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涡街流量计等仪表在测量蒸汽时产生误差的来源及解决
发表时间：2018-07-07 点击次数：1085 技术支持：1560-1403-222
蒸汽是工业生产中重要的能量传导物，有时也作为重要的中间介质，对于蒸汽流量计的测量的流量计的种类有很多种，常见的有孔板流量计、涡街流量计，这两种流量计在蒸汽流量测量中都有着非常**的应用，由于蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽，并且蒸汽的传输过程中存在气液两相性的特点，蒸汽的性质跟温度与压力密切相关，导致对于蒸汽的测量成为并不简单的事情。本文就是针对于蒸汽流量测量中容易发生的蒸汽相变、密度不准确、信号传递失真引起的测量误差，具体分析了产生的来源。并根据不同的信号制式，提出了相应的补偿运算公式和方法。对解决贸易计量纠纷、提高蒸汽流量测量准确度，提出了切实可行的探讨方案。
1 蒸汽流量测量误差的来源
在涡街流量计流量测量中，蒸汽流量是容易产生问题的一个流体，特别是在供热结算计量方面，常常发生供收双方总量不能相符的矛盾而难以解决。虽然可测蒸汽流量的仪表有很多，但本文这里不谈各类流量仪表在测量蒸汽流量时的优缺点，而是想就蒸汽流量测量发生误差的其它来源及解决方法，谈一点本人的粗浅看法与大家探讨。
1）蒸汽相变对测量的影响。
2）饱和蒸汽密度失准的问题。
3）测量信号传递失真问题。
1.1 蒸汽相变对测量的影响
蒸汽相变问题在实际使用中时有发生，所谓蒸汽相变就是：在输送过程中原本饱和蒸汽变为过热蒸汽了，或是过热蒸汽变为饱和蒸汽了。蒸汽产生相变主要发生在管道输送过程中或使用场合，饱和蒸汽变为过热蒸汽，一般发生在湿饱和蒸汽被较大幅度快速减压，温度随之也降低，如果相变前的湿饱和蒸汽含水滴较少，则温度降低后会仍然高于新的压力对应的饱和温度，则蒸汽由原来的饱和状态变为过热状态。而过热蒸汽变为饱和蒸汽，一般是由于长距离输送的热损使温度降低，当温度低于或等于该压力对应的饱和温度时便进入饱和状态。蒸汽发生相变对流量测量的影响可分为几种情况.
a）饱和蒸汽发生变化后，仍然未脱离饱和状态，只是与变化前的压力、温度不同而处于一种新的饱和状态。这种情况只要系统有补偿仪表，且饱和蒸汽的干度较高，对测量无影响。
b）饱和蒸汽相变后成为过热蒸汽。如果设计时就考虑到有可能会产生相变，测量系统采用的是压力和温度双补偿，而且蒸汽密度是采用IFC1967 公式动态计算的，则这个相变对测量无影响。如果蒸汽密度采用查表法，这就要求运算仪表内除了装有《饱和蒸汽密度表》外，还应装有《过热蒸汽密度表》及相应的判断程序。采用查表法需要的两个数表和判断程序，缺少任何一个都会对流量测量带来误差。
c）饱和蒸汽测量系统采用的是单压力或单温度补偿，相变后对测量就会带来误差，现举例说明。一饱和蒸汽测量系统，采用单参数补偿，现场实际表压为0.5MPa，实际温度170℃。从上述压力和温度看，目前该蒸汽已经变为“过热”状态，其密度为3.0706kg/m3。
如果采用单压力补偿，依据0.5MPa 查饱和蒸汽表得到密度为3.1698 kg/m3，给测量带来的误差为：
对脉冲、线性电流信号的仪表 (（3.1698 -3.0706）/3.0706)*****=3.23%
对方根电流信号的仪表(（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*****=1.62%
如果采用单温度补偿，依据170℃查饱和蒸汽表得到密度为4.1229kg/m3，给测量带来的误差为：
对脉冲、线性电流信号(（4.1229- 3.0706）/3.0706)*****=34.27%
对方根电流信号 (（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*****=17.14%
从上述可以看出，对于饱和蒸汽采用单参数补偿查表法求取密度，当蒸汽发生相变时会给测量带来误差，但是采用单压力补偿的误差要小于单温度补偿。
d）过热蒸汽变为饱和蒸汽。由于大多数的过热蒸汽测量系统基本都采用压力和温度双补偿，所以如果积算仪表的蒸汽密度是采用IFC1967 公式动态计算的，则这个相变对测量无影响。如果采用查表法取得蒸气密度，当过热蒸汽变为饱和蒸汽后可能查不到对应的密度。因为在运算仪表内的《过热蒸气密度表》，通常只列出过热蒸汽范围的压力、温度数据，处于饱和状态下的数据一般不提供。例如现场实际表压0.8MPa、温度170℃。该表压0.8MPa 对应的饱和温度为 =175 s t .36℃，而实际温度170℃＜ s t 明显已经处于饱和状态，因该压力下数表提供的可查温度范围t＞175℃，所以无对应的温度可查。即使仪表内装有《饱和蒸汽密度表》，但是如果没有蒸汽状态判断程序，仪表是不能自动转查《饱和蒸汽密度表》的，由此测量误差便会产生。
1.2 饱和蒸汽密度失准问题
1.2.1 失准原因分析这里所说的饱和蒸汽密度不准确，是指脱离了临界饱和状态的蒸汽，也就是常说的湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽是汽液两相共存的状态，它是蒸汽和水的混合物，属于复杂的单工质气液两相流体。由于目前的流量仪表的技术性能都是在单相流状态下定义的，对于涡街流量计测量气液两相流的仪表，多年来尽管人们不断地进行了研究和探讨，也提出了一些运算数学模型，但是适用范围和测量准确度都不够理想，所以准确测量气液两相流的仪表仍是今后需要努力的方向。鉴于介质两相流型的复杂多变，本文这里讨论的湿饱和蒸汽密度的计算，其湿度也只能界定在某一范围内，并认为气液是均相流动的状态为前提。湿饱和蒸汽的形成是在实际使用中的产生的，例如热电厂送出的饱和蒸汽经过管道较长距离的输送，就会有部分蒸汽程度不等的变成冷凝水而成为湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽的密度与临界饱和蒸汽（以下称为干饱和蒸汽）的密度是不同的。而目前使用的两个饱和蒸汽密度表（以压力和温度为自变量）中提供的蒸汽密度，均为干饱和蒸汽的密度值，数表中之所以不列入湿饱和蒸汽密度的数据，是因该数据还不能准确得到。因为要想准确得到湿饱和蒸汽的密度，就必须知道饱和蒸汽的干度指标x或者湿度指标y，但是由于技术上的原因，目前还不能在线准确获得，这就是本文所指出的，当饱和蒸汽脱离临界饱和状态变为湿饱和蒸汽后，其密度不准确的原因。例如已知饱和蒸气工作绝压为0.48 MPa，若已知湿度y为5%（x =0.95），看一下密度的差别。
查表得到饱和蒸气密度g r =2.5683 kg/m3，湿饱和蒸汽实际密度为H r =2.7034 kg/m3。
查表得到的干饱和蒸汽的密度与实际湿饱和蒸汽的密度误差为：
((2.5683- 2.7034)/ 2.7034) *****» 100 5.0%
如果蒸汽的湿度y不同，即使仍然处于工作绝压为0.48 MPa 状态下，将会得到不同的密值，可自行验算这里不再举例了。
1.2.2 失准带来的影响
饱和蒸汽含水所产生的涡街流量计流量测量误差，引起大的纠纷就是在贸易结算计量上。供方和收方在一根管道上装有同样的流量计，在供方由于距离热源较近，饱和蒸汽中的的水滴含量可能很少，对测量影响较小。而在收方由于长距离输送会导致部分蒸汽冷凝的水滴含量增大，对测量的影响必然较大。尽管供、收双方的流量仪表都是正常的，但是供大于收的计量误差是常常发生的。例如在供收双方流量仪表都用涡街流量计，在双方仪表都正常的情况下，供方瞬时流量显示5.2t/h时，在收方可能只有4.9t/h显示值，误差为－5.77%甚至示值不稳定，这就是接收方的蒸汽中含水原因所造成的。如果收方将管道的积水及时放掉，能使涡街流量计示值恢复稳定，但上述差量可能会仍然存在。因为在供方测量的几乎是“蒸汽的总的质量流量”，而在收方“有一部分汽体冷凝成液体了”，这些液体不会被检测到或是被排放掉，从而导致质量流量减少，误差也就产生了，（当然不排除水滴使少量脉冲漏计造成的部分误差），这个误差完全不是双方仪表有问题造成的，而是湿蒸汽密度不能准确得到造成的。由此常常导致供收双方多次拆下流量仪表外送校验，造成白白耗费时间财力却无功而返。
举例说明如下，用脉冲信号的涡街流量计测量饱和蒸汽流量，当饱和蒸汽由干饱和蒸汽变为湿饱和蒸汽后，计算一下对流量测量带来的误差。若已知蒸汽湿度5%，绝压为0.40 MPa，查表密度g r 为2.1635 kg/m3，湿蒸汽实际密度为H r 为2.2773 kg/m3，仪表系数K =0.3396。
当测量频率为f =135.8Hz 时，采用不同的密度得到的测量结果。依据脉冲涡街质量流量运算式 q m =( 3.6 f / K)* ρ1
查表密度流量为qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.1635=3114.523kg/h
实际密度流量为qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.2773=3278.346kg/h
误差qm=((3114.523-3278.346)/3278.346)*****=-4.997%
从计算结果看饱和蒸汽湿度在5%的情况采用查表密度测量，将会造成约-5%的流量误差。
1.2.3 湿饱和蒸汽密度的计算
如前所述，下面介绍的湿饱和蒸汽密度的计算，是界定在一定范围的基础上进行的，其界定的范围如下。当蒸汽湿度y≤5%时（干度x在99%～95%间），可认为气液是均相流动，气液速度基本相等，即速度比K≈1，可用下式（1）或（2）计算密度，其准确度是可信的。当湿蒸汽湿度6%≤ y≤10%左右时（干度x在94%～90%间），流动状况会从“均相流动”状态，依据水平管道或垂直管道流向的不同，逐渐变成复杂的流动状态。如果对计算准确度要求不高的话，也可用式（1）或（2）尝试计算，但是密度误差会大于y≤5%时的状态，具体数值不能确定。当湿蒸汽湿度y＞10%后（干度x＜90%），不能用下式求取湿蒸汽实际密度，因为流动状态已经不是均相流动状态，其速度比K≠1 了。
2 蒸汽问题的解决方案
2.1 蒸汽相变问题的解决方法
a）一是对可能产生相变的涡街流量计测量系统有一个事先预防措施，就是在设计时无论是测量饱和蒸汽还是过热蒸汽，一律采用压力和温度双补偿。这样虽然一次性成本费用有所增大，但是从长远利益来看，无疑是减少矛盾、增加效益的良方。二是好采用具有“IFC1967 公式动态计算蒸汽密度”的积算仪，它能根据测量的压力温度识别蒸汽的状态，及时计算出过热状态、饱和状态下的蒸汽密度。目前市场上已经有了具有此功能的智能流量积算仪如FLC-2800。当然也可采用同时装有《饱和蒸汽密度表》和《过热蒸汽密度表》、且具有判断蒸汽状态功能的积算仪。以便可以根据蒸汽的实际状态及时查找不同的数表，从而得到蒸汽的密度值。
b）对于饱和蒸汽单参数补偿的系统，尽量采用压力补偿，这样即使发生了相变，也会使误差远小于单温度补偿的系统。
c）流量计安装地点应妥善考虑，应选择不容易导致蒸汽发生相变的位置，如避开经常有减压操作的设备和减压阀门后面，输送蒸汽的管道和涡街流量计测量传感器加强保温措施等。
2.2 饱和蒸汽密度不准的解决方法
对于湿饱和蒸汽密度需要知道蒸汽的干度或湿度，而这个数据目前又难以在线得到的问题，笔者提出了一个解决方案供大家讨论。
供收双方在确认了双方流量仪表都处于正常良好的工作状态前提下，可以根据长期存在的差量和现场的实际工况，根据经验确定出不同时间段湿蒸汽的含水程度，然后在积算仪表内设置相应的湿度补偿运算公式，通过人工输入蒸汽干度x或湿度y数值，就可以对湿饱和蒸汽进行湿度补偿运算[1]。只要湿度指标估算基本正确，双方差量的矛盾就可以大大缓解。
上一条：超声波及电磁流量计在污水处理工艺中的选型要点
下一条：差压变送器（差压液位变送器）在油库液位计量中的应用分析
1 蒸汽流量测量误差的来源
在涡街流量计流量测量中，蒸汽流量是容易产生问题的一个流体，特别是在供热结算计量方面，常常发生供收双方总量不能相符的矛盾而难以解决。虽然可测蒸汽流量的仪表有很多，但本文这里不谈各类流量仪表在测量蒸汽流量时的优缺点，而是想就蒸汽流量测量发生误差的其它来源及解决方法，谈一点本人的粗浅看法与大家探讨。
1）蒸汽相变对测量的影响。
2）饱和蒸汽密度失准的问题。
3）测量信号传递失真问题。
1.1 蒸汽相变对测量的影响
蒸汽相变问题在实际使用中时有发生，所谓蒸汽相变就是：在输送过程中原本饱和蒸汽变为过热蒸汽了，或是过热蒸汽变为饱和蒸汽了。蒸汽产生相变主要发生在管道输送过程中或使用场合，饱和蒸汽变为过热蒸汽，一般发生在湿饱和蒸汽被较大幅度快速减压，温度随之也降低，如果相变前的湿饱和蒸汽含水滴较少，则温度降低后会仍然高于新的压力对应的饱和温度，则蒸汽由原来的饱和状态变为过热状态。而过热蒸汽变为饱和蒸汽，一般是由于长距离输送的热损使温度降低，当温度低于或等于该压力对应的饱和温度时便进入饱和状态。蒸汽发生相变对流量测量的影响可分为几种情况.
a）饱和蒸汽发生变化后，仍然未脱离饱和状态，只是与变化前的压力、温度不同而处于一种新的饱和状态。这种情况只要系统有补偿仪表，且饱和蒸汽的干度较高，对测量无影响。
b）饱和蒸汽相变后成为过热蒸汽。如果设计时就考虑到有可能会产生相变，测量系统采用的是压力和温度双补偿，而且蒸汽密度是采用IFC1967 公式动态计算的，则这个相变对测量无影响。如果蒸汽密度采用查表法，这就要求运算仪表内除了装有《饱和蒸汽密度表》外，还应装有《过热蒸汽密度表》及相应的判断程序。采用查表法需要的两个数表和判断程序，缺少任何一个都会对流量测量带来误差。
c）饱和蒸汽测量系统采用的是单压力或单温度补偿，相变后对测量就会带来误差，现举例说明。一饱和蒸汽测量系统，采用单参数补偿，现场实际表压为0.5MPa，实际温度170℃。从上述压力和温度看，目前该蒸汽已经变为“过热”状态，其密度为3.0706kg/m3。
如果采用单压力补偿，依据0.5MPa 查饱和蒸汽表得到密度为3.1698 kg/m3，给测量带来的误差为：
对脉冲、线性电流信号的仪表 (（3.1698 -3.0706）/3.0706)*****=3.23%
对方根电流信号的仪表(（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*****=1.62%
如果采用单温度补偿，依据170℃查饱和蒸汽表得到密度为4.1229kg/m3，给测量带来的误差为：
对脉冲、线性电流信号(（4.1229- 3.0706）/3.0706)*****=34.27%
对方根电流信号 (（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*****=17.14%
从上述可以看出，对于饱和蒸汽采用单参数补偿查表法求取密度，当蒸汽发生相变时会给测量带来误差，但是采用单压力补偿的误差要小于单温度补偿。
d）过热蒸汽变为饱和蒸汽。由于大多数的过热蒸汽测量系统基本都采用压力和温度双补偿，所以如果积算仪表的蒸汽密度是采用IFC1967 公式动态计算的，则这个相变对测量无影响。如果采用查表法取得蒸气密度，当过热蒸汽变为饱和蒸汽后可能查不到对应的密度。因为在运算仪表内的《过热蒸气密度表》，通常只列出过热蒸汽范围的压力、温度数据，处于饱和状态下的数据一般不提供。例如现场实际表压0.8MPa、温度170℃。该表压0.8MPa 对应的饱和温度为 =175 s t .36℃，而实际温度170℃＜ s t 明显已经处于饱和状态，因该压力下数表提供的可查温度范围t＞175℃，所以无对应的温度可查。即使仪表内装有《饱和蒸汽密度表》，但是如果没有蒸汽状态判断程序，仪表是不能自动转查《饱和蒸汽密度表》的，由此测量误差便会产生。
1.2 饱和蒸汽密度失准问题
1.2.1 失准原因分析这里所说的饱和蒸汽密度不准确，是指脱离了临界饱和状态的蒸汽，也就是常说的湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽是汽液两相共存的状态，它是蒸汽和水的混合物，属于复杂的单工质气液两相流体。由于目前的流量仪表的技术性能都是在单相流状态下定义的，对于涡街流量计测量气液两相流的仪表，多年来尽管人们不断地进行了研究和探讨，也提出了一些运算数学模型，但是适用范围和测量准确度都不够理想，所以准确测量气液两相流的仪表仍是今后需要努力的方向。鉴于介质两相流型的复杂多变，本文这里讨论的湿饱和蒸汽密度的计算，其湿度也只能界定在某一范围内，并认为气液是均相流动的状态为前提。湿饱和蒸汽的形成是在实际使用中的产生的，例如热电厂送出的饱和蒸汽经过管道较长距离的输送，就会有部分蒸汽程度不等的变成冷凝水而成为湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽的密度与临界饱和蒸汽（以下称为干饱和蒸汽）的密度是不同的。而目前使用的两个饱和蒸汽密度表（以压力和温度为自变量）中提供的蒸汽密度，均为干饱和蒸汽的密度值，数表中之所以不列入湿饱和蒸汽密度的数据，是因该数据还不能准确得到。因为要想准确得到湿饱和蒸汽的密度，就必须知道饱和蒸汽的干度指标x或者湿度指标y，但是由于技术上的原因，目前还不能在线准确获得，这就是本文所指出的，当饱和蒸汽脱离临界饱和状态变为湿饱和蒸汽后，其密度不准确的原因。例如已知饱和蒸气工作绝压为0.48 MPa，若已知湿度y为5%（x =0.95），看一下密度的差别。
查表得到饱和蒸气密度g r =2.5683 kg/m3，湿饱和蒸汽实际密度为H r =2.7034 kg/m3。
查表得到的干饱和蒸汽的密度与实际湿饱和蒸汽的密度误差为：
((2.5683- 2.7034)/ 2.7034) *****» 100 5.0%
如果蒸汽的湿度y不同，即使仍然处于工作绝压为0.48 MPa 状态下，将会得到不同的密值，可自行验算这里不再举例了。
1.2.2 失准带来的影响
饱和蒸汽含水所产生的涡街流量计流量测量误差，引起大的纠纷就是在贸易结算计量上。供方和收方在一根管道上装有同样的流量计，在供方由于距离热源较近，饱和蒸汽中的的水滴含量可能很少，对测量影响较小。而在收方由于长距离输送会导致部分蒸汽冷凝的水滴含量增大，对测量的影响必然较大。尽管供、收双方的流量仪表都是正常的，但是供大于收的计量误差是常常发生的。例如在供收双方流量仪表都用涡街流量计，在双方仪表都正常的情况下，供方瞬时流量显示5.2t/h时，在收方可能只有4.9t/h显示值，误差为－5.77%甚至示值不稳定，这就是接收方的蒸汽中含水原因所造成的。如果收方将管道的积水及时放掉，能使涡街流量计示值恢复稳定，但上述差量可能会仍然存在。因为在供方测量的几乎是“蒸汽的总的质量流量”，而在收方“有一部分汽体冷凝成液体了”，这些液体不会被检测到或是被排放掉，从而导致质量流量减少，误差也就产生了，（当然不排除水滴使少量脉冲漏计造成的部分误差），这个误差完全不是双方仪表有问题造成的，而是湿蒸汽密度不能准确得到造成的。由此常常导致供收双方多次拆下流量仪表外送校验，造成白白耗费时间财力却无功而返。
举例说明如下，用脉冲信号的涡街流量计测量饱和蒸汽流量，当饱和蒸汽由干饱和蒸汽变为湿饱和蒸汽后，计算一下对流量测量带来的误差。若已知蒸汽湿度5%，绝压为0.40 MPa，查表密度g r 为2.1635 kg/m3，湿蒸汽实际密度为H r 为2.2773 kg/m3，仪表系数K =0.3396。
当测量频率为f =135.8Hz 时，采用不同的密度得到的测量结果。依据脉冲涡街质量流量运算式 q m =( 3.6 f / K)* ρ1
查表密度流量为qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.1635=3114.523kg/h
实际密度流量为qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.2773=3278.346kg/h
误差qm=((3114.523-3278.346)/3278.346)*****=-4.997%
从计算结果看饱和蒸汽湿度在5%的情况采用查表密度测量，将会造成约-5%的流量误差。
1.2.3 湿饱和蒸汽密度的计算
如前所述，下面介绍的湿饱和蒸汽密度的计算，是界定在一定范围的基础上进行的，其界定的范围如下。当蒸汽湿度y≤5%时（干度x在99%～95%间），可认为气液是均相流动，气液速度基本相等，即速度比K≈1，可用下式（1）或（2）计算密度，其准确度是可信的。当湿蒸汽湿度6%≤ y≤10%左右时（干度x在94%～90%间），流动状况会从“均相流动”状态，依据水平管道或垂直管道流向的不同，逐渐变成复杂的流动状态。如果对计算准确度要求不高的话，也可用式（1）或（2）尝试计算，但是密度误差会大于y≤5%时的状态，具体数值不能确定。当湿蒸汽湿度y＞10%后（干度x＜90%），不能用下式求取湿蒸汽实际密度，因为流动状态已经不是均相流动状态，其速度比K≠1 了。
2 蒸汽问题的解决方案
2.1 蒸汽相变问题的解决方法
a）一是对可能产生相变的涡街流量计测量系统有一个事先预防措施，就是在设计时无论是测量饱和蒸汽还是过热蒸汽，一律采用压力和温度双补偿。这样虽然一次性成本费用有所增大，但是从长远利益来看，无疑是减少矛盾、增加效益的良方。二是好采用具有“IFC1967 公式动态计算蒸汽密度”的积算仪，它能根据测量的压力温度识别蒸汽的状态，及时计算出过热状态、饱和状态下的蒸汽密度。目前市场上已经有了具有此功能的智能流量积算仪如FLC-2800。当然也可采用同时装有《饱和蒸汽密度表》和《过热蒸汽密度表》、且具有判断蒸汽状态功能的积算仪。以便可以根据蒸汽的实际状态及时查找不同的数表，从而得到蒸汽的密度值。
b）对于饱和蒸汽单参数补偿的系统，尽量采用压力补偿，这样即使发生了相变，也会使误差远小于单温度补偿的系统。
c）流量计安装地点应妥善考虑，应选择不容易导致蒸汽发生相变的位置，如避开经常有减压操作的设备和减压阀门后面，输送蒸汽的管道和涡街流量计测量传感器加强保温措施等。
2.2 饱和蒸汽密度不准的解决方法
对于湿饱和蒸汽密度需要知道蒸汽的干度或湿度，而这个数据目前又难以在线得到的问题，笔者提出了一个解决方案供大家讨论。
供收双方在确认了双方流量仪表都处于正常良好的工作状态前提下，可以根据长期存在的差量和现场的实际工况，根据经验确定出不同时间段湿蒸汽的含水程度，然后在积算仪表内设置相应的湿度补偿运算公式，通过人工输入蒸汽干度x或湿度y数值，就可以对湿饱和蒸汽进行湿度补偿运算[1]。只要湿度指标估算基本正确，双方差量的矛盾就可以大大缓解。
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