蒸汽是非常重要的二次能源。在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活等各個方面應用非常廣泛。在蒸汽供熱網(wǎng)中熱源廠以蒸汽為熱媒，依靠蒸汽自身的壓力，經(jīng)管道將熱能輸送到用戶處，無需另增機泵，既環(huán)保又方便。在蒸汽供熱網(wǎng)中，管網(wǎng)始端總是裝有用以計量的蒸汽總表，該儀表是蒸汽供熱網(wǎng)計量管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、企業(yè)經(jīng)營管理以及設備管理的基礎，在供熱網(wǎng)中具有十分重要的作用。對于蒸汽流量測量系統(tǒng)的設計選型，自控設計人員一般都不陌生。這是因為蒸汽作為二次能源，不僅在供熱行業(yè)，而且在石油、石化、化工、鋼鐵、電力、紡織、輕工等行業(yè)，使用得也非常普遍。但在為數(shù)眾多的蒸汽流量計中，用作關(guān)口計量的蒸汽流量計，具有特殊的意義。作為關(guān)口計量使用的蒸汽流量計，除了必須具備普通蒸汽流量計的一般性能之外，還必須滿足關(guān)口計量的特殊要求，這是由關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)的特殊性所決定的。

 

１關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)的特殊性

       關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)具有其固有的特殊性，如果不注意這些特殊性，將其視作普通流量測量系統(tǒng)，會對系統(tǒng)后期穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

 

１）管徑大，成本高。關(guān)口蒸汽計量表一般管徑都很大，儀表費用很高，占比整個熱網(wǎng)成本的６６％以上，對整個熱網(wǎng)的經(jīng)濟效益及技術(shù)經(jīng)濟指標起著重要作用。因此，該儀表得到供需雙方的特別關(guān)注。為了維護供需雙方的利益，大多數(shù)關(guān)口蒸汽計量表都是供需雙方各裝一套，并在雙方協(xié)議中確定以某一套計量結(jié)果作為結(jié)算依據(jù)，另一套作為監(jiān)督手段。

 

２）流量測量準確度的要求。ＧＢ１７１６７—２００６

《能源計量器具配備和管理通則》規(guī)定了能源計量器具的準確度要求。對于蒸汽流量測量系統(tǒng)，要求準確度做到２．５級，其實這是非常低要求。如果只能做到±２．５％的準確度，則無法滿足供需雙方計量要求。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，當前流量測量的準確度已大幅提高［１２］。

 

３）介質(zhì)壓力和溫度等級范圍寬廣。不同的用戶對蒸汽的壓力和溫度等級的要求各不相同。一般情況下，壓力等級有低壓、中壓、高壓，溫度范圍在１００～５６０℃。供方所供蒸汽的品質(zhì)，非常低壓力不能低于需方所要求的非常低壓力，非常低溫度不能低于需方所要求的非常低溫度。

 

４）流量計的可靠性要求高。關(guān)口蒸汽計量表是蒸汽供熱網(wǎng)中非常重要的計量儀表，要求其具有高度的可靠性，否則會影響整個管網(wǎng)的計量。一旦發(fā)生故障要求做到不停汽修復，這是因為總表下游有眾多的用戶所對應的分表，一旦停汽必將對眾多用戶造成影響，帶來一定的經(jīng)濟損失，嚴重的情況下甚至會引發(fā)事故。

 

５）流量計需經(jīng)計量檢定合格取得證書。關(guān)口

蒸汽計量表絕大多數(shù)用于貿(mào)易交接計量，因此需按國家的相關(guān)規(guī)定實行計量檢定，或供需雙方約定進行計量校準。該儀表檢定不僅要滿足首檢的需要，而且要滿足周期檢定的需要，只有檢定（校準）合格才能用于貿(mào)易交接計量。

 

６）經(jīng)濟性原則。關(guān)口蒸汽計量表由于管徑較大，所以投資相應較大。業(yè)主單位追求的首先是安全、準確、可靠和檢定方便，在滿足這些要求的基礎上，再考慮經(jīng)濟問題。

 

２關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)設計與選型

 

２．１蒸汽流量計的一般選型

用于測量蒸汽質(zhì)量流量的流量計有幾十種，例如標準差壓流量計、非標差壓流量計、渦街流量計、均速管流量計、超聲流量計、科氏力質(zhì)量流量計等。每一種流量計都有其一定的優(yōu)勢，滿足特定的測量需求，但同時也存在一定的局限性。因此在設計選型時，需要根據(jù)測量任務的需要和具體特點，選擇非常適合的流量計。對于蒸汽貿(mào)易交接用途的流量計選型，在幾十年的實踐中，通常使用較廣泛的是差壓式流量計和渦街流量計，兩種流量計在各種不同通徑的蒸汽流量計量中，平分秋色，而且具有鮮明的行業(yè)特點。例如：在石化行業(yè)和電力行業(yè)，普遍采用的是標準差壓流量計，對于關(guān)口蒸汽計量表來說更是如此。

 

下面就以渦街流量計和差壓流量計用作關(guān)口蒸汽計量的設計選型作一比較，以便針對計量對象的具體要求和實際條件做合理選型。

 

２．２儀表范圍度與準確度的關(guān)系

２．２．１渦街流量計的范圍度與準確度

渦街流量計具有范圍度寬的特點。在用于測量蒸汽流量時，一些制造廠商宣傳的范圍度可以做到４０倍，但對其所提供的資料進行具體分析時，也只有一部分中小通徑的儀表，在流體壓力較高時，理論范圍度能夠達到４０倍［３４］，而作為關(guān)口蒸汽計量使用的大通徑儀表，范圍度要小得多。例如

ＤＹ３００型ＤＮ３００渦街流量計，在用來測量表壓為ｐ＝１．０ＭＰａ的飽和蒸汽時，理論范圍度為２４倍。不同通徑的渦街流量計，在不同壓力條件下測量飽和蒸汽時的理論范圍度見表１所列。

　流體理論范圍度是指保證準確度的非常高流速與非常低流速之比。對于ＤＹ型儀表，制造廠商承諾的非常高流體流速為８０ｍ／ｓ，對于范圍度為２４的規(guī)格，非常低流體流速為３．３３ｍ／ｓ，當流體流速ｖ＜３．３３ｍ／ｓ時，因為雷諾數(shù)太低而準確度不能保證，當ｖ＞８０ｍ／ｓ時，則因超流速引起的“漏脈沖”現(xiàn)象，將使儀表示值嚴重偏低［４］。在設計選型中，還要注意能得到的實際范圍度Ｒ與理論范圍度的關(guān)系。如上所述，對于ＤＹ系列渦街流量計而言，理論范圍度是以非常高流速８０ｍ／ｓ為基礎的，如果安裝某臺渦街流量計的具體測量點介質(zhì)非常高流速只有４０ｍ／ｓ，能獲得的實際范圍度則只有１２。在蒸汽供熱網(wǎng)的設計規(guī)范中，低壓蒸汽管的推薦流速有：公標直徑大于ＤＮ２００的管道過熱蒸汽流速為８０ｍ／ｓ；公標直徑大于ＤＮ２００的管道飽和蒸汽流速為６０ｍ／ｓ。

 

具體設計時，還需要考慮擴產(chǎn)等因素，實際選用的流速要比上述流速低一些，而且太高的流速在切斷閥等管件處，將會產(chǎn)生很強的噪聲，污染環(huán)境。為了提高實際范圍度，應改變根據(jù)管道通徑選定渦街流量計的方法，采用非常大流量選定渦街流量計的方法。

 

設計舉例：某ＤＮ４００蒸汽總管，工藝設計參數(shù)為表壓ｐ＝１．０ＭＰａ，ｑｍｍａｘ＝９０ｔ／ｈ飽和蒸汽，根據(jù)制造廠產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)選ＤＹ３００型，保證準確度的流量范圍：４０１２～９７３６７ｋｇ／ｈ［３］，實際范圍度Ｒ＝９００００÷４０１２＝２２。但是如果選ＤＹ４００型，因保證準確度的非常小流量增大為８００２ｋｇ／ｈ，所以范圍度降為１１。不同品牌的渦街流量計，其理論范圍度各不相同［４］，有的品牌渦街流量計技術(shù)比較落后，測量管內(nèi)流速大于４０ｍ／ｓ，示值就會因“漏脈沖”而嚴重偏低［４５］，所以設計選型前應做充分的調(diào)查研究工作。實踐證明，對于理論范圍度大的渦街流量計，按照非常大流量選定儀表通徑，一般可使儀表通徑比管道通徑小一檔，這樣，不僅可提高實際范圍度，而且可以節(jié)省一筆可觀的投資。

 

關(guān)于渦街流量計的準確度，橫河公司的ＤＹ型渦街流量計，為液體、氣體和蒸汽介質(zhì)規(guī)定了不同的指標：液體流量為±０．７５％Ｒ，氣體、蒸汽流量為±１．０％Ｒ（ｖ≤３５ｍ／ｓ），±１．５％Ｒ（ｖ＞３５ｍ／ｓ）。測量氣體和蒸汽流量時能夠得到的準確度要比測量液體時低一些，因為測量氣體和蒸汽時，存在氣體可膨脹性影響［６］，而測量液體時，由于液體是不可壓縮流體，所以不存在氣體膨脹性影響。

 

早期的渦街流量計，制造廠商均表示其流量系數(shù)不受流體的溫度、壓力、密度、黏度等物性的影響，只要雷諾數(shù)在規(guī)定的范圍之內(nèi)，用液體標定得到的流量系數(shù)完全適用于蒸汽。所以有的品牌的渦街流量計，只給出一個準確度指標，例如±１．０％Ｒ，有的甚至是±０．５％Ｒ，而實際上測量氣體和蒸汽時是做不到的，因此在設計選型時應當注意。在以渦街流量計為核心組成的蒸汽流量測量系統(tǒng)中，還需配置蒸汽密度測量手段和流量演算器，該系統(tǒng)的組成如圖１所示，這幾個部分組成大約引入０．３％的不確定度。

２．２．２差壓流量計的范圍度與準確度

差壓流量計由差壓裝置、差壓變送器、流量演算器和其他輔助裝置組成，ＩＳＯ５１６７標準中所列的標準差壓裝置包括：標準孔板；噴嘴，包括ＩＳＡ１９３２噴嘴和長徑噴嘴；文丘里管。

 

這幾種差壓裝置各有優(yōu)點，在關(guān)口蒸汽流量測量中都是不可或缺的。其中，標準孔板的不確定度非常優(yōu)，可達０．５％；ＩＳＡ１９３２噴嘴不確定度可達０．８％；長徑噴嘴不確定度為２．０％；而文丘里管隨收縮段加工方法的不同，不確定度有０．７５％，１．０％和１．５％三種［７８］。

 

用標準差壓流量計測量蒸汽質(zhì)量流量時，該測量系統(tǒng)不確定度δｑｍ／ｑｍ不僅取決于差壓裝置不確定度，還與可膨脹性系數(shù)不確定度、管道內(nèi)徑不確定度、節(jié)流件開孔直徑不確定度、差壓測量不確定度和流體密度不確定度有關(guān)。６個不確定度，對δｑｍ／ｑｍ所起作用的大小各不相同，而且在量程的不同區(qū)間，起決定作用的因子也不相同。在上述３種差壓裝置中，標準孔板流量計能得到的不確定度非常小。圖２所示為單量程標準孔板流量計測量氣體流量，相對流量在不同的區(qū)段能獲得的不確定度曲線［９］。其中在量程高段，起決定作用的是差壓裝置。目前的差壓測量儀表，準確度已經(jīng)非常高，使用者普遍選用０．０５５級差壓變送器，在量程高段，差壓不確定度可忽略不計；但是在量程低段，由于相對差壓很小，而差壓變送器的準確度等級是采用引用誤差表示的，這時雖然差壓變送器仍然是０．０５５級，但是根據(jù)引用誤差計算得到的不確定度卻增加了很多倍，所以對δｑｍ／ｑｍ起決定作用的是差壓不確定度。圖３所示為雙量程標準孔板流量計測量氣體流量的不確定度曲線［９］。

從圖２可知，智能單量程標準孔板流量計，在１０倍范圍度范圍內(nèi)，δｑｍ／ｑｍ優(yōu)于１．０％。從圖３可知，智能雙量程標準孔板流量計，在３３倍范圍度范圍內(nèi)，δｑｍ／ｑｍ優(yōu)于１．０％［９］。噴嘴流量計和文丘里管流量計，由于差壓裝置不確定度都比標準孔板大，所以δｑｍ／ｑｍ均劣于

１．０％。由于該原因，凡是采用標準孔板不存在明顯問題的測量點，建議均采用標準孔板，該測量方案不但準確度高而且節(jié)省投資。

 

２．３流量計溫度壓力等級的設計

流量計的溫度壓力等級設計，是流量測量系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容。如果選定的溫度等級偏低，則易造成儀表的損壞；如果壓力等級選擇不合適，則易帶來安全隱患。與之相反，如果溫度壓力等級選得太高，則導致投資增加，造成浪費。各種品牌的渦街流量計，制造廠商一般都能提供４ＭＰａ和６．３ＭＰａ壓力等級產(chǎn)品，滿足中低壓蒸汽流量測量的需要。在設計選型時應根據(jù)法蘭的材質(zhì)和介質(zhì)的非常高溫度，按照ＧＢ／Ｔ９１２４—２０１０《鋼制管法蘭技術(shù)條件》的規(guī)定核驗具體可用壓力，該壓力必須高于介質(zhì)的非常高壓力。例如材質(zhì)為３１６Ｌ的ＰＮ６．３法蘭，介質(zhì)溫度為３５０℃，非常高工作壓力只能達到３．９１ＭＰａ［１０］。如果制造廠商提供的標配壓力等級不能滿足使用要求，則可與制造廠商協(xié)商，作特殊規(guī)格定貨。如果制造廠商經(jīng)過努力還是滿足不了要求，只能改選其他品牌或其他類型的儀表。渦街流量計的溫度等級也很有講究。例如一體式渦街流量計非常高適用溫度為１５０℃；分體式渦街流量計非常高適用溫度為２６０℃；高于２６０℃的對象只能選用高溫型渦街流量計，而高溫型的非常高溫度，不同品牌也有很大差異。標準差壓裝置的種類多，能滿足各種溫度壓力等級的要求。中低壓測量對象，大多選標準孔板，安裝時，有時為了減少泄漏點，采用焊接方法連接；對于高溫高壓對象，往往選長徑噴嘴或文丘里管。除了差壓裝置類型之外，更重要的是選擇合適的材質(zhì)、法蘭型式以及密封墊類型。常用的耐熱鋼有１５ＣｒＭｏ，１２ＣｒＭｏＶ，超高溫的可采用Ｐ９１材質(zhì)等，需與制造廠商協(xié)商并簽訂技術(shù)協(xié)議。對于高溫高壓差壓裝置，還要履行國家安監(jiān)部門逐臺監(jiān)檢和認可的手續(xù)，以保證安全。

 

２．４關(guān)口蒸汽計量表的可靠性設計

由于關(guān)口蒸汽計量表要求不停汽修復，為了滿足該要求，在設計時必須有切實可行而且有效的措施，例如多數(shù)品牌渦街流量計的探頭都是設置在測量管內(nèi)，而探頭又容易損壞，一旦損壞就須停汽才能更換；有些品牌的渦街流量計，旋渦發(fā)生體是采用旋臂梁結(jié)構(gòu)安裝在測量管內(nèi)，其自由端與支座之間的縫隙一旦有固體顆粒進入，就因自由端無法擺動而導致靈敏度喪失，也必須停汽才能清除固體顆粒或更換發(fā)生體。因此，制造廠商也需要反復分析研究才能找到合適的解決方案。例如：科隆公司采用雙測量系統(tǒng)冗余方法，當在役系統(tǒng)故障后，備用系統(tǒng)自動切入，所以可靠性大幅提高；還有的制造廠商將探頭設置在測量管殼體外壁，做到完全不停汽更換探頭。在不停汽修復方面，標準差壓流量計具有絕對優(yōu)勢。因為該類儀表只有差壓裝置與介質(zhì)接觸，差壓裝置與后續(xù)儀表之間經(jīng)根部閥連接，只要將根部閥關(guān)閉，便可對后續(xù)儀表進行維修或更換，而管道內(nèi)的節(jié)流件不會損壞，因此，可靠性非常高。在差壓流量計使用現(xiàn)場，有時會發(fā)生根部閥堵塞等故障，影響測量，解決該問題的常用方法是設置兩組差壓信號取壓口，一旦一組出問題，則可換用另一組取壓口。

 

２．５計量檢定的方法比較

在實現(xiàn)計量檢定的方法上，標準差壓流量計具有顯著優(yōu)勢。因為該流量計只要按ＩＳＯ５１６７：２００３Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｆｌｕｉｄｆｌｏｗｂｙｍｅａｎｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｖｉｃｅｓｉｎｓｅｒｔｅｄｉｎｃｉｒｃｕｌａｒｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｃｏｎｄｕｉｔｓｒｕｎｎｉｎｇｆｕｌｌ（Ｅ），ＧＢ／Ｔ２６２４—２００６《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》標準設計、制造、檢驗、安裝和使用，無需實流標定就能保證準確度［７１１］。而渦街流量計必須經(jīng)過實流檢定才能保證準確度。標準差壓流量計免除了實流檢定工作，為用戶帶來了兩方面的好處：一是節(jié)約開支，關(guān)口表一般通徑都比較大，實流檢定需要費用較高；二是帶來了方便，有些計量檢定機構(gòu)可以提供上門服務，申請周期檢定的單位，在約定的日期將差壓裝置拆下清洗，然后請檢定人員檢定，檢定完后一般當天就可裝回原處，因此節(jié)約了人工和成本。

 

２．６流量計公稱通徑的設計

渦街流量計的非常大通徑，國外品牌為ＤＮ４００，是因為通徑太大時，分辨力太低。標準差壓流量計具有寬廣的通徑范圍可供選用，其中：標準孔板

為ＤＮ５０～ＤＮ１０００；ＩＳＡ１９３２噴嘴為ＤＮ５０～ＤＮ５００；長徑噴嘴為ＤＮ５０～ＤＮ６３０；文丘里管為ＤＮ５０～ＤＮ１２００。如果超出上述范圍，可以制造，但需經(jīng)實流標定才能保證準確度。

 

２．７經(jīng)濟性的差異通徑較小的渦街流量計，價格比標準差壓流量計低一些。但隨著公稱通徑的增大，渦街流量計價格快速增加，尤其是介質(zhì)溫度高于２６０℃后，渦街流量計需選用高溫型，整套流量計的價格要比標準差壓流量計高得多。

 

２．８差壓流量計差壓信號管引向問題

差壓式流量計用來測量蒸汽流量時，差壓信號的引向?qū)ΡＷC流量測量準確度至關(guān)重要，因為不合理的引向容易引起差壓信號傳遞失真，非常終引起很大的示值誤差［４］。蒸汽管道有水平敷設和垂直敷設兩種，當采用水平敷設時，差壓信號管應從水平方向引出［８］。在使用現(xiàn)場有的差壓信號從水平線向上４５°方向引出，導致發(fā)生很多問題［４］。圖４所示為ＢＳＩＳＯ２１８６：２００７Ｆｌｕｉｄｆｌｏｗｉｎｃｌｏｓｅｄｃｏｎｄｕｉｔｓ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｐｒｉｍａｒｙａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔｓ推薦的引出方向［１２］。從圖４可看出，２臺根部閥的手柄均放置在水平方向，這樣的設計對消除冷凝罐前導壓管內(nèi)由汽液交換引起的差壓值脈動有重要作用。

３結(jié)束語

關(guān)口蒸汽計量是蒸汽供熱網(wǎng)計量管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、經(jīng)營管理以及設備管理的技術(shù)基礎，在蒸汽供熱網(wǎng)中具有非常重要的作用。關(guān)口蒸汽計量表絕大多數(shù)選用差壓式流量計和渦街流量計。渦街流量計具有范圍度寬的優(yōu)點，關(guān)口蒸汽流量測量系統(tǒng)中使用渦街流量計，大多通徑較大，測量中低壓蒸汽流量時，如果設計合理，實際范圍度一般可達２０倍，流量系統(tǒng)不確定度可達１．３％（ｖ≤３５ｍ／ｓ）～１．８％（ｖ＞３５ｍ／ｓ）。

 

智能化標準孔板流量計，單量程配置范圍度可達１０倍；雙量程配置，范圍度可達３３倍。流量系數(shù)不確定度可達１．０％，標準噴嘴和文丘里管，系統(tǒng)不確定度要大一些。

 

蒸汽的溫度壓力等級有好幾檔，對于流量計選型時，必須全部滿足要求，其中法蘭的壓力等級初步選定之后，應根據(jù)法蘭材質(zhì)和介質(zhì)的非常高溫度，按國家標準核驗具體可用工作壓力，該壓力必須高于介質(zhì)的非常高壓力。關(guān)口蒸汽計量要求具有高可靠性。安裝在蒸汽管道上的流量計一旦發(fā)生故障，要求做到不停汽維修。選用雙探頭渦街流量計和為差壓裝置配備２對差壓信號取壓口，都是很成功的經(jīng)驗。標準差壓裝置可采用幾何法進行檢定，不僅可節(jié)約開支而且為用戶帶來很多方便。