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蒸汽的测量
liubingrui 发表于 2007/8/26 16:10:41 1916 查看 2 回复 [上一主题] [下一主题]
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蒸汽是使用最为广泛的载热工质，是重要的二次能源。蒸汽流量的测量量大面广，对加强管理、公平贸易、节能能源、提高经济效益等方面都有重要意义。蒸汽流量测量方法如果按工作原理细分，可分为直接式质量流量计和推导式（也称间接式）质量流量计两大类。前者直接测量与质量流量成函数关系的额变量求得质量流量；后者用体积流量计和其他变量测量仪表，或两种不同的测量原理流量计组合成的仪表，经计算求得质量流量。
现在人们广泛使用的蒸汽质量流量计绝大多数仍为推导式。其中，以节流式差压流量计和涡街流量计为核心组成的蒸汽质量流量计是主流，这两种方法有各自的优点和缺点，而且具有良好的互补性。载差压式流量计中，线性孔板以其范围度广、稳定性好的优势占有一定市场分额，除此之外，科利奥里质量流量计、均速管流量计、超声流量计等在蒸汽流量测量中也有应用。
3.1.1用节流式差压流量计测量蒸汽质量流量
节流式差压流量计的一般表达式为［1］
qm=
(3.1)
式中qm棗质量流量，kg/s；
C――流出系数；
d――工作条件下节流件的开孔直径，m；
3.1.2用线性孔板差压流量计测量蒸汽质量流量
传统的孔板流量计最大的不足是在被测流量相对于满量程流量较小时，差压信号很小，这一缺点大大影响其范围度和测量精确度。人们针对其不足在传统的孔板式产压流量计基础上开发了可变面积可变压头孔板流量计。因为其输出的差压信号与被测流量之间有线性关系，所以也称能够线性孔板差压流量计。
Δp――差压。
1－稳定装置；2－纺锤形活塞；3－固定孔板；4－排气孔；5－标定和锁定蜗杆装置；6－走纸轴支撑；7－低压侧差压检出接头；8－高张力精密弹簧；9－排水孔；10－高压侧差压检出接头
在如图3.3所示的线性孔板中，与孔板处插入一个纺锤形活塞，又差压引起的活塞－弹簧组件的压缩量（活塞的移动距离）为X，则式（3.4）成立，即
式中 K2――弹簧系数。
当活塞向前移动时，流通面积受活塞形状的影响而发生变化，其关系为
A＝K3
（3.5）
式中 K3――常数。
由式（3.4）和式（3.5）得
A=K3
(3.6)
将式（3.6）代入式（3.3）得
q=K1K3
=KΔP
式中 K――常数（K=K1K3
）
①范围度宽。典型得线性孔板差压式流量计可测范围1％～100％FS，保证精确度得范围为5%~100% FS，因此,对于流量变化大得测量对象，一台流量计就可解决。能适应蒸汽、燃油测量得夏季、冬季负荷变化。
②线性差压输出。差压信号与流量成线性关系，被测流量相对于满量程流量较小时，差压信号幅值也较大，有利于提高测量精确度。
③直管段要求低。由于孔板得变面积设计，使其成为在高雷诺数条件下工作得测量机构，可在紧靠弯管、三通下游的部位进行测量（为了保证测量精确度，制造厂还是要求上游直管段≥6倍管径，下游直管段≥3倍管径）。
（3）保证测量精确度的措施 典型的线性孔板流量计GILGLO承诺具有±1％精确度，为了达到这一指标，采取了几项重要措施，其中包括如下几项。
①对线性孔板逐台用水标定
从式（3.4）和（3.5）可知，只要线性孔板中的弹簧线性号，而且活塞被加工成理想形状，使得流通面积A与位移X的1／2次方成线性关系成立，但是，活塞的曲面加工得很理想是困难得，最终不得不用逐台标定得方法来弥补这一不足。
Spirax-sarco公司对线性孔板进行逐台标定是以水为介质，不同口径得线性孔板均选择14个标定点，其中流量较小时，标定点排得较密，图3.4所示为一台DN200线性孔板得标定曲线。图中的差压单位为inH2O,(linH2O=249.0889Pa),表3.1所列的是一台DN200的线性孔板的实际标定数据，其中从体积流量换算到质量流量是建立在水的密度p＝998.29kg/m3基础上的。
图3.4线性孔板标定曲线（介质：水）例
而利用标定数据对线性孔板的非线性误差进行校正还须借助于流量二次表。具体做法是将标定数据写入二次表中的折线表，然而二次表根据输入的差压信号（电流值）用查表和线性内插的方法求得水流量值qmw。
得到水流量值还不是最终目的，因为被测流体不一定是水，当被测流体为其他液体时用式（3.8）进行密度校正。
qmw――标定流体（水）流量，kg/h;
ρf――被测流体密度，kg/m3;
ρw――标定流体（水）密度，kg/m3;
②雷诺数校正。孔板流量计的流量系数同雷诺数之间有确定的函数关系［1］，当质量流量变化时，雷诺数成正比变化，因而引起流量系数的变化。在GILGLO型流量计中，采用较简单的经验公式（3.9）进行雷诺数校正。
式中kre――雷诺数校正系数；
n――常数，kg/h。
但若计算结果大于m值时，则取kre＝m。n和m数值同孔板的口径DN有关，已经固化在直到商提供的流量二次表内。
③温度对线性孔板的影响及其校正。温度对线性孔板影响使之产生误差主要通过三条途径。
a.流体温度变化引起流体密度变化，从而导致差压与流量之间的关系变化。
b.流体温度变化引起管道内径、孔板开孔直径以及活塞几何尺寸的变化，温度升高，环隙面积增大，导致流量计示值有偏低趋势。
c.流体温度变化，线性孔板中的承载弹簧温度相应变化，引起式（3.4）中的弹性常数K2发生变化。温度升高，K2减小，活塞位移X增大，用通俗的话来说就温度升高，弹簧变软，在相同的差压条件下，活塞位移增大。因此，环隙面积相应增大，流量计示值也有偏低趋势。
上述三条途径对流量示值的影响都可以进行校正，其中途径a可由式(3.12)中的流体密度进行补偿。在线性孔板用来测量蒸汽流量时，流体温度作为自变量，参与查蒸汽密度表。从而可由二次表自动进行此项补偿。
上述途径b和c流量示值的影响关系较复杂，在GILFLO型流量计中，采式（3.10）所示的经验公式进行校正。
式中 kt――温度校正系数；
B――系数，℃-1（取B＝0.000189℃-1）；
t――流体温度，℃；
tc――标定时流体温度，℃（tc常为20℃）。
此项校正也是在流量二次表中完成的，其中t为来自温度传感器（变送器）的流体温度信号。
④可膨胀性校正。节流式差压流量计用来测量蒸汽、气体流量时，必须进行流体的可膨胀性（expansibility）校正，线性孔板也不例外。传统孔板的可膨胀性系数修正请参阅本书第8章8.2节。在GILGLO型流量计中用式（3.11）进行校正。
式中kε――可膨胀性系数；
β――直径比（孔板开孔直径与管道内经之比）；
Δp――差压，Pa;
κ――等熵指数；
p1――节流件正端取压口绝压，Pa。
可膨胀性校正也在流量二次表中完成，由二次表进行在线计算。
⑤蒸汽质量流量的计算。用GILGLO型流量计测量蒸汽流量时，蒸汽质量流量在二次表中由式（3.12）计算得到。
qms=krekεkt
(3.12)
式中qms――蒸汽质量流量，kg/h;
kre――雷诺数校正系数；
kε――可膨胀性系数；
kt――温度校正系数；
рw――标定流体（水）的密度，kg/m3；
qmw――水的质量流量，kg/h。
在流量二次表中，先由差压输入信号查折线表得到qmw，再由蒸汽温度、压力值查蒸汽密度表得рf，然后与校正系数kre、kε、kt一起（ρw为设置数据）计算得到蒸汽质量流量qms。
GILFLO型流量计的安装如图3.5所示。
图3.5GILFLO型流量计的安装
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现在人们广泛使用的蒸汽质量流量计绝大多数仍为推导式。其中，以节流式差压流量计和涡街流量计为核心组成的蒸汽质量流量计是主流，这两种方法有各自的优点和缺点，而且具有良好的互补性。载差压式流量计中，线性孔板以其范围度广、稳定性好的优势占有一定市场分额，除此之外，科利奥里质量流量计、均速管流量计、超声流量计等在蒸汽流量测量中也有应用。
3.1.1用节流式差压流量计测量蒸汽质量流量
节流式差压流量计的一般表达式为［1］
qm=
(3.1) 式中qm棗质量流量，kg/s；
C――流出系数；
d――工作条件下节流件的开孔直径，m；
Δp――差压，Pa；
D――管道内径，m。
在式（3.1）中,β和d为常数，C和ε1在一定的流量范围之内也可看作常数，因此式（3.1）可简化为
qm=k(3.2)
从式（3.2）可清楚看出，仪表示值同ρ1密切相关。而蒸汽工况（温度t，压力p）的变化，必然使ρ1产生相应的变化。因此，差压式流量计必须与用以求取蒸汽密度的工况测量仪表配合，并同计算部分一起组成推导式质量流量计，才能保证测量精确度。
- 过热蒸汽质量流量测量 当流体为过热蒸汽时,取决于流体压力ρ1和流体压力ρ1和流体温度t1。图3.1所示为测量系统。
（2）饱和蒸汽质量流量测量 饱和蒸汽的压力和温度是密切相关的，临界饱和状态的蒸汽从其压力查得的密度同从其温度查得的密度是相等的所以推导式质量流量计测量其流量时，既可采用压力补偿也可采用温度补偿。采用压力补偿时，是利用ρ1＝f(ρ1)的关系获得ρ1；采用温度补偿时，是利用ρ1＝f(t1)的关系获得ρ1。两种方法中以压力补偿较宜，详见后文3.1.5条分析。
3.1.2用线性孔板差压流量计测量蒸汽质量流量
传统的孔板流量计最大的不足是在被测流量相对于满量程流量较小时，差压信号很小，这一缺点大大影响其范围度和测量精确度。人们针对其不足在传统的孔板式产压流量计基础上开发了可变面积可变压头孔板流量计。因为其输出的差压信号与被测流量之间有线性关系，所以也称能够线性孔板差压流量计。
- 线性孔板流量计工作原理 线性孔板又称弹性加载可变面积可变压头孔板，其环隙面积随流量大小而自动变化，曲面圆锥形塞子在差压弹簧力的作用下来回移动，环隙变化使输出信号（差压）与流量成线性关系，并大大地扩大范围度，其结构如图3.3所示。
在孔板流量计中，当流体流过开孔面积为A的孔板时，流量q与孔板前后产生的差压之间有如下关系，即
q=K1A
式中 q――流量；
K1――常数；
A――孔板开孔面积；
Δp――差压。
1－稳定装置；2－纺锤形活塞；3－固定孔板；4－排气孔；5－标定和锁定蜗杆装置；6－走纸轴支撑；7－低压侧差压检出接头；8－高张力精密弹簧；9－排水孔；10－高压侧差压检出接头
在如图3.3所示的线性孔板中，与孔板处插入一个纺锤形活塞，又差压引起的活塞－弹簧组件的压缩量（活塞的移动距离）为X，则式（3.4）成立，即
- p＝K2X （3.4）
式中 K2――弹簧系数。
当活塞向前移动时，流通面积受活塞形状的影响而发生变化，其关系为
A＝K3
（3.5） 式中 K3――常数。
由式（3.4）和式（3.5）得
A=K3
(3.6) 将式（3.6）代入式（3.3）得
q=K1K3
=KΔP
式中 K――常数（K=K1K3
） ①范围度宽。典型得线性孔板差压式流量计可测范围1％～100％FS，保证精确度得范围为5%~100% FS，因此,对于流量变化大得测量对象，一台流量计就可解决。能适应蒸汽、燃油测量得夏季、冬季负荷变化。
②线性差压输出。差压信号与流量成线性关系，被测流量相对于满量程流量较小时，差压信号幅值也较大，有利于提高测量精确度。
③直管段要求低。由于孔板得变面积设计，使其成为在高雷诺数条件下工作得测量机构，可在紧靠弯管、三通下游的部位进行测量（为了保证测量精确度，制造厂还是要求上游直管段≥6倍管径，下游直管段≥3倍管径）。
（3）保证测量精确度的措施 典型的线性孔板流量计GILGLO承诺具有±1％精确度，为了达到这一指标，采取了几项重要措施，其中包括如下几项。
①对线性孔板逐台用水标定
从式（3.4）和（3.5）可知，只要线性孔板中的弹簧线性号，而且活塞被加工成理想形状，使得流通面积A与位移X的1／2次方成线性关系成立，但是，活塞的曲面加工得很理想是困难得，最终不得不用逐台标定得方法来弥补这一不足。
Spirax-sarco公司对线性孔板进行逐台标定是以水为介质，不同口径得线性孔板均选择14个标定点，其中流量较小时，标定点排得较密，图3.4所示为一台DN200线性孔板得标定曲线。图中的差压单位为inH2O,(linH2O=249.0889Pa),表3.1所列的是一台DN200的线性孔板的实际标定数据，其中从体积流量换算到质量流量是建立在水的密度p＝998.29kg/m3基础上的。
图3.4线性孔板标定曲线（介质：水）例
而利用标定数据对线性孔板的非线性误差进行校正还须借助于流量二次表。具体做法是将标定数据写入二次表中的折线表，然而二次表根据输入的差压信号（电流值）用查表和线性内插的方法求得水流量值qmw。
标定数据 | 查表数据 | ||
水的实际 流量（20℃）/(kg /h) | 差压/inH2O | 差压变送器输出电流/mA | 工作流体流量/（L/min） |
0.0000 | 0.0000 | 4.0000 | 0.0000 |
6247.4055 | 0.2450 | 4.0280 | 104.3018 |
9475.9305 | 0.5425 | 4.0620 | 158.2027 |
13543.0335 | 1.0938 | 4.1250 | 226.1039 |
18556.5315 | 2.0300 | 4.2320 | 309.8053 |
26804.5443 | 3.9813 | 4.4550 | 447.5076 |
40256.9694 | 6.8250 | 4.7800 | 672.0988 |
55856.3351 | 10.2988 | 5.1770 | 932.5336 |
78318.6682 | 14.7263 | 5.6830 | 1307.5470 |
111950.1528 | 21.5600 | 6.4640 | 1869.0319 |
163394.0063 | 31.7363 | 7.6270 | 2727.8981 |
235423.2212 | 45.7363 | 9.2270 | 3930.4414 |
327416.7604 | 63.7175 | 11.2820 | 5466.2934 |
469675.5153 | 92.8900 | 14.6160 | 7841.3340 |
693845.3638 | 141.3038 | 20.1490 | 11583.8979 |
注：linH2O=249.0889Pa。
得到水流量值还不是最终目的，因为被测流体不一定是水，当被测流体为其他液体时用式（3.8）进行密度校正。
qm=qmw(3.8)
qmw――标定流体（水）流量，kg/h;
ρf――被测流体密度，kg/m3;
ρw――标定流体（水）密度，kg/m3;
②雷诺数校正。孔板流量计的流量系数同雷诺数之间有确定的函数关系［1］，当质量流量变化时，雷诺数成正比变化，因而引起流量系数的变化。在GILGLO型流量计中，采用较简单的经验公式（3.9）进行雷诺数校正。
Kre=(1－n/qmw)－1 (3.9)
式中kre――雷诺数校正系数；
n――常数，kg/h。
但若计算结果大于m值时，则取kre＝m。n和m数值同孔板的口径DN有关，已经固化在直到商提供的流量二次表内。
③温度对线性孔板的影响及其校正。温度对线性孔板影响使之产生误差主要通过三条途径。
a.流体温度变化引起流体密度变化，从而导致差压与流量之间的关系变化。
b.流体温度变化引起管道内径、孔板开孔直径以及活塞几何尺寸的变化，温度升高，环隙面积增大，导致流量计示值有偏低趋势。
c.流体温度变化，线性孔板中的承载弹簧温度相应变化，引起式（3.4）中的弹性常数K2发生变化。温度升高，K2减小，活塞位移X增大，用通俗的话来说就温度升高，弹簧变软，在相同的差压条件下，活塞位移增大。因此，环隙面积相应增大，流量计示值也有偏低趋势。
上述三条途径对流量示值的影响都可以进行校正，其中途径a可由式(3.12)中的流体密度进行补偿。在线性孔板用来测量蒸汽流量时，流体温度作为自变量，参与查蒸汽密度表。从而可由二次表自动进行此项补偿。
上述途径b和c流量示值的影响关系较复杂，在GILFLO型流量计中，采式（3.10）所示的经验公式进行校正。
Kt=1+B(t杢c) (3.10)
式中 kt――温度校正系数；
B――系数，℃-1（取B＝0.000189℃-1）；
t――流体温度，℃；
tc――标定时流体温度，℃（tc常为20℃）。
此项校正也是在流量二次表中完成的，其中t为来自温度传感器（变送器）的流体温度信号。
④可膨胀性校正。节流式差压流量计用来测量蒸汽、气体流量时，必须进行流体的可膨胀性（expansibility）校正，线性孔板也不例外。传统孔板的可膨胀性系数修正请参阅本书第8章8.2节。在GILGLO型流量计中用式（3.11）进行校正。
kε=1-(0.41+0.35β4)(3.11)
式中kε――可膨胀性系数；
β――直径比（孔板开孔直径与管道内经之比）；
Δp――差压，Pa;
κ――等熵指数；
p1――节流件正端取压口绝压，Pa。
可膨胀性校正也在流量二次表中完成，由二次表进行在线计算。
⑤蒸汽质量流量的计算。用GILGLO型流量计测量蒸汽流量时，蒸汽质量流量在二次表中由式（3.12）计算得到。
qms=krekεkt
(3.12) 式中qms――蒸汽质量流量，kg/h;
kre――雷诺数校正系数；
kε――可膨胀性系数；
kt――温度校正系数；
рw――标定流体（水）的密度，kg/m3；
qmw――水的质量流量，kg/h。
在流量二次表中，先由差压输入信号查折线表得到qmw，再由蒸汽温度、压力值查蒸汽密度表得рf，然后与校正系数kre、kε、kt一起（ρw为设置数据）计算得到蒸汽质量流量qms。
GILFLO型流量计的安装如图3.5所示。
图3.5GILFLO型流量计的安装