關(guān)于氣體流量計測量原理及常見(jiàn)誤差分析

摘要 : 隨著(zhù)生產(chǎn)及運維對測量精度要求日益提高，蒸汽流量測量方法及誤差分析得到了越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注。本文擬對幾種火電廠(chǎng)常用流量測量方法展開(kāi)對比分析，并就常見(jiàn)儀表誤差進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，旨為更好地滿(mǎn)足現場(chǎng)實(shí)際測量需要。
1 研究背景
蒸汽，作為火電廠(chǎng)*重要的二次能源之一，其流量測量對于節能降耗，降低運營(yíng)成本，提高經(jīng)濟效益具有重要意義--但其測量受到諸多因素限制、影響，如介質(zhì)特性、儀表選型、現場(chǎng)安裝等，大大增加了測量難度。隨著(zhù)生產(chǎn)及運維對測量精度的要求日益提高，蒸汽流量測量方法的選擇及誤差分析得到了越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注。
蒸汽分為過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽。飽和狀態(tài)下的液體稱(chēng)為飽和液體，其對應的蒸汽是飽和蒸汽，但*初只是濕飽和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸發(fā)后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過(guò)程溫度是不增加的，干飽和之后繼續加熱則溫度會(huì )上升，成為過(guò)熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不同，因而測量質(zhì)量流量時(shí)要溫壓補償 ；對于飽和蒸汽，其溫度與密度有一一對應關(guān)系，一般只需進(jìn)行壓力補償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量?jì)x表應考慮 5 個(gè)主要因素，即被測流體特性、安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能及維護需求。此外，在實(shí)際工程應用中，儀表的選擇還應綜合考慮以下問(wèn)題 ：
（1）測量目的 ：如商貿結算和儲運測量對準確度要求較高，而過(guò)程控制連續監測一般要求有良好的可靠性及重復性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對于大口徑管路測量，壓力損失會(huì )直接影響能量消耗。
通過(guò)上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或氣體流量計較為理想。
孔板流量計是依據在已知有關(guān)參數的條件下，根據流動(dòng)連續性原理和伯努利方程可以推導出差壓與流量之間的關(guān)系而求得流量。它具有如下優(yōu)點(diǎn) ：①應用*為廣泛，全部單相流體均可使用 ；②結構易于復制，簡(jiǎn)單、牢固、性能穩定可靠，價(jià)格低廉 ；③檢測件（特別是標準型）為全**通用，并得到了國際標準化組織和國際計量組織的認可 ；④無(wú)需個(gè)別校準即可投用 ；⑤同原理儀表擴展類(lèi)型廣泛，可替換性強。但其測量同樣具有一定局限性 ：①由于眾多因素的影響錯綜復雜，精確度難于大幅度提高 ；②受限于流量系數與雷諾數，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長(cháng)的直管段長(cháng)度要求 ；④壓力損失大 ；⑤長(cháng)期使用精度難以保證，需要定期維護、檢修維護量大。
氣體流量計是利用卡曼渦街原理，即流體在管道中經(jīng)過(guò)渦街流量變送器時(shí)，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(guò)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)。它具有如下優(yōu)點(diǎn) ：①適用流體種類(lèi)多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應用 ；②在一定雷諾數范圍內，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質(zhì)中校準，用于各種介質(zhì) ；③結構簡(jiǎn)單牢固、無(wú)可動(dòng)部件，安裝方便，運維可靠 ；④準確度較高，無(wú)零點(diǎn)漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損?。s為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節能意義 ；⑥性?xún)r(jià)比較高。但其測量也具有一定局限性 ：①不適于低雷諾系數測量 ；②管道內流速分布應為充分發(fā)展流，被測管道上、下游直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表系數較低，口徑越大越低，適用于中、小口徑測量 ；④不適用于振動(dòng)大或脈動(dòng)流工況。

3 常見(jiàn)誤差分析
常見(jiàn)誤差來(lái)源主要分為以下幾點(diǎn)。
（1）參數調整或量程選擇有誤
如儀表量程小于實(shí)際參數，不僅無(wú)法正常量，且長(cháng)時(shí)間故障運行可能會(huì )導致儀表無(wú)法恢復的機械損傷 ；若儀表量程遠大于實(shí)際參數，測量結果無(wú)法滿(mǎn)足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準測量的基礎。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過(guò)滿(mǎn)刻度的 95% ；正常流量為滿(mǎn)刻度的 70% ～ 85% ；*小流量不小于滿(mǎn)刻度的 30%。此外，DCS 側量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具備溫壓補償功能
氣體流量計與測量介質(zhì)無(wú)關(guān)是指其體積流量不受溫度、壓力變化影響，但如需計量被測介質(zhì)的質(zhì)量或標準狀態(tài)下體積，就需判別蒸汽狀態(tài)并測量實(shí)時(shí)壓力、溫度等熱工狀態(tài)參數，即在蒸汽工況偏離設計工況時(shí)，將蒸汽的密度對測量結果的影響予以修正 ；如儀表不具備溫壓補償功能，數據處理不當將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿(mǎn)足儀表要求
流體特性直接影響測量結果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考慮因素有儀表的流動(dòng)方向，上下游管道狀況，閥門(mén)位置，防護性輔助設備，非定長(cháng)流（如脈動(dòng)流）情況，電氣干擾和維護空間等。參見(jiàn)“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下游 ：2 ～ 8 倍工藝管道直徑 ；氣體流量計直管段要求--上游 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導直器時(shí)，上游直段長(cháng)度 12D），下游 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安裝不當或儀表工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道與工藝管道同軸，安裝法蘭墊子時(shí)要注意不要凸出管內徑 ；安裝時(shí)還應盡可能的減小因被測介質(zhì)脈動(dòng)引起的內部震動(dòng)及因動(dòng)力引起的外部震動(dòng)。
（5）蒸汽相變產(chǎn)生的附加誤差
隨著(zhù)工況（壓力、溫度等）的變化，過(guò)熱蒸汽可能會(huì )因熱量損失從過(guò)熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)如仍按過(guò)熱蒸汽規律進(jìn)行密度計算將會(huì )帶來(lái)附加誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過(guò)長(cháng)中，由于散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證蒸汽干度，出現凝結水的密度遠大于蒸汽 ；同時(shí)，當管道保溫良好，流動(dòng)阻力損失很大時(shí)（管道上有開(kāi)度很小的閥門(mén)，減壓裝置等），飽和蒸汽很可能會(huì )由于壓力急劇降低而變成過(guò)熱蒸汽（熱力學(xué)上的絕熱節流效應），上述情況都可能引起蒸汽密度變化，從而產(chǎn)生誤差。
4 總結
通過(guò)綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采用孔板流量計及氣體流量計進(jìn)行測量，進(jìn)而又對其適用工況及優(yōu)缺點(diǎn)等展開(kāi)對比分析，并就常見(jiàn)儀表誤差進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，旨為更好地滿(mǎn)足現場(chǎng)實(shí)際測量需要。

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