江 波

（九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司，江西九江 332000）

1 溫度、壓力對(duì)蒸汽密度影響及誤差分析

蒸汽流量，尤其是過熱蒸汽的測(cè)量，受到溫度、壓力對(duì)密度影響較大。理想狀態(tài)下蒸汽壓力能保持恒定[PV=RT，P 為壓力；V 為體積，ρ1為密度，R 為恒量；其中T=（t+273）k，t 攝氏溫度，T 為開爾文溫度，即絕對(duì)溫度，單位：K]；實(shí)際生產(chǎn)過程中，蒸汽系統(tǒng)用量變化、系統(tǒng)的壓力降和生產(chǎn)工藝的變化均會(huì)引起壓力的變化。當(dāng)壓力恒定時(shí)，溫度越高密度越?。欢?dāng)溫度恒定時(shí)，壓力越高蒸汽密度也越高。溫度、壓力變化對(duì)流量測(cè)量的影響，歸根結(jié)底是對(duì)蒸汽密度的影響，因此掌握蒸汽密度變化對(duì)實(shí)際測(cè)量意義重大。差壓法測(cè)量蒸汽流量，受溫度壓力影響較大，有時(shí)測(cè)量誤差能達(dá)到15 %左右，這會(huì)對(duì)計(jì)量工作造成很大的困難。蒸汽計(jì)量一直是計(jì)量工作中的難點(diǎn)，其不僅受溫度壓力的影響，還受其他一些因素影響，如蒸汽干濕度，蒸汽的跑冒漏滴等。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮各種因素，在依照規(guī)范的基礎(chǔ)上，避免一些可以避免的因素，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

節(jié)流裝置測(cè)量基本方程為：

式中：qm為質(zhì)量流量kg/s；C為流出系數(shù)；β為直徑比（；d為工況下孔板內(nèi)徑，D為工況下上游管道內(nèi)徑）；ε1為可膨脹性系數(shù)；ΔPX為孔板前后差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。

不考慮密度變化的情況下，可以將以上公式簡(jiǎn)化為：

在自控設(shè)計(jì)過程中，我們可以分別qm設(shè)、ρ設(shè)、ΔP設(shè)表示qm、ρ、ΔP，則：

由于密度變化造成誤差以δ 表示：

假設(shè)差壓一定的情況下經(jīng)過演算：

蒸汽體積一定，因此得出如下：

則誤差為：

根據(jù)九江石化二催3.5 MPa 蒸汽輸入為例，蒸汽管線管徑規(guī)格為273/250；材質(zhì)為15Cr Mo；最大流量為40 t/h；溫度為370～420 ℃，壓力為3.5 MPa；密度為kg/m3；粘度為0.02562 mPa.s；膨脹系數(shù)為13。根據(jù)計(jì)算溫度、壓力變化引起密度變化造成的測(cè)量誤差見表1。

表1 密度變化造成的測(cè)量誤差

2 蒸汽流量測(cè)量補(bǔ)償方法

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，蒸汽介質(zhì)的壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值引起密度變化，從而造成流量測(cè)量的與實(shí)際值不符，根據(jù)上面數(shù)據(jù)，最大測(cè)量誤差可能達(dá)到12.77 %和-5.51 %，因此在蒸汽測(cè)量過程必要增加密度變化補(bǔ)償裝置，圖1為密度補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖。

圖1 帶溫壓補(bǔ)償流量測(cè)量系統(tǒng)圖

因?yàn)槊芏仁軠囟群蛪毫Φ挠绊?，因此測(cè)量過程中為消除密度變化造成的誤差，就必須將溫度和壓力變化考慮進(jìn)來，根據(jù)：節(jié)流裝置流量測(cè)量計(jì)算見公式（2）。

其中，T=（t+273）k。

因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要測(cè)量蒸汽實(shí)際壓力和溫度，進(jìn)行公式（11）運(yùn)算后才能對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，消除因壓力和溫度影響造成的密度變化，進(jìn)而校正測(cè)量結(jié)果，使測(cè)量結(jié)果更加逼近真實(shí)值。

根據(jù)二催3.5 MPa 蒸汽，設(shè)計(jì)壓力P設(shè)=3.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度t=420 ℃，當(dāng)溫度變化時(shí)，實(shí)際壓力P實(shí)際值=3.3 MPa，實(shí)際溫度t=370 ℃，假設(shè)未經(jīng)過溫壓密度補(bǔ)償流量為37 t/h，經(jīng)過密度補(bǔ)償后的流量：

，其中ρ理想可以根據(jù)蒸汽溫度壓力查過熱蒸汽密度表得出對(duì)應(yīng)的蒸氣流量如下：

綜上結(jié)果，對(duì)蒸汽測(cè)量補(bǔ)償可以根據(jù)兩種方法得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)：一種為通過計(jì)算公式（11）；另一種為計(jì)算公式（12）。但兩種方法原理均是一樣，只是計(jì)算方法不一樣。

目前煉油企業(yè)普遍采用的密度補(bǔ)償方法為：測(cè)量系統(tǒng)增設(shè)溫度及壓力傳感器，在二次表或DCS 中通過計(jì)算獲得校正后的數(shù)據(jù)。雖然能提高蒸汽測(cè)量精度，但給安裝、維護(hù)造成諸多不便，同時(shí)使得測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜化，尤其不能進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地溫壓補(bǔ)償。隨著科技的進(jìn)步人們?cè)O(shè)計(jì)出一體化的溫壓密度補(bǔ)償智能化節(jié)流裝置，這種智能流量傳感器能直接輸出介質(zhì)溫度、壓力補(bǔ)償后的流量信號(hào)，密度補(bǔ)償在一次表中實(shí)現(xiàn)，從而使整個(gè)測(cè)量過程更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確。

3 蒸汽測(cè)量其他影響因素及設(shè)計(jì)過程中規(guī)避方法

蒸汽計(jì)量計(jì)選型除了考慮溫壓補(bǔ)償問題，還需考慮其他影響因素。尤其以下一些因素可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大影響，設(shè)計(jì)和安裝過程中需引起重視。

3.1 量程比不足

量程比是指一個(gè)流量計(jì)能確保給定的精度和再現(xiàn)性的范圍內(nèi)，所能測(cè)量的最大流量和最小流量之比。但涉及量程比時(shí)我們必須小心，因?yàn)榱砍瘫仁腔趯?shí)際的流速，蒸汽系統(tǒng)一般的最大允許速度為35 m/s，更高的流動(dòng)速度會(huì)引起系統(tǒng)的沖蝕和噪聲。而不同的流量計(jì)允許的最低流速是不同的，比如渦街流量計(jì)所能測(cè)量的最低蒸汽流速為2.8 m/s，對(duì)于量程比不足的情況，應(yīng)采用大量程比的流量計(jì)或選擇多個(gè)流量計(jì)并聯(lián)。

3.2 上下游直管段不足

對(duì)于傳統(tǒng)的渦街或孔板流量計(jì)，其前后安裝直管段要求分別約為20D 和5D。如果上下游直管段不足，則會(huì)導(dǎo)致流體不能充分延伸造成旋渦和流速分布剖面畸變。流速剖面畸變通常由管道局部阻礙（如閥門）或彎管所造成，而旋渦普遍是由兩個(gè)或兩個(gè)以上空間彎管所引起的。如果上下游直管段不足的介質(zhì)可以通過安裝流動(dòng)調(diào)整器來調(diào)整。

3.3 蒸汽干度的影響

目前，用于測(cè)量蒸汽流量的流量計(jì)大部分為體積流量計(jì)，首先測(cè)得體積流量，然后通過蒸汽的密度計(jì)算質(zhì)量流量，也就是假定蒸汽為完全干燥。但是，蒸汽并非完全干燥，如果不考慮蒸汽干度的影響，得出的數(shù)據(jù)會(huì)低于實(shí)際的流量。因此流量計(jì)的二次儀表（流量積算儀）應(yīng)該具有設(shè)置飽和蒸汽干度的功能。但在實(shí)際工況確定蒸汽的干度也很困難。因此，盡量改進(jìn)蒸汽流量計(jì)入口處的蒸汽品質(zhì)，從而改進(jìn)蒸汽流量計(jì)的測(cè)量精度。

3.4 管道振動(dòng)

渦街流量計(jì)等對(duì)機(jī)械振動(dòng)比較敏感，計(jì)量結(jié)果易受干擾，應(yīng)對(duì)流量計(jì)前后管道作可靠的支撐設(shè)計(jì)。如管道振動(dòng)不可避免，應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)的差壓式流量計(jì)。

3.5 正確地安裝蒸汽流量計(jì)

不能正確地安裝儀表同樣會(huì)造成測(cè)量結(jié)果較大物產(chǎn)誤差。蒸汽計(jì)量?jī)x表都須正確安裝，否則就不可能準(zhǔn)確地測(cè)量及工作。例如，在鍋爐出蒸汽口附近安裝蒸汽計(jì)量?jī)x表，在截止閥或管道彎頭附近及管道的最低處安裝蒸汽計(jì)量?jī)x表都屬于不當(dāng)?shù)陌惭b。正確安裝蒸汽流量計(jì)量?jī)x表，要做到以下5點(diǎn)。

（1）在所安裝蒸汽儀表前后須留有足夠長(zhǎng)的直管段。

（2）蒸汽計(jì)量?jī)x表不能安裝在整套管路最低處。

（3）重視冷凝器的安裝。兩個(gè)冷凝器應(yīng)處于同一水平上，兩個(gè)冷凝器的作用是使導(dǎo)壓管中被測(cè)蒸汽冷凝并使正、負(fù)導(dǎo)壓管中冷凝液面有相等高度及保持長(zhǎng)期穩(wěn)定；為不使冷凝液面波動(dòng)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生誤差，冷凝器的有效容積應(yīng)大于所使用的差壓變送器工作空間的最大容積變化的3倍，在水平方向的橫截面積不得小于差壓變送器的工作面積，系統(tǒng)確保密封良好，防止泄漏。

（4）導(dǎo)壓管長(zhǎng)度最好在16 m 內(nèi)，內(nèi)徑宜選用Φ10～16 mm，以防堵塞。導(dǎo)壓管全程保溫并確保正、負(fù)管處于同等溫度以免密度變化引起誤差。

（5）裝測(cè)溫元件地方最好在節(jié)流件下游側(cè)10D 以外處，在正壓管上取壓時(shí)，如壓力變送器裝在節(jié)流裝置下方，須對(duì)壓力變送器的管路液柱值進(jìn)行修正，以提高計(jì)量準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

為準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽流量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需做到：

（1）認(rèn)識(shí)蒸汽特點(diǎn)，蒸汽密度受壓力、溫度影響較大，因此在蒸汽測(cè)量過程中，要完善溫壓補(bǔ)償。

（2）蒸汽測(cè)量在計(jì)量工作中是個(gè)難點(diǎn)，實(shí)際上除了溫度壓力的影響，還有輸送過程中的跑冒滴漏和極小用量（無計(jì)量）等，因此在實(shí)際計(jì)量工作中，加強(qiáng)對(duì)計(jì)量的監(jiān)察和能源監(jiān)察。蒸汽管道或管道附件泄漏、計(jì)量?jī)x表及其附件泄露，量程比，蒸汽干度，管道振動(dòng)，并做到正確地安裝。不僅造成能源浪費(fèi)，也能對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性造成影響。

（3）儀表選型首先根據(jù)具體工藝參數(shù)和流量類型（過熱或飽和），設(shè)計(jì)出幾套方案，如選差壓流量計(jì)、巴式流量計(jì)、渦街流量計(jì)，最終從中選取最合適計(jì)量?jī)x表。