1 引言

        隨著我國大中型企業(yè)的不斷深化改革，企業(yè)內(nèi)部各分廠（車間）的經(jīng)濟(jì)效益獨(dú)立核算，蒸汽計(jì)量工作已被越來越多的企業(yè)所重視。蒸汽計(jì)量關(guān)系到能源水泵的統(tǒng)計(jì)和考核，直接關(guān)系到產(chǎn)汽單位和用汽單位的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，用汽單位正確控制蒸汽計(jì)量的多少，對生產(chǎn)工藝有很大的幫助。因此，流量儀表的正確選用尤為重要。目前工業(yè)上使用的流量計(jì)品種很多，由于差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、使用壽命長、信號便于遠(yuǎn)傳等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。本文就差壓式流量計(jì)在蒸汽計(jì)量應(yīng)用中的若干問題進(jìn)行分析。

        2 差壓式流量計(jì)的測量原理及組成

      2.1 測量原理
充滿管里的流體經(jīng)直線管道進(jìn)入節(jié)流裝置，流束將在節(jié)流件處收縮，使流速加快，靜壓力降低，導(dǎo)致節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓。流速增大，差壓也隨之增大，因此，通過測量差壓，可以確定流量，見圖1。

                              圖1 角接取壓法孔板裝置
     2.2 組成

     差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管、三閥組、差壓變送器和二次儀表組成。見圖2。

                              圖2 差壓式流量計(jì)組成
                              　　

      （1）節(jié)流裝置。節(jié)流裝置由節(jié)流和取壓裝置構(gòu)成。

      標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件有三種類型，即：孔板、噴嘴、文丘利管。其中流體流過孔板所產(chǎn)生的壓力損失zui大，且孔板具有制造簡單、適用性廣、使用壽命長等特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，精度可達(dá)±0.5%～±1%，公稱徑為50～1200mm。

      取壓裝置有兩個(gè)取壓口，一個(gè)是上游取壓口，一個(gè)是下流取壓口，上游取壓口引出流體的正壓力，下游取壓口引出流體的負(fù)壓力。

      ⑵差壓變送器。差壓變送器是差壓式流量計(jì)中的重要組成部分，它將節(jié)流裝置的差壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，以便于二次儀表處理和運(yùn)算。早期使用的差壓變送器DDZ—Ⅱ（輸出0～10mA）和DDZ-Ⅲ（輸出4～20mA）型，其準(zhǔn)確度均為±0.5%，基本能滿足工業(yè)計(jì)量的要求。目前，國內(nèi)有兩種系列產(chǎn)品，一種是西安儀表廠生產(chǎn)的1151±0.5%系列差壓變送器，另一種是北京遠(yuǎn)東儀表公司生產(chǎn)的1751系列，其準(zhǔn)確度可達(dá)±0.25%。

      ⑶顯示儀表。顯示儀表將有效期壓變送氣產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)電流信號及其它裝置產(chǎn)生的補(bǔ)償信號進(jìn)行開方并積算，顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量及其它參量。對于壓力、溫度波動(dòng)范圍較大的測量介質(zhì)，如過熱蒸汽等，必須進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償，對于飽和蒸汽，應(yīng)進(jìn)行壓力（或溫度）補(bǔ)償。

      常用的顯示儀表有電磁計(jì)數(shù)式的開方積算器和智能數(shù)顯式的流量積算儀。智能流量積算儀是采用單片微處理機(jī)組成快速修正系統(tǒng)，能與差壓、壓力、溫度變送器或與熱電偶、熱電阻配合，對被測介質(zhì)由于壓力、溫度偏離設(shè)計(jì)工況引起的流量測量誤差及累計(jì)積算等，通過軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償和積算，從而提高測量精度及可靠性。
                                  
      3 流量方程

      由于氣體具有可壓縮性質(zhì)，測量蒸汽應(yīng)采用質(zhì)量流量。
      根據(jù)經(jīng)典的伯努利定律、節(jié)流裝置的基本實(shí)用流量方程為：

       （1）式中：qm-質(zhì)量流量kg/h；α-流量系數(shù)；ε-流體流束的膨脹系數(shù)（對不可壓縮流體ε=1，對可壓縮流體ε<1）；Ad-工作狀態(tài)下的節(jié)流件開孔面積；△P-節(jié)流件上、下流側(cè)規(guī)定的取壓孔位置上的表壓差，MPa；ρ1-工作狀態(tài)下的流體密度kg/m3。
                              　　
      由于影響的因素很多，通常利用經(jīng)驗(yàn)公式，直接實(shí)驗(yàn)測定或查閱表格和曲線得到。
                              　　
      在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鍋爐內(nèi)壓力的變動(dòng)，使蒸汽密度偏離設(shè)計(jì)時(shí)所采用的ρ值，從而導(dǎo)致測量誤差，因此實(shí)際流量的表示式為：

                                     （2）

      將式⑵除以式⑴得

                              　　   （3）
                              　　
      連續(xù)測量實(shí)際密度較困難，對于飽和蒸汽，與壓力或溫度成一定關(guān)系。對過熱蒸汽，與壓力、溫度成一定關(guān)系，因此，通過測量壓力、溫度得到ρ2。

       以壓力≤2MPa的飽和蒸汽為例：

       根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式P=（1/1.7235）P015/16     （4）

       將⑷式進(jìn)行線性化處理得

       ρ2=ρ1（15P/16P0+1/16）  ⑸

       式中：P0-孔板設(shè)計(jì)時(shí)采用的壓力MPa；P-工作壓力MPa。

       將⑴與⑸代入⑶，得到：

                                      ⑹
                                  
      式中：△P=K1×Iλ1，P-0.1033=K2×Iλ2（表壓）；Iλ1-差壓變送器輸出電流；K2-壓力變送器系數(shù)。
                              　　將△P與P代入⑹可得：

      上式即為帶壓力補(bǔ)償?shù)恼羝髁康膶?shí)用公式。

      4 有效期壓式流量計(jì)選用、安裝和維護(hù)

      4.1 選用
                              　　
      ⑴孔板的計(jì)算、加工一般委托儀表廠進(jìn)行，而孔的準(zhǔn)確參數(shù)必須由*提供。主要參數(shù)包括：測量介質(zhì)的zui大流量（t/h）、測量介質(zhì)的zui小流量（t/h）、平均表壓力（MPa）、平均溫度（℃）、平均大氣壓（Pa）、管道內(nèi)徑（mm）、管道材質(zhì)、測量介質(zhì)黏度（Pa·s）、測量介質(zhì)的水份以及管道安裝方式等10項(xiàng)。
                              　　
      對于測量范圍，選擇時(shí)應(yīng)使實(shí)際測量的流量落在流量計(jì)的測量范圍內(nèi)，常用流量值在測量上限的2/3處，由于差壓流量計(jì)的量程比是3：1，適用于生產(chǎn)量、消耗量比較穩(wěn)定，變化幅度小的流量測量。
                              　　
      ⑵差壓變送器及壓力變送器等在訂購時(shí)應(yīng)注意如下三點(diǎn)：
                              　　
      ①測程必須與孔板的zui大差壓一致，或可調(diào)至孔板的zui大差壓。
                              　　
      ②輸出信號必須是0～10mA或4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，以便于與顯示儀表配合使用。
                              　　
      ③對于需要溫度、壓力補(bǔ)償?shù)臏y量介質(zhì)一定要配備溫度測量儀表和壓力測量儀表。
                              　　
      ⑶應(yīng)注意顯示儀表和信號測量儀表配合使用。
                                 

       4.2 安裝
                              　　
      ⑴孔板安裝時(shí)其“+”號應(yīng)向著流束。對于未標(biāo)“+”、“-”符號的孔板，安裝時(shí)應(yīng)注意孔板上的倒角在出氣的一邊。

      ⑵孔板安裝處不允許存在泄露現(xiàn)象。

      ⑶孔板上、下游側(cè)應(yīng)有足夠長的直管段，通常，前直管段長10D，后直管段長5D（D為管道直徑），否則，會(huì)產(chǎn)生很大誤差。
                                  
      ⑷導(dǎo)壓管應(yīng)垂直或傾斜敷設(shè)，傾斜度不得小于1：12，導(dǎo)壓管長度應(yīng)盡量短，以減少壓力損失，走絲不能太小，以減少摩擦損失。

      ⑸安裝時(shí)應(yīng)注意與測量登記表配套的三閥組的方向，特別對于那些未標(biāo)明安裝方向或高、低壓閥手柄裝反的更應(yīng)仔細(xì)檢查，以免給高度帶來不應(yīng)有的麻煩。

      ⑹變送器應(yīng)在外殼密封的情況下工作，必須防潮、防塵。環(huán)境條件過于惡劣時(shí)，可把變送器放在一小房間，以便于保護(hù)和維修。

      4.3 維護(hù)

      ⑴差壓變送器投入運(yùn)行時(shí)，應(yīng)正確操作位于它上部的三閥組。首先，應(yīng)打開平衡閥，然后打開正壓閥和負(fù)壓閥，zui后關(guān)閉平衡閥，以避免壓力單相過載沖擊變送器的測量元件，拆除差壓變送器也應(yīng)先打開平衡閥，后關(guān)閉正壓閥和負(fù)壓閥。

      ⑵對于孔板、導(dǎo)壓系統(tǒng)及前后管道應(yīng)定期排污，新裝引壓導(dǎo)管需排污勤一點(diǎn)（約1個(gè)星期排一次），以后時(shí)間可長一點(diǎn)。

      ⑶當(dāng)工作條件改變或孔板開孔直角入口邊緣的銳利度和垂直度、孔板端面平行度、光潔度等參數(shù)超差時(shí)，應(yīng)及時(shí)對孔板進(jìn)行修正和予以更換。

      ⑷引壓管中應(yīng)保持冷凝水，以防蒸汽進(jìn)入變送器正負(fù)壓容室，引起測量誤差。
                                  
      ⑸當(dāng)變送器因誤操作，而受到單向工作壓力時(shí)，應(yīng)盡快使高低壓室無壓力，并調(diào)整零點(diǎn)，使輸出電流變化不大于0.1mA。

      ⑹差壓變送器容室“O”形密封圈拆裝時(shí)，必須清除密封槽內(nèi)垃圾，并用洗滌劑潤滑。

      ⑺變送器、顯示儀表應(yīng)定期校驗(yàn)。

      5 孔板式流量計(jì)在我廠的應(yīng)用

      以西區(qū)電解鋅蒸汽計(jì)量為例：
      工藝條件。

      zui大流量：qmax=90t/h；常用流量：qcom=72t/h；zui小流量：qmin=30t/h；壓力：P=0.5MPa；工作溫度：t=240℃；流體密度：ρ=2.152kg/m3；管道內(nèi)徑：D=509mm；差壓上限：△Pmax=6000Pa；流體粘度：μ=0.01774MPa·s；等熵指數(shù)：K=1.3027；管道相對粗糙度：K=0.075m；管道線膨脹系數(shù)λ0=1.72×10-6mm/mm℃；管節(jié)流件線膨脹系數(shù)：λ0=1.72×10-6mm/mm℃；20℃時(shí)節(jié)流體開孔直徑d20℃=312.93+0.16mm。

      由以上有關(guān)工藝條件得出：

      直徑比：β=0.61479；流出系數(shù)；C=0.60413；可膨脹系數(shù)：ε=0.97288；zui大雷諾數(shù)：REDMAX=3512667；常用雷諾數(shù)：REDCOM=2810134；zui小雷諾數(shù)：REDMIN=1170889；常用差壓：△P=38400Pa；壓力損失△W=36778Pa；計(jì)算誤差：E=0.0009%；流量不確定度：e=+0.88%；前直管段：L1=9.8mm；后直管段L2=3.6mm。

      因該水蒸汽是過熱蒸汽，故應(yīng)進(jìn)行壓力溫度補(bǔ)償，目前智能型儀表對流體密度采用兩種不同方法，有的儀表是預(yù)先給定的密度值，再通過所測得的溫度，有些儀表在軟件中采用查表法或補(bǔ)償法得到每一瞬間的液體密度值，此準(zhǔn)確度高，鑒于此兩種情況，我廠選用的二次儀表為大華儀表廠生產(chǎn)的智能型通用流量過熱蒸汽質(zhì)量流量（帶壓力、溫度補(bǔ)償）。其數(shù)字模型。

      測量過熱蒸汽質(zhì)量流量（帶壓力、溫度補(bǔ)償）：

      式中：F2-儀表顯示的經(jīng)壓力或溫度補(bǔ)償后的瞬時(shí)質(zhì)量流量；QFS-流量量程設(shè)定值，即組態(tài)表中單元“08F”；I-對應(yīng)于瞬時(shí)流量輸入電流；Imax-當(dāng)輸入信號為4～20mA，△I=（20-4）mA=16mA；ρP·t-對應(yīng)的壓力（Pa）、溫度（℃）狀態(tài)下過熱蒸汽的密度kg/m3；Ks2--第二流量補(bǔ)償系數(shù)、參數(shù)設(shè)置表中“17F”單元。
                                  
      ρ0為參考狀態(tài)下的蒸汽密度kg/m3。
                                      
      該孔板式流量計(jì)投入運(yùn)行后，二次儀表運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，得到了熱電廠和電解鋅廠的認(rèn)可，對電解鋅生產(chǎn)工藝中用氣量的合理控制起到了重要作用，為電解鋅節(jié)能降耗、增產(chǎn)提供了方便的條件。

      6 結(jié)語
                                  
      在流量測量中，孔板式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，使板式流量計(jì)得到了普遍的應(yīng)用，盡管在不同的情況下存在測量精度不高的現(xiàn)象，但在使用中如果注意滿足孔板式流量計(jì)的使用條件和適用范圍，孔板式流量計(jì)仍能達(dá)到±1.5%的精度，目前仍然是一種較好的計(jì)量器具。