0 引言

 

　　蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的二次能源，許多科技工作者對蒸汽流量的準(zhǔn)確計量進(jìn)行了研究，并積累了一些經(jīng)驗[1-3]。目前最常用的是差壓式流量計和渦街流量計，并配以蒸汽密度補償。而蒸汽密度補償一般采用蒸汽壓力、溫度補償?shù)姆椒?，分別由安裝在管道上的壓力變送器和溫度變送器(Pt100鉑電阻)來實現(xiàn)。流量計及其用于密度補償?shù)膲毫?、溫度變送器的正確安裝和設(shè)定將對蒸汽流量計量的準(zhǔn)確度帶來直接的影響[4]，從差壓式流量計的不確定度合成中我們也可以清楚地看到這一點[5]。不同狀態(tài)的蒸汽，其蒸汽密度與壓力、溫度的關(guān)系模型是有根本區(qū)別的。在應(yīng)用中，由于忽略了蒸汽狀態(tài)對流量計配套選型的要求，因而帶來很大的計量誤差，也因此引起了許多計量糾紛。

 

　　1、蒸汽流量測量原理

 

　　在蒸汽流量計量中，最常用的流量計是差壓式流量計和渦街流量計[6]。

 

　　差壓式流量計的理論依據(jù)是伯努利方程和流動連續(xù)性方程。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置，使部分壓力能轉(zhuǎn)換為動能，產(chǎn)生差壓信號，而這一差壓與流量的平方成正比，其數(shù)學(xué)模型為：　

 

 

 

 

　　式中：qm為蒸汽質(zhì)量流量，T/h; C為流出系數(shù);ε為可膨脹性系數(shù);d為節(jié)流件孔徑，m; ρ為節(jié)流件蒸汽密度，kg/m3;△P為節(jié)流件上下游差壓，Pa;E為漸近速度系數(shù)。

 

　　渦街流量計的理論依據(jù)是流體振蕩原理。流體在管道中經(jīng)過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發(fā)生體后上下交替，產(chǎn)生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān)，可用以下公式表示：　　

 

 

 

 

　　式中：f為旋渦的釋放頻率，Hz;k為流量系數(shù)，l/L; ρ為蒸汽密度，kg/m3;ν為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度，m/s; d為旋渦發(fā)生體特征寬度，m;St為斯特羅哈數(shù)，無量綱，當(dāng)雷諾數(shù)Re在102~105范圍內(nèi)，St值約為0.2。

 

　　從式(2)和式(4)可以看出，蒸汽質(zhì)量流量與蒸汽密度直接相關(guān)。因此，常用Pt100鉑電阻測量得到的介質(zhì)溫度信號和壓力變送器測量得到的介質(zhì)壓力信號作為密度補償信號，渦街流量計對蒸汽流量進(jìn)行密度修正。對飽和蒸汽，蒸汽密度ρ只與壓力P有關(guān)，即ρ=ρ(p);而對于過熱蒸汽，蒸汽密度ρ與壓力P的關(guān)系和溫度T有關(guān)，即ρ=ρ(p，T)。

 

　　2 蒸汽狀態(tài)對蒸汽流量計量的影響

 

　　根據(jù)蒸汽密度表[7]，我們可以方便地得到飽和蒸汽密度與蒸汽壓力的關(guān)系、過熱蒸汽密度與蒸汽壓力以及溫度的關(guān)系。不同蒸汽壓力下，飽和蒸汽密度與壓力關(guān)系如圖l(a)所示;同樣在蒸汽壓力為0.8 MPa、0.9MPa及1.0MPa時，對于過熱蒸汽在不同溫度下，過熱蒸汽密度、壓力與溫度之間的關(guān)系如圖1(b)所示。　　

 

 

 

 

　　為了直觀地說明蒸汽狀態(tài)對蒸汽流量計量的影響，我們結(jié)合差壓式流量計的數(shù)學(xué)模型式(2)和渦街流量計的數(shù)學(xué)模型式(4)，就蒸汽狀態(tài)為過熱蒸汽在壓力為0.9 MPa、溫度為190℃時進(jìn)行討論。

 

　　從圖1(b)可以得到，在壓力為0.9MPa、溫度為190℃時，過熱蒸汽密度為ρ0=4.459 kg/m3;但如果在流量計安裝中錯誤地把蒸汽狀態(tài)判定成飽和蒸汽，則由圖1(a)得到蒸汽壓力為0.9 MPa時，飽和蒸汽密度為ρ1=4.645 kg/m3。

 

　　對于差壓式流量計，把ρ0、ρ1代入式(2)得：　　

 

 

 

 

　　引起的流量計量誤差為:　　

 

 

 

 

　　對于渦街流量計，把ρ0、ρ1代入式(4)得：　　

 

 

 

 

　　引起的流量計量誤差為：　　

 

 

 

 

　　該流量計量誤差是由于蒸汽流量計安裝時對蒸汽狀態(tài)選擇不當(dāng)帶來的。不同蒸汽壓力、溫度帶來的相對誤差如圖2 所示。　　

 

 

 

 

　　3 結(jié)束語

 

　　蒸汽流量計可以通過溫度、壓力信號補償蒸汽密度實現(xiàn)對蒸汽流量的準(zhǔn)確計量。蒸汽密度補償模式直接與蒸汽狀態(tài)有關(guān)，即蒸汽狀態(tài)的錯誤判定會給蒸汽計量帶來很大的誤差。蒸汽狀態(tài)給差壓式流量計帶來的計量誤差大于給渦街流量計帶來的計量誤差。蒸汽壓力越低，蒸汽狀態(tài)影響越大。因此，蒸汽流量計安裝中必須正確判定蒸汽狀態(tài)。

 

　　參考文獻(xiàn)

 

　　[1]鄭金龍.關(guān)于水蒸汽流量測量中的密度計算[J].計量與測試技術(shù)，2006(6):21-22.

 

　　[2]王云紅，李云華.蒸汽流量測量存在的問題及改進(jìn)[J].世界儀表與自動化，2007(5):66-67.

 

　　[3]周源.區(qū)域供熱中蒸汽計量的探討[J].計量技術(shù)，2000(10):25-27.

 

　　[4]張小紅，鄭建英，蔡維.差壓式流量計安裝中壓力位差對流量計量的影響[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理，2005(5):12-13.

 

　　[5]翟秀貞，謝紀(jì)績，楊希文，等.JJG640-94差壓式流量計檢定規(guī)程[M].北京：中國計量出版社，2000.

 

　　[6]梁國偉，蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

 

　　[7]孫淮清，王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工作出版社，2000