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蒸汽流量的測(cè)量

蒸汽是使用的載熱工質(zhì)，是重要的二次能源。蒸汽流量的測(cè)量量大面廣，對(duì)加強(qiáng)管理、公平貿(mào)易、節(jié)能能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都有重要意義。蒸汽流量測(cè)量方法如果按工作原理細(xì)分，可分為直接式質(zhì)量流量計(jì)和推導(dǎo)式（也稱間接式）質(zhì)量流量計(jì)兩大類。前者直接測(cè)量與質(zhì)量流量成函數(shù)關(guān)系的額變量求得質(zhì)量流量；后者用體積流量計(jì)和其他變量測(cè)量儀表，或兩種不同的測(cè)量原理流量計(jì)組合成的儀表，經(jīng)計(jì)算求得質(zhì)量流量。

現(xiàn)在人們廣泛使用的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)絕大多數(shù)仍為推導(dǎo)式。其中，以節(jié)流式差壓流量計(jì)和渦街流量計(jì)為核心組成的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)是主流，這兩種方法有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，而且具有良好的互補(bǔ)性。載差壓式流量計(jì)中，線性孔板以其范圍度廣、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)占有一定市場(chǎng)分額，除此之外，科利奧里質(zhì)量流量計(jì)、均速管流量計(jì)、超聲流量計(jì)等在蒸汽流量測(cè)量中也有應(yīng)用。

3.1.1用節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量

節(jié)流式差壓流量計(jì)的一般表達(dá)式為^［1］

qm= （3.1）

式中qm棗質(zhì)量流量，kg/s；

C――流出系數(shù)；

d――工作條件下節(jié)流件的開孔直徑，m；

Δp――差壓，Pa；

D――管道內(nèi)徑，m。

在式（3.1）中,β和d為常數(shù)，C和ε₁在一定的流量范圍之內(nèi)也可看作常數(shù)，因此式（3.1）可簡化為

q_m=k （3.2）

從式（3.2）可清楚看出，儀表示值同ρ₁密切相關(guān)。而蒸汽工況（溫度t，壓力p）的變化，必然使ρ₁產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，差壓式流量計(jì)必須與用以求取蒸汽密度的工況測(cè)量儀表配合，并同計(jì)算部分一起組成推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)，才能保證測(cè)量度。

1. 過熱蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量 當(dāng)流體為過熱蒸汽時(shí),取決于流體壓力ρ₁和流體壓力ρ₁和流體溫度t₁。圖3.1所示為測(cè)量系統(tǒng)。

（2）飽和蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量 飽和蒸汽的壓力和溫度是密切相關(guān)的，臨界飽和狀態(tài)的蒸汽從其壓力查得的密度同從其溫度查得的密度是相等的所以推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量其流量時(shí)，既可采用壓力補(bǔ)償也可采用溫度補(bǔ)償。采用壓力補(bǔ)償時(shí)，是利用ρ₁＝f（ρ₁）的關(guān)系獲得ρ₁；采用溫度補(bǔ)償時(shí)，是利用ρ₁＝f（t₁）的關(guān)系獲得ρ1。兩種方法中以壓力補(bǔ)償較宜，詳見后文3.1.5條分析。

3.1.2用線性孔板差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量

傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)zui大的不足是在被測(cè)流量相對(duì)于滿量程流量較小時(shí)，差壓信號(hào)很小，這一缺點(diǎn)大大影響其范圍度和測(cè)量度。人們針對(duì)其不足在傳統(tǒng)的孔板式產(chǎn)壓流量計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)了可變面積可變壓頭孔板流量計(jì)。因?yàn)槠漭敵龅牟顗盒盘?hào)與被測(cè)流量之間有線性關(guān)系，所以也稱能夠線性孔板差壓流量計(jì)。

1. 線性孔板流量計(jì)工作原理 線性孔板又稱彈性加載可變面積可變壓頭孔板，其環(huán)隙面積隨流量大小而自動(dòng)變化，曲面圓錐形塞子在差壓彈簧力的作用下來回移動(dòng)，環(huán)隙變化使輸出信號(hào)（差壓）與流量成線性關(guān)系，并大大地?cái)U(kuò)大范圍度，其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。

在孔板流量計(jì)中，當(dāng)流體流過開孔面積為A的孔板時(shí)，流量q與孔板前后產(chǎn)生的差壓之間有如下關(guān)系，即

q=K₁A

式中 q――流量；

K₁――常數(shù)；

A――孔板開孔面積；

Δp――差壓。

1－穩(wěn)定裝置；2－紡錘形活塞；3－固定孔板；4－排氣孔；5－標(biāo)定和鎖定蝸桿裝置；6－走紙軸支撐；7－低壓側(cè)差壓檢出接頭；8－高張力精密彈簧；9－排水孔；10－高壓側(cè)差壓檢出接頭

在如圖3.3所示的線性孔板中，與孔板處插入一個(gè)紡錘形活塞，又差壓引起的活塞－彈簧組件的壓縮量（活塞的移動(dòng)距離）為X，則式（3.4）成立，即

• p＝K₂X （3.4）

式中 K₂――彈簧系數(shù)。

當(dāng)活塞向前移動(dòng)時(shí)，流通面積受活塞形狀的影響而發(fā)生變化，其關(guān)系為

A＝K₃ （3.5）

式中 K₃――常數(shù)。

由式（3.4）和式（3.5）得

A=K₃ （3.6）

將式（3.6）代入式（3.3）得

q=K₁K₃

=KΔP

式中 K――常數(shù)（K=K₁K₃）

①范圍度寬。典型得線性孔板差壓式流量計(jì)可測(cè)范圍1％～100％FS，保證度得范圍為5%~ FS，因此,對(duì)于流量變化大得測(cè)量對(duì)象，一臺(tái)流量計(jì)就可解決。能適應(yīng)蒸汽、燃油測(cè)量得夏季、冬季負(fù)荷變化。

②線性差壓輸出。差壓信號(hào)與流量成線性關(guān)系，被測(cè)流量相對(duì)于滿量程流量較小時(shí)，差壓信號(hào)幅值也較大，有利于提高測(cè)量度。

③直管段要求低。由于孔板得變面積設(shè)計(jì)，使其成為在高雷諾數(shù)條件下工作得測(cè)量機(jī)構(gòu)，可在緊靠彎管、三通下游的部位進(jìn)行測(cè)量（為了保證測(cè)量度，制造廠還是要求上游直管段≥6倍管徑，下游直管段≥3倍管徑）。

（3）保證測(cè)量度的措施 典型的線性孔板流量計(jì)GILGLO承諾具有±1％度，為了達(dá)到這一指標(biāo)，采取了幾項(xiàng)重要措施，其中包括如下幾項(xiàng)。

①對(duì)線性孔板逐臺(tái)用水標(biāo)定

從式（3.4）和（3.5）可知，只要線性孔板中的彈簧線性號(hào)，而且活塞被加工成理想形狀，使得流通面積A與位移X的1／2次方成線性關(guān)系成立，但是，活塞的曲面加工得很理想是困難得，zui終不得不用逐臺(tái)標(biāo)定得方法來彌補(bǔ)這一不足。

Spirax-sarco公司對(duì)線性孔板進(jìn)行逐臺(tái)標(biāo)定是以水為介質(zhì)，不同口徑得線性孔板均選擇14個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，其中流量較小時(shí)，標(biāo)定點(diǎn)排得較密，圖3.4所示為一臺(tái)DN200線性孔板得標(biāo)定曲線。圖中的差壓單位為inH₂O,（linH₂O=249.0889Pa）,表3.1所列的是一臺(tái)DN200的線性孔板的實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)，其中從體積流量換算到質(zhì)量流量是建立在水的密度p＝998.29kg/m³基礎(chǔ)上的。

圖3.4線性孔板標(biāo)定曲線（介質(zhì)：水）例

而利用標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)線性孔板的非線性誤差進(jìn)行校正還須借助于流量二次表。具體做法是將標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入二次表中的折線表，然而二次表根據(jù)輸入的差壓信號(hào)（電流值）用查表和線性內(nèi)插的方法求得水流量值q_mw。

注：linH₂O=249.0889Pa。

得到水流量值還不是zui終目的，因?yàn)楸粶y(cè)流體不一定是水，當(dāng)被測(cè)流體為其他液體時(shí)用式（3.8）進(jìn)行密度校正。

q_m=q_mw （3.8）

　q_mw――標(biāo)定流體（水）流量，kg/h;

　ρf――被測(cè)流體密度，kg/m³;

　ρw――標(biāo)定流體（水）密度，kg/m³;

②雷諾數(shù)校正?？装辶髁坑?jì)的流量系數(shù)同雷諾數(shù)之間有確定的函數(shù)關(guān)系^［1］，當(dāng)質(zhì)量流量變化時(shí)，雷諾數(shù)成正比變化，因而引起流量系數(shù)的變化。在GILGLO型流量計(jì)中，采用較簡單的經(jīng)驗(yàn)公式（3.9）進(jìn)行雷諾數(shù)校正。

K_re=（1－n/q_mw）^－1 （3.9）

式中k_re――雷諾數(shù)校正系數(shù)；

n――常數(shù)，kg/h。

但若計(jì)算結(jié)果大于m值時(shí)，則取k_re＝m。n和m數(shù)值同孔板的口徑DN有關(guān)，已經(jīng)固化在直到商提供的流量二次表內(nèi)。

③溫度對(duì)線性孔板的影響及其校正。溫度對(duì)線性孔板影響使之產(chǎn)生誤差主要通過三條途徑。

a.流體溫度變化引起流體密度變化，從而導(dǎo)致差壓與流量之間的關(guān)系變化。

b.流體溫度變化引起管道內(nèi)徑、孔板開孔直徑以及活塞幾何尺寸的變化，溫度升高，環(huán)隙面積增大，導(dǎo)致流量計(jì)示值有偏低趨勢(shì)。

c.流體溫度變化，線性孔板中的承載彈簧溫度相應(yīng)變化，引起式（3.4）中的彈性常數(shù)K2發(fā)生變化。溫度升高，K2減小，活塞位移X增大，用通俗的話來說就溫度升高，彈簧變軟，在相同的差壓條件下，活塞位移增大。因此，環(huán)隙面積相應(yīng)增大，流量計(jì)示值也有偏低趨勢(shì)。

上述三條途徑對(duì)流量示值的影響都可以進(jìn)行校正，其中途徑a可由式（3.12）中的流體密度進(jìn)行補(bǔ)償。在線性孔板用來測(cè)量蒸汽流量時(shí)，流體溫度作為自變量，參與查蒸汽密度表。從而可由二次表自動(dòng)進(jìn)行此項(xiàng)補(bǔ)償。

上述途徑b和c流量示值的影響關(guān)系較復(fù)雜，在GILFLO型流量計(jì)中，采式（3.10）所示的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校正。

K_t=1+B（t杢_c） （3.10）

式中 kt――溫度校正系數(shù)；

B――系數(shù)，℃^-1（取B＝0.000189℃^-1）；

t――流體溫度，℃；

t_c――標(biāo)定時(shí)流體溫度，℃（t_c常為20℃）。

此項(xiàng)校正也是在流量二次表中完成的，其中t為來自溫度傳感器（變送器）的流體溫度信號(hào)。

④可膨脹性校正。節(jié)流式差壓流量計(jì)用來測(cè)量蒸汽、氣體流量時(shí)，必須進(jìn)行流體的可膨脹性（expansibility）校正，線性孔板也不例外。傳統(tǒng)孔板的可膨脹性系數(shù)修正請(qǐng)參閱本書第8章8.2節(jié)。在GILGLO型流量計(jì)中用式（3.11）進(jìn)行校正。

kε=1-（0.41+0.35β⁴） （3.11）

式中kε――可膨脹性系數(shù)；

β――直徑比（孔板開孔直徑與管道內(nèi)經(jīng)之比）；

Δp――差壓，Pa;

κ――等熵指數(shù)；

p₁――節(jié)流件正端取壓口絕壓，Pa。

可膨脹性校正也在流量二次表中完成，由二次表進(jìn)行在線計(jì)算。

⑤蒸汽質(zhì)量流量的計(jì)算。用GILGLO型流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，蒸汽質(zhì)量流量在二次表中由式（3.12）計(jì)算得到。

q_ms=k_rekεkt （3.12）

式中q_ms――蒸汽質(zhì)量流量，kg/h;

k_re――雷諾數(shù)校正系數(shù)；

kε――可膨脹性系數(shù)；

k_t――溫度校正系數(shù)；

р_w――標(biāo)定流體（水）的密度，kg/m³；

q_mw――水的質(zhì)量流量，kg/h。

在流量二次表中，先由差壓輸入信號(hào)查折線表得到q_mw，再由蒸汽溫度、壓力值查蒸汽密度表得р_f，然后與校正系數(shù)k_re、kε、k_t一起（ρ_w為設(shè)置數(shù)據(jù)）計(jì)算得到蒸汽質(zhì)量流量q_ms。

GILFLO型流量計(jì)的安裝如圖3.5所示。