关口蒸汽计量表的设计选型

杨卫东，纪波峰，纪纲

(1. 中国石油化工股份有限公司 齐鲁分公司，山东 淄博 255400；2. 上海同欣自动化仪表有限公司,上海 200070)

蒸汽是最重要的二次能源。在工业生产和人民生活等各个方面应用非常广泛。在蒸汽供热网中热源厂以蒸汽为热媒，依靠蒸汽自身的压力，经管道将热能输送到用户处，无需另增机泵，既环保又方便。在蒸汽供热网中，管网始端总是装有用以计量的蒸汽总表，该仪表是蒸汽供热网计量管理、生产调度管理、企业经营管理以及设备管理的基础，在供热网中具有十分重要的作用。

对于蒸汽流量测量系统的设计选型，自控设计人员一般都不陌生。这是因为蒸汽作为二次能源，不仅在供热行业，而且在石油、石化、化工、钢铁、电力、纺织、轻工等行业，使用得也非常普遍。但在为数众多的蒸汽流量计中，用作关口计量的蒸汽流量计，具有特殊的意义。作为关口计量使用的蒸汽流量计，除了必须具备普通蒸汽流量计的一般性能之外，还必须满足关口计量的特殊要求，这是由关口蒸汽流量测量系统的特殊性所决定的。

1 关口蒸汽流量测量系统的特殊性

关口蒸汽流量测量系统具有其固有的特殊性，如果不注意这些特殊性，将其视作普通流量测量系统，会对系统后期稳定运行产生影响。

1)管径大，成本高。关口蒸汽计量表一般管径都很大，仪表费用很高，占比整个热网成本的66%以上，对整个热网的经济效益及技术经济指标起着重要作用。因此，该仪表得到供需双方的特别关注。为了维护供需双方的利益，大多数关口蒸汽计量表都是供需双方各装一套，并在双方协议中确定以某一套计量结果作为结算依据，另一套作为监督手段。

2)流量测量准确度的要求。GB 17167—2006《能源计量器具配备和管理通则》规定了能源计量器具的准确度要求。对于蒸汽流量测量系统，要求准确度做到2.5级，其实这是最低要求。如果只能做到±2.5%的准确度，则无法满足供需双方计量要求。随着测量技术的发展，当前流量测量的准确度已大幅提高[1-2]。

3)介质压力和温度等级范围宽广。不同的用户对蒸汽的压力和温度等级的要求各不相同。一般情况下，压力等级有低压、中压、高压，温度范围在100～560 ℃。供方所供蒸汽的品质，最低压力不能低于需方所要求的最低压力，最低温度不能低于需方所要求的最低温度。

4)流量计的可靠性要求高。关口蒸汽计量表是蒸汽供热网中最重要的计量仪表，要求其具有高度的可靠性，否则会影响整个管网的计量。一旦发生故障要求做到不停汽修复，这是因为总表下游有众多的用户所对应的分表，一旦停汽必将对众多用户造成影响，带来一定的经济损失，严重的情况下甚至会引发事故。

5)流量计需经计量检定合格取得证书。关口蒸汽计量表绝大多数用于贸易交接计量，因此需按国家的相关规定实行计量检定，或供需双方约定进行计量校准。该仪表检定不仅要满足首检的需要，而且要满足周期检定的需要，只有检定(校准)合格才能用于贸易交接计量。

6)经济性原则。关口蒸汽计量表由于管径较大，所以投资相应较大。业主单位追求的首先是安全、准确、可靠和检定方便，在满足这些要求的基础上，再考虑经济问题。

2 关口蒸汽流量测量系统设计与选型

2.1 蒸汽流量计的一般选型

用于测量蒸汽质量流量的流量计有几十种，例如标准差压流量计、非标差压流量计、涡街流量计、均速管流量计、超声流量计、科氏力质量流量计等。每一种流量计都有其一定的优势，满足特定的测量需求，但同时也存在一定的局限性。因此在设计选型时，需要根据测量任务的需要和具体特点，选择最适合的流量计。

对于蒸汽贸易交接用途的流量计选型，在几十年的实践中，通常使用较广泛的是差压式流量计和涡街流量计，两种流量计在各种不同通径的蒸汽流量计量中，平分秋色，而且具有鲜明的行业特点。例如： 在石化行业和电力行业，普遍采用的是标准差压流量计，对于关口蒸汽计量表来说更是如此。

下面就以涡街流量计和差压流量计用作关口蒸汽计量的设计选型作一比较，以便针对计量对象的具体要求和实际条件做合理选型。

2.2 仪表范围度与准确度的关系

2.2.1 涡街流量计的范围度与准确度

涡街流量计具有范围度宽的特点。在用于测量蒸汽流量时，一些制造厂商宣传的范围度可以做到40倍，但对其所提供的资料进行具体分析时，也只有一部分中小通径的仪表，在流体压力较高时，理论范围度能够达到40倍[3-4]，而作为关口蒸汽计量使用的大通径仪表，范围度要小得多。例如DY300型DN300涡街流量计，在用来测量表压为p=1.0 MPa的饱和蒸汽时，理论范围度为24倍。不同通径的DY型涡街流量计，在不同压力条件下测量饱和蒸汽时的理论范围度见表1所列。

表1 不同通径的DY型涡街流量计在不同压力下测量饱和蒸汽时的理论范围度

流体理论范围度是指保证准确度的最高流速与最低流速之比。对于DY型仪表，制造厂商承诺的最高流体流速为80 m/s，对于范围度为24的规格，最低流体流速为3.33 m/s，当流体流速v<3.33 m/s 时，因为雷诺数太低而准确度不能保证，当v>80 m/s时，则因超流速引起的“漏脉冲”现象，将使仪表示值严重偏低[4]。

在设计选型中，还要注意能得到的实际范围度R与理论范围度的关系。如上所述，对于DY系列涡街流量计而言，理论范围度是以最高流速80 m/s为基础的，如果安装某台涡街流量计的具体测量点介质最高流速只有40 m/s，能获得的实际范围度则只有12。在蒸汽供热网的设计规范中，低压蒸汽管的推荐流速有： 公标直径大于DN200的管道过热蒸汽流速为80 m/s；公标直径大于DN200的管道饱和蒸汽流速为60 m/s。具体设计时，还需要考虑扩产等因素，实际选用的流速要比上述流速低一些，而且太高的流速在切断阀等管件处，将会产生很强的噪声，污染环境。

为了提高实际范围度，应改变根据管道通径选定涡街流量计的方法，采用最大流量选定涡街流量计的方法。

设计举例： 某DN400蒸汽总管，工艺设计参数为表压p=1.0 MPa，qmmax=90 t/h饱和蒸汽，根据制造厂产品样本数据选DY300型，保证准确度的流量范围： 4 012～97 367 kg/h[3]，实际范围度R=90 000÷4 012=22。但是如果选DY400型，因保证准确度的最小流量增大为8 002 kg/h，所以范围度降为11。

不同品牌的涡街流量计，其理论范围度各不相同[4]，有的品牌涡街流量计技术比较落后，测量管内流速大于40 m/s，示值就会因“漏脉冲”而严重偏低[4-5]，所以设计选型前应做充分的调查研究工作。

实践证明，对于理论范围度大的涡街流量计，按照最大流量选定仪表通径，一般可使仪表通径比管道通径小一档，这样，不仅可提高实际范围度，而且可以节省一笔可观的投资。

关于涡街流量计的准确度，横河公司的DY型涡街流量计，为液体、气体和蒸汽介质规定了不同的指标： 液体流量为±0.75%R，气体、蒸汽流量为±1.0%R(v≤35 m/s)，±1.5%R(v>35 m/s)。测量气体和蒸汽流量时能够得到的准确度要比测量液体时低一些，因为测量气体和蒸汽时，存在气体可膨胀性影响[6]，而测量液体时，由于液体是不可压缩流体，所以不存在气体膨胀性影响。

早期的涡街流量计，制造厂商均表示其流量系数不受流体的温度、压力、密度、黏度等物性的影响，只要雷诺数在规定的范围之内，用液体标定得到的流量系数完全适用于蒸汽。所以有的品牌的涡街流量计，只给出一个准确度指标，例如±1.0%R，有的甚至是±0.5%R，而实际上测量气体和蒸汽时是做不到的，因此在设计选型时应当注意。

在以涡街流量计为核心组成的蒸汽流量测量系统中，还需配置蒸汽密度测量手段和流量演算器，该系统的组成如图1所示，这几个部分组成大约引入0.3%的不确定度。

图1 蒸汽流量测量系统组成示意

2.2.2 差压流量计的范围度与准确度

差压流量计由差压装置、差压变送器、流量演算器和其他辅助装置组成，ISO 5167标准中所列的标准差压装置包括： 标准孔板； 喷嘴，包括ISA1932喷嘴和长径喷嘴；文丘里管。

这几种差压装置各有优点，在关口蒸汽流量测量中都是不可或缺的。其中，标准孔板的不确定度最优，可达0.5%；ISA1932喷嘴不确定度可达0.8%；长径喷嘴不确定度为2.0%；而文丘里管随收缩段加工方法的不同，不确定度有0.75%，1.0%和1.5%三种[7-8]。

用标准差压流量计测量蒸汽质量流量时，该测量系统不确定度δqm/qm不仅取决于差压装置不确定度，还与可膨胀性系数不确定度、管道内径不确定度、节流件开孔直径不确定度、差压测量不确定度和流体密度不确定度有关。6个不确定度，对δqm/qm所起作用的大小各不相同，而且在量程的不同区间，起决定作用的因子也不相同。在上述3种差压装置中，标准孔板流量计能得到的不确定度最小。图2所示为单量程标准孔板流量计测量气体流量，相对流量在不同的区段能获得的不确定度曲线[9]。其中在量程高段，起决定作用的是差压装置。目前的差压测量仪表，准确度已经非常高，使用者普遍选用0.055级差压变送器，在量程高段，差压不确定度可忽略不计；但是在量程低段，由于相对差压很小，而差压变送器的准确度等级是采用引用误差表示的，这时虽然差压变送器仍然是0.055级，但是根据引用误差计算得到的不确定度却增加了很多倍，所以对δqm/qm起决定作用的是差压不确定度。图3所示为双量程标准孔板流量计测量气体流量的不确定度曲线[9]。

图2 单量程孔板流量计不确定度曲线示意

从图2可知，智能单量程标准孔板流量计，在10倍范围度范围内，δqm/qm优于1.0%。从图3可知，智能双量程标准孔板流量计，在33倍范围度范围内，δqm/qm优于1.0%[9]。

图3 双量程标准孔板流量计不确定度曲线示意

喷嘴流量计和文丘里管流量计，由于差压装置不确定度都比标准孔板大，所以δqm/qm均劣于1.0%。由于该原因，凡是采用标准孔板不存在明显问题的测量点，建议均采用标准孔板，该测量方案不但准确度高而且节省投资。

2.3 流量计温度压力等级的设计

流量计的温度压力等级设计，是流量测量系统设计的重要内容。如果选定的温度等级偏低，则易造成仪表的损坏；如果压力等级选择不合适，则易带来安全隐患。与之相反，如果温度压力等级选得太高，则导致投资增加，造成浪费。

各种品牌的涡街流量计，制造厂商一般都能提供4 MPa和6.3 MPa压力等级产品，满足中低压蒸汽流量测量的需要。在设计选型时应根据法兰的材质和介质的最高温度，按照GB/T 9124—2010《钢制管法兰技术条件》的规定核验具体可用压力，该压力必须高于介质的最高压力。例如材质为316 L的PN6.3法兰，介质温度为350 ℃，最高工作压力只能达到3.91 MPa[10]。如果制造厂商提供的标配压力等级不能满足使用要求，则可与制造厂商协商，作特殊规格定货。如果制造厂商经过努力还是满足不了要求，只能改选其他品牌或其他类型的仪表。

涡街流量计的温度等级也很有讲究。例如一体式涡街流量计最高适用温度为150 ℃；分体式涡街流量计最高适用温度为260 ℃；高于260 ℃的对象只能选用高温型涡街流量计，而高温型的最高温度，不同品牌也有很大差异。

标准差压装置的种类多，能满足各种温度压力等级的要求。中低压测量对象，大多选标准孔板，安装时，有时为了减少泄漏点，采用焊接方法连接；对于高温高压对象，往往选长径喷嘴或文丘里管。除了差压装置类型之外，更重要的是选择合适的材质、法兰型式以及密封垫类型。常用的耐热钢有15CrMo，12CrMoV，超高温的可采用P91材质等，需与制造厂商协商并签订技术协议。对于高温高压差压装置，还要履行国家安监部门逐台监检和认可的手续，以保证安全。

2.4 关口蒸汽计量表的可靠性设计

由于关口蒸汽计量表要求不停汽修复，为了满足该要求，在设计时必须有切实可行而且有效的措施，例如多数品牌涡街流量计的探头都是设置在测量管内，而探头又容易损坏，一旦损坏就须停汽才能更换；有些品牌的涡街流量计，旋涡发生体是采用旋臂梁结构安装在测量管内，其自由端与支座之间的缝隙一旦有固体颗粒进入，就因自由端无法摆动而导致灵敏度丧失，也必须停汽才能清除固体颗粒或更换发生体。因此，制造厂商也需要反复分析研究才能找到合适的解决方案。例如： 科隆公司采用双测量系统冗余方法，当在役系统故障后，备用系统自动切入，所以可靠性大幅提高；还有的制造厂商将探头设置在测量管壳体外壁，做到完全不停汽更换探头。

在不停汽修复方面，标准差压流量计具有绝对优势。因为该类仪表只有差压装置与介质接触，差压装置与后续仪表之间经根部阀连接，只要将根部阀关闭，便可对后续仪表进行维修或更换，而管道内的节流件不会损坏，因此，可靠性非常高。

在差压流量计使用现场，有时会发生根部阀堵塞等故障，影响测量，解决该问题的常用方法是设置两组差压信号取压口，一旦一组出问题，则可换用另一组取压口。

2.5 计量检定的方法比较

在实现计量检定的方法上，标准差压流量计具有显著优势。因为该流量计只要按ISO 5167： 2003Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull(E)，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》标准设计、制造、检验、安装和使用，无需实流标定就能保证准确度[7-11]。而涡街流量计必须经过实流检定才能保证准确度。标准差压流量计免除了实流检定工作，为用户带来了两方面的好处： 一是节约开支，关口表一般通径都比较大，实流检定需要费用较高；二是带来了方便，有些计量检定机构可以提供上门服务，申请周期检定的单位，在约定的日期将差压装置拆下清洗，然后请检定人员检定，检定完后一般当天就可装回原处，因此节约了人工和成本。

2.6 流量计公称通径的设计

涡街流量计的最大通径，国外品牌为DN400，是因为通径太大时，分辨力太低。标准差压流量计具有宽广的通径范围可供选用，其中： 标准孔板为DN50～DN1 000；ISA1932喷嘴为DN50～DN500；长径喷嘴为DN50～DN630；文丘里管为DN50～DN1 200。如果超出上述范围，可以制造，但需经实流标定才能保证准确度。

2.7 经济性的差异

通径较小的涡街流量计，价格比标准差压流量计低一些。但随着公称通径的增大，涡街流量计价格快速增加，尤其是介质温度高于260 ℃后，涡街流量计需选用高温型，整套流量计的价格要比标准差压流量计高得多。

2.8 差压流量计差压信号管引向问题

差压式流量计用来测量蒸汽流量时，差压信号的引向对保证流量测量准确度至关重要，因为不合理的引向容易引起差压信号传递失真，最终引起很大的示值误差[4]。

蒸汽管道有水平敷设和垂直敷设两种，当采用水平敷设时，差压信号管应从水平方向引出[8]。在使用现场有的差压信号从水平线向上45°方向引出，导致发生很多问题[4]。图4所示为BS ISO 2186： 2007Fluidflowinclosedconduits-connectionsforpressuresignaltransmissionsbetweenprimaryandsecondaryelements推荐的引出方向[12]。从图4可看出，2台根部阀的手柄均放置在水平方向，这样的设计对消除冷凝罐前导压管内由汽液交换引起的差压值脉动有重要作用。

图4 BS ISO2186： 2007 标准推荐的差压信号引出方位示意

3 结束语

关口蒸汽计量是蒸汽供热网计量管理、生产调度管理、经营管理以及设备管理的技术基础，在蒸汽供热网中具有非常重要的作用。关口蒸汽计量表绝大多数选用差压式流量计和涡街流量计。涡街流量计具有范围度宽的优点，关口蒸汽流量测量系统中使用涡街流量计，大多通径较大，测量中低压蒸汽流量时，如果设计合理，实际范围度一般可达20倍，流量系统不确定度可达1.3%(v≤35 m/s)～1.8%(v>35 m/s)。

智能化标准孔板流量计，单量程配置范围度可达10倍；双量程配置，范围度可达33倍。流量系数不确定度可达1.0%，标准喷嘴和文丘里管，系统不确定度要大一些。

蒸汽的温度压力等级有好几档，对于流量计选型时，必须全部满足要求，其中法兰的压力等级初步选定之后，应根据法兰材质和介质的最高温度，按国家标准核验具体可用工作压力，该压力必须高于介质的最高压力。

关口蒸汽计量要求具有高可靠性。安装在蒸汽管道上的流量计一旦发生故障，要求做到不停汽维修。选用双探头涡街流量计和为差压装置配备2对差压信号取压口，都是很成功的经验。标准差压装置可采用几何法进行检定，不仅可节约开支而且为用户带来很多方便。