一种蒸汽流量计在线比对方法

顾林

关键词： 插入式涡街质量流量计 在线比对 高温高压介质 节能降耗

中图分类号： TE967 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0080-05

目前流量计在线比对多采用便携式超声波流量计现场比对，可测量生产水、生活水、污水、气体等介质，但这一方法不适用测量蒸汽这种高温高压介质的流量计[1]。

蒸汽作为重要的能源介质，企业很难单独为流量计检定而停车，实际情况多为大修期才有可能完成此项工作，受检修期限和检定时效的束缚，即使大修期有时也无法完成蒸汽计量仪表检定工作，导致蒸汽流量计的送检率一直较低。因此，急需一种蒸汽流量计在线比对方法，在不需要蒸汽管道停运放空的条件下，完成蒸汽流量计的现场在线比对。

1 现有流量计在线比对方法介绍

现有液体流量计的校准方法主要有容积法、质量法、标准体积管法和标准流量计比较法。气体流量计的校准方法主要有音速喷嘴法、伺服式标准流量计比较法和钟罩法[2]。

实际工作中，多为用经过检定合格的便携式超声波流量计（标准表）与现场流量计进行串联，记录标准表和现场流量计的瞬时流量、累计流量，从而进行在线比对校准[3]，具体见图1。常见介质为生产水、生活水、循环水、污水、压缩空气等。

2 蒸汽流量计比对问题提出

某新材料科技园蒸汽按质量进行贸易核算，计量器具常见配备方式为体积流量测量、压力测量、温度测量和流量累积。计量器具检定工作只有在蒸汽管道停运状态，才可能完成流量计送检。管道停运、冷却、拆除流量计、送检、检定、回装需要3～10 个工作日（检定时间不可控）。在实际工作中，计量器具送检工作周期和生产装置大修期经常无法合理衔接。计量器具配备情况如下[4]。

2.1 利用涡街流量计测量体积流量（口径低于DN300）

涡街流量计测量体积流量，压变和铂电阻测量介质压力和温度，流量、压力和温度信号接入流量积算仪，流量积算仪进行温压补偿转换为质量流量。

2.2 利用差压流量计测量体积流量（口径大于DN300）

差压流量计测量体积流量，压变和铂电阻测量介质压力和温度，流量、压力和温度信号接入流量积算仪，流量积算仪进行温压补偿转换为质量流量。常用差压流量计有阿牛巴、德尔塔巴、槽道式等。阿牛巴流量计也可配多参量变送器，无须配备温压测点和积算仪。

检定工作问题汇总如表1 所示。

3 在线比对建议性方法

因为蒸汽介质具有高温高压的特点，利用便携式超声波流量计进行现场比对目前没有办法实施，但对于蒸汽介质这种特殊介质，计量器具的在线比对既可以完成计量器具的校准工作，又不影响企业装置的正常生产运行，某种程度上也避免了能源损耗（蒸汽管道需要放空）。

建议利用一种多参量插入式流量计，对现场蒸汽仪表进行在线比对，该流量计可在线插拔，自带温压检测元件，实时显示瞬时流量、压力、温度和累积量。比对示意图见图2。

此方法不仅可对体积流量和累积量进行在线比对，压力、温度和质量流量也可以进行在线对比。

3.1 实现在线比对的条件

具体条件如下：（1）具有高性能、高精度、方便現场拆装的标准表；（2）具备不停气密封插拔技术；（3）具备不停气安装和开孔技术。

3.2 多参量插入式流量计

某多参量插入式流量计是20 世纪90 年代末研发的一款产品，它改变了流量测量的方式，是工业领域的第一台多变量涡街质量流量计，是精确测量气体、蒸汽与大多数液体的一个高性能、高经济效益的解决方案。该流量计可提供5 种过程变量输出的涡街流量计：质量流量、体积流量、温度、压力、流体密度，不仅降低了初始成本、安装成本、仪表使用周期内的其他成本花费，多变量质量流量监测方法还简化了过程侧流体的测量，如图3 传感器构造图所示，通过一个安装孔就可以测量流体的流速、温度、压力和密度。设备智能模块扩大了测量范围：雷诺数可低至5 000，量程比为30∶1，体积流量测量精度可达±1%，温度范围为-200～454 ℃，测量压力达到345 barg。该产品有中华人民共和国计量器具型式批准证书（CPA），支持第三方计量院所（机构）送检，内置AGA-8 天然气测量、支持HART、Modbus和BACnet的数字通信协议、FMC和ATEX认证，是理想的蒸汽测量产品。

3.2.1 传感器构造

插入式多参数涡街质量流量计原理主要是采用独特的传感器，如图3 所示，通过直接测量3 个参数：流速、温度和压力，监测质量、流量。内置流量模块根据前述3 个直接测量值计算质量流量和体积流量。流速、温度和压力传感器位于涡街流量计的本体内。流量计流路中配有一个非流线形体（脱落杆），通过测量由脱落杆产生的涡街频率来测量流速；温度由铂电阻检温器（PRTD）测量；压力由固态压力传感器测量。上述3 个元件构成一个完整的传感头组件，安装于流量计流体中的脱落杆下游。

3.2.2 流速测量

流速测量根据著名的冯卡曼涡街脱落现象实现。涡街从脱落杆脱落，位于脱落杆下游的涡街速度传感器探测涡街通过。该流速测量方法具有多种优点，包括固有线性、高量程比、可靠和简单操作。

冯卡曼涡街在脱落杆下游产生，并形成截然不同的两部分，一部分沿顺时针旋转，另一部分则沿逆时针旋转，且一次只产生一个涡街，在脱落杆左侧和右侧交替出现。涡街通过控制旁边其他即将形成的漩涡与其周围区域相互配合。在脱落杆附近，涡街之间的距离（或波长）通常为常数，可测量。因此，每个涡街包围的体积保持恒定，如图4 所示，利用流速传感器探测通过的涡街数量，即可计算总体积流量。

流速传感器配有一个检测涡街频率的压电元件。该元件测量涡街脱落杆下游的冯卡曼涡街产生的交互提升力。该压电元件产生的交互电荷经变送器的电子电路处理，即可测得涡街脱落频率。该压电元件敏感度极高，适用于大量程的流量、压力和温度。

线性范围常用雷诺数表示。雷诺数是指流体中惯性力和粘性力的比率，其定义如下。

Re=ρVD/μ （1）

式（1）中：ρ 为所测流体的质量密度；V 为所测流体的流速；D 为液流通道的内径；μ 为所测流体的粘性。

斯德鲁哈尔数是另一个量化涡街现象的无量纲，其定义如下。

St=fd/V （2）

式（2）中：S t 为斯德鲁哈尔数；f 为涡街分离频率；d为脱落杆宽度；V 为流速。

校正示意图如图5所示，涡街流量计显示大范围雷诺数中一个恒定的斯德鲁哈尔数[5]，且表示大范围流量和流体类型中一个统一的线性输出。在该线性范围以下，该流量计的智能模块根据雷诺数自动校正斯德鲁哈尔数的偏差。智能模块通过测量过程流体温度和压力，同时校正其非线性因素。随后，该数据用于计算实时雷诺数。该流量计自动校正的雷诺数可低于5 000，而普通涡街流量计雷诺数低于20 000就无法保证精度[6]。

3.2.3 温度测量

该流量计利用1 000 Ω的铂电阻检温器（PRTD）测量流体温度。

3.2.4 压力测量

该流量计配有一个用316 不锈钢隔膜隔开的固态压力传感器。该传感器为微硅传感器，根据集成电路处理技术制成，每个传感器都经过9 个点的压力/温度校准。数字补偿使该传感器在-40～140 ℉（-40～60 ℃）环境温度内，在0.3% 满量程精度下运行。压力传感器的隔热性能确保在-330～750 ℉（-200～400 ℃）的容许过程流体温度范围内获得上述同等精度。

3.2.5 插入式流量计的安装

插入式流量计安装直管段要求与普通涡街流量计相似。为了实现在线插拔，流量计需要选择配置一个隔离阀。

插入式流量计安装步骤。

（1）确定安装位置满足上、下游管道的最小直径要求。

（2）在管道上焊接1 个DN50 的适配器，保證适配器与管道中心线夹角在±5°范围内（流量计精度允许范围）。管道开口的直径不得小于48 mm。

（3）在适配器上连接1 个DN50 的工艺连接件。

（4）在工艺连接件上连接1 个隔离阀，该阀门的全开孔径不得小于48 mm。

（5）对焊接部位进行静压测试，如发现压力损失或渗漏，排除接头故障，并再次测试。

（6）将热攻丝设备连接到隔离阀上，打开隔离阀，并开1 个直径不小于48 mm 的孔。

（7）缩回钻孔机，关闭隔离阀，并移除热攻丝设备。

（8）将流量计连接至隔离阀，并打开隔离阀。

（9）计算传感器探头的插入深度，将传感器探头插入管道中。

流量计连接件、隔离阀和配件的压力等级不得低于主管路的压力等级。且热攻丝必须由经过培训的专业人员完成。上述步骤是在线安装情况下，如果蒸汽停运，可以在管道上直接切割开孔安装。

传感器必须适当安装在管道内，因此，需符合所计算的插入深度。如传感器探头插入管道内的深度有误，则将导致读数不准确。插入式流量计适用于不小于DN50 的管道。对于尺寸不大于DN250 的管道，安装时传感器的中心线与管道中心线重合。对于尺寸大于DN250 的管道，传感器的中心线位于离管道内壁125 mm 的管道横截面上。

4 结语

以上在线比对方法理论上可以实现蒸汽计量器具的在线比对，但目前多参量插入式涡街流量计的质量流量精度和普通涡街流量计差不多，精度还不够高；另外需要在现场流量计上游预留插入口、阀门、盲板/管帽等管件；比对实施工作中，工作人员应该做好防烫防护措施。