蒸汽是非常重要的二次能源。在工業生產和人民生活等各個方面應用非常廣泛。在蒸汽供熱網中熱源廠以蒸汽為熱媒，依靠蒸汽自身的壓力，經管道將熱能輸送到用戶處，無需另增機泵，既環保又方便。在蒸汽供熱網中，管網始端總是裝有用以計量的蒸汽總表，該儀表是蒸汽供熱網計量管理、生產調度管理、企業經營管理以及設備管理的基礎，在供熱網中具有十分重要的作用。對于蒸汽流量測量系統的設計選型，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，而且在石油、石化、化工、鋼鐵、電力、紡織、輕工等行業，使用得也非常普遍。但在為數眾多的蒸汽流量計中，用作關口計量的蒸汽流量計，具有特殊的意義。作為關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，還必須滿足關口計量的特殊要求，這是由關口蒸汽流量測量系統的特殊性所決定的。

 

１關口蒸汽流量測量系統的特殊性

       關口蒸汽流量測量系統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，會對系統后期穩定運行產生影響。

 

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

 

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》規定了能源計量器具的準確度要求。對于蒸汽流量測量系統，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。隨著測量技術的發展，當前流量測量的準確度已大幅提高［１２］。

 

３）介質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，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。關口蒸汽計量表是蒸汽供熱網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的計量。一旦發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，帶來一定的經濟損失，嚴重的情況下甚至會引發事故。

 

５）流量計需經計量檢定合格取得證書。關口

蒸汽計量表絕大多數用于貿易交接計量，因此需按國家的相關規定實行計量檢定，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）合格才能用于貿易交接計量。

 

６）經濟性原則。關口蒸汽計量表由于管徑較大，所以投資相應較大。業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，再考慮經濟問題。

 

２關口蒸汽流量測量系統設計與選型

 

２．１蒸汽流量計的一般選型

用于測量蒸汽質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、科氏力質量流量計等。每一種流量計都有其一定的優勢，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特點。例如：在石化行業和電力行業，普遍采用的是標準差壓流量計，對于關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。在蒸汽供熱網的設計規范中，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，將會產生很強的噪聲，污染環境。為了提高實際范圍度，應改變根據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，工藝設計參數為表壓ｐ＝１．０ＭＰａ，ｑｍｍａｘ＝９０ｔ／ｈ飽和蒸汽，根據制造廠產品樣本數據選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比較落后，測量管內流速大于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，而且可以節省一筆可觀的投資。

 

關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、氣體和蒸汽介質規定了不同的指標：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不受流體的溫度、壓力、密度、黏度等物性的影響，只要雷諾數在規定的范圍之內，用液體標定得到的流量系數完全適用于蒸汽。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中，還需配置蒸汽密度測量手段和流量演算器，該系統的組成如圖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點，在關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，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量流量時，該測量系統不確定度δｑｍ／ｑｍ不僅取決于差壓裝置不確定度，還與可膨脹性系數不確定度、管道內徑不確定度、節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。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，δｑｍ／ｑｍ優于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，δｑｍ／ｑｍ優于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，是流量測量系統設計的重要內容。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壓力等級產品，滿足中低壓蒸汽流量測量的需要。在設計選型時應根據法蘭的材質和介質的非常高溫度，按照ＧＢ／Ｔ９１２４—２０１０《鋼制管法蘭技術條件》的規定核驗具體可用壓力，該壓力必須高于介質的非常高壓力。例如材質為３１６Ｌ的ＰＮ６．３法蘭，介質溫度為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，則可與制造廠商協商，作特殊規格定貨。如果制造廠商經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、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材質等，需與制造廠商協商并簽訂技術協議。對于高溫高壓差壓裝置，還要履行國家安監部門逐臺監檢和認可的手續，以保證安全。

 

２．４關口蒸汽計量表的可靠性設計

由于關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，例如多數品牌渦街流量計的探頭都是設置在測量管內，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，旋渦發生體是采用旋臂梁結構安裝在測量管內，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冗余方法，當在役系統故障后，備用系統自動切入，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勢。因為該類儀表只有差壓裝置與介質接觸，差壓裝置與后續儀表之間經根部閥連接，只要將根部閥關閉，便可對后續儀表進行維修或更換，而管道內的節流件不會損壞，因此，可靠性非常高。在差壓流量計使用現場，有時會發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

在實現計量檢定的方法上，標準差壓流量計具有顯著優勢。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：一是節約開支，關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，但需經實流標定才能保證準確度。

 

２．７經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，差壓信號的引向對保證流量測量準確度至關重要，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］。在使用現場有的差壓信號從水平線向上４５°方向引出，導致發生很多問題［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由汽液交換引起的差壓值脈動有重要作用。

３結束語

關口蒸汽計量是蒸汽供熱網計量管理、生產調度管理、經營管理以及設備管理的技術基礎，在蒸汽供熱網中具有非常重要的作用。關口蒸汽計量表絕大多數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點，關口蒸汽流量測量系統中使用渦街流量計，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。流量系數不確定度可達１．０％，標準噴嘴和文丘里管，系統不確定度要大一些。

 

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，應根據法蘭材質和介質的非常高溫度，按國家標準核驗具體可用工作壓力，該壓力必須高于介質的非常高壓力。關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，都是很成功的經驗。標準差壓裝置可采用幾何法進行檢定，不僅可節約開支而且為用戶帶來很多方便。