流量元件经计算，其满刻度差压为0.3kPa，正常差压为0.18kPa，最大压损为0.02kPa。其采购安装费用大致在4.2万元左右。

该处非振动管道，因此可以采用涡街流量计。涡街流量计经过计算，选用缩径为150mm管径的法兰式流量计，其最大压损为2.9kPa。其采购安装费用大致在5万元左右。

通过比较，可得结论：① 节流装置压损最大，巴类流量元件压损最小。考虑长期运行能耗，巴类流量元件经济性最好，涡街次之；② 节流装置选用差压变送器可采用普通量程范围型，巴类流量元件选用差压变送器需采用微小差压测量型变送器；③ 当该测点由开车工况变化至正常工况时，流量高于51.57kg/h，节流式差压流量元件才能确保应有的精度；流量高于802kg/h，涡街流量计可以达到应有的精度；流量高于1500kg/h，巴类流量元件输出能达到高精度差压变送器的精度下限值；④ 若考虑总承包采购成本的限制，可选用节流装置测量蒸汽流量。若考虑综合采购及运行成本，包括长期运行蒸汽压力损失成本和冬季保温伴热蒸汽成本，可选用涡街流量计。若遇到蒸汽管线口径增大至300mm以上，可考虑采用巴类流量元件，此时巴类流量元件的采购成本将比其余两种流量计低得多。

5　结语

蒸汽流量仪表的选用非常重要，准确测量蒸汽流量是生产部门的需要。随着经济的发展，提高测量水平的呼声越来越高。在实际选用中，设计人员需根据蒸汽的性质和工况精度的要求、成本核算等条件来选择适合的蒸汽仪表。节流装置、巴类流量元件和涡街流量计各有利弊，需要充分考虑工艺、环境要求，合理地选择流量计，才能保证蒸汽计量的准确性。

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*刘欣：助理工程师。毕业于上海交通大学控制理论和控制专业获硕士学位。研究方向：自动化与仪器仪表。

联系电话：18297901390，E-mai:liuxin@chinaecec.com。

2016-03-18)