摘要：結(jié)合差壓式流量計和渦街流量計的原理，對節(jié)流裝置、巴類流量元件和渦街流量計測量蒸汽流量的主要影響因素進(jìn)行分析，并根據(jù)幾種不同儀表的特點(diǎn)，分別就選型、安裝、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行分析，并總結(jié)幾種測量儀表的優(yōu)點(diǎn)與不足。
蒸汽是使用最廣泛的載熱工質(zhì)，是重要的二次能源，蒸汽流量的測量對加強(qiáng)管理、公平貿(mào)易、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都有重要意義。蒸汽流量測量方法按工作原理，可分為直接式和推導(dǎo)式兩大類�，F(xiàn)在廣泛使用的蒸汽流量計為推導(dǎo)式，包括節(jié)流裝置、巴類流量元件及渦街流量計等，這些測量方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場合。
1節(jié)流裝置
　　節(jié)流式差壓流量元件是一種歷史悠久、用量最大的流量計。節(jié)流式差壓流量計依據(jù)流體流過節(jié)流裝置，使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽墚a(chǎn)生差壓的原理來工作。節(jié)流裝置分為標(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型兩大類。標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流元件按照GB/T2624設(shè)計、制造、安裝和使用，無需實(shí)流校準(zhǔn)。節(jié)流式差壓流量計可測量所有單向流，包括液、氣、蒸汽等。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置世界通用，并得到國際計量組織的認(rèn)可。
　　節(jié)流裝置見圖1。當(dāng)流體通過標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置時，在1-I截面前，流體未受節(jié)流件的影響，管道內(nèi)流速分布均勻。管道軸心處和管壁處的靜壓相等。I-I截面后(約0.5D~2D)，流體開始受節(jié)流件影響，靠近管壁處的流體向中心加速，平均流速逐漸升高，直至II-II截面，流束收縮到最小，平均流速達(dá)到最大值。自II-II截面后，流束開始膨脹，直至川-I截面，又恢復(fù)到I-I截面前的情況，此時平均流速逐漸降低，與平均流速相對應(yīng)的靜壓也由低到高再恢復(fù)到低值。流體在節(jié)流件前、后的管壁附近形成渦流，渦流即有橫向脈動，還有逆向運(yùn)動，孔板或噴嘴的壓力損失高，就是因?yàn)闇u流能量耗散造成的。

　　式中，Z、p/ρ、Kv2/2分別表示單位質(zhì)量流體在過流斷面上的位能、壓力能和動能的平均值。εv212表示單位質(zhì)量流體的平均能量損失。
推導(dǎo)出不可壓縮流體的流量方程式:

按照GB/T2624，流出系數(shù)C的定義式為:

　　在一定的安裝條件下給定的節(jié)流裝置，該C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)，即C=f(ReD，節(jié)流件類型，D，β)。由此，可以算出流出系數(shù)，進(jìn)而得到節(jié)流裝置的選型計算。
　　流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系見圖2。低雷諾數(shù)區(qū)域?qū)儆趯恿鲄^(qū)，流體繞過限流孔后不會形成噴射現(xiàn)象，流出系數(shù)隨雷諾數(shù)增高而增大;中雷諾數(shù)區(qū)域內(nèi)流動從層流發(fā)展到紊流，流出系數(shù)隨雷諾數(shù)增高而增大的速度緩慢。對于孔板，由于慣性作用加強(qiáng)，孔口處開始形成噴射，流束在孔口外產(chǎn)生縮流，因此C值下降;在高雷諾數(shù)區(qū)域，C值都趨于穩(wěn)定，對于孔板，β值越高，趨于穩(wěn)定時的雷諾數(shù)就越高。

2巴類流量元件
　　巴類流量元件是一-種新型的差壓式流量元件，采用差壓式的工作原理，插入式的安裝方法。其通過一-根直徑為十幾毫米的探頭取壓，探頭前后有二排不均勻分布的、若干個幾毫米的引壓孔。通過這兩排孔將管道從上到下的不同壓力在孔內(nèi)取平均以構(gòu)成差壓。巴類流量元件精度高，壓損小，對探頭磨損小，在安裝合適的情況下，可以長期保持精度。
巴類流量元件質(zhì)量流量的計算公式:

　　阻斷系數(shù)ζ只與探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于不可壓縮.介質(zhì)，由于壓損不會影響密度的變化，膨脹系數(shù)ε為1。對于可壓縮的介質(zhì)，隨著管道內(nèi)壓力損失增.加和管道內(nèi)靜壓的減小，膨脹系數(shù)ε從1開始，按照比例下降。

　　式中，Pp為設(shè)計壓力，pg為工況壓力，εg為設(shè)計膨脹系數(shù)，dp,為設(shè)計差壓，當(dāng)前工況密度為ρg。若介質(zhì)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)相近，使用理想氣體方程可以得到足夠精度的結(jié)果:

3渦街流量計
　　渦街流量計根據(jù)卡門(Karman)渦街原理研究生產(chǎn)，渦街流量計壓損小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響，無可動機(jī)械零件，維護(hù)量小。渦街流量計在流體中設(shè)置三角柱型旋渦發(fā)生體，流體在管道中經(jīng)過渦街流量計時，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):

　　式中，f為旋渦的釋放頻率;v為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度;d為旋渦發(fā)生體特征寬度;St為斯特勞哈爾數(shù)，范圍為0.14～0.27，是雷諾數(shù)的函數(shù)。

　　當(dāng)雷諾數(shù)Re在102~10時范圍內(nèi)，St值約為0.2。在測量中，需滿足流體的雷諾數(shù)在102~105,此時旋渦頻率:

　　由此，通過測量旋渦頻率就可以計算出流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度v，再由式q=vA，可以求出流量q，其中A為流體流過旋渦發(fā)生體的截面積。
4三種流量計比較
4.1選型比較
　　標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只有在滿足以下條件下，流量系數(shù)才與規(guī)范中提供的數(shù)據(jù)相符:①被測介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道截面連續(xù)地流動;②管道內(nèi)的流速(流動狀態(tài))應(yīng)是穩(wěn)定的;③被測介質(zhì)在通過節(jié)流裝置時，應(yīng)不發(fā)生相變;④節(jié)流裝置前后有足夠長度的直管段。
　　巴類流量元件運(yùn)用廣泛，可以測量干燥氣體、潮濕氣體、液體或蒸汽的介質(zhì)，不受介電常數(shù)的影響，適用通徑廣。一-般用于大口徑管道上蒸汽流量測量。
　　渦街流量計可以在測量介質(zhì)流速0.5~12m/s范圍內(nèi)選用。渦街流量計的口徑不一定與工藝管道相同，選型時考慮測量流量范圍是否在流速范圍內(nèi)，當(dāng)管道流速偏低，需縮小儀表口徑，提高流速，從而得到滿意的測量結(jié)果。
4.2安裝比較
　　節(jié)流裝置和巴類流量元件都需要與差壓顯示儀表連接，測量蒸汽時都采用伴熱保溫來應(yīng)對蒸汽冬季凝結(jié)的情況，見圖3、圖4。節(jié)流裝置的現(xiàn)場安裝條件要求較高，需較長的直管段，一般為前20D,后15D。巴類流量元件的前后直管段要求相對短一些，一般為前7D，后3D。節(jié)流裝置或巴類流量元件與差壓顯示儀表之間引壓管線亦為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞及凍結(jié)、信號失真等故障。

　　巴類流量元件安裝工作量小。該探頭采用的是插入式的工作方式，安裝方便、簡單。安裝的時候只要在現(xiàn)場直接開孔焊接即可，見圖5。


　　渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、無需導(dǎo)壓管和三閥組，減少了泄漏、堵塞和凍結(jié)等。但是，渦街流量計對管道機(jī)械振動敏感，不宜用于強(qiáng)振動.的場所。渦街流量計的前后直管段要求前15D，后10D，通常用于管徑在300mm以下的工況，見圖6。

4.3經(jīng)濟(jì)性比較
　　節(jié)流式差壓流量計中的標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，性能可靠，價格低，無需實(shí)流校準(zhǔn)就能夠使用;其測量精度在流量計中屬于中等水平。由于很多因素影響錯綜復(fù)雜，精度難以提高;測量范圍窄，差壓信號與流量為平方關(guān)系，量程比僅為3:1~4:1;孔板或噴嘴的壓損較大，能耗高。
　　巴類流量元件壓損較孔板大幅減少，只有孔板的5%~10%，減小了系統(tǒng)的運(yùn)營成本。由于壓差小，則對應(yīng)的差壓變送器選擇要求提高，相應(yīng)增大了差壓變送器的采購成本。
　　渦街流量計壓損小，約為節(jié)流式元件的1/4，其儀表購置費(fèi)用高，安裝費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較低。
4.4精度與小流量切除性能比較
　　滿足規(guī)范GB/T2426生產(chǎn)的節(jié)流式差壓流量計的精度在+0.55%左右;巴類流量元件的精度與前后直管段有關(guān)，當(dāng)前直管段長度為14D，后直管段長度為3D時，精度可以達(dá)到+0.5%，當(dāng)前直管段為7D，后直管段為3D時，精度可以達(dá)到+1%;而渦街流量計的精度在土1.0%，對于內(nèi)縮徑型的渦街流量計，其精度在士1.35%左右。
　　當(dāng)某測點(diǎn)由開車工況變化至正常工況時，其測點(diǎn)往往流量值逐步由小流量遞增至正常流量。當(dāng)工況流量低于三種儀表可以測量的范圍內(nèi)，會出現(xiàn)測量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。對于節(jié)流裝置，當(dāng)雷諾數(shù)小于5000時，精度就會遠(yuǎn)超0.55%;巴類流量元件對雷諾數(shù)的要求不高，在保證滿管的情況下，若雷諾數(shù)低，巴類流量元件的輸出差壓會偏小，影響差壓變送器的測量精度;渦街流量計的最小雷諾數(shù)極限為10000。
4.5案例比較
　　針對某精餾工段換熱器的蒸汽流量測量，做了計算對比:
　　該位置點(diǎn)管道壓力等級為150#，管徑250mm，蒸汽操作壓力為0.4MPa，操作溫度為151℃，蒸汽流量為4000kg/h,允許壓損為20kPao
　　節(jié)流裝置經(jīng)過選型計算，采用滿刻度壓差10kPa，正常差壓為5kPa，開孔直徑比為0.44，最大壓損為7.9kPa。一整套節(jié)流裝置的采購安裝費(fèi)用大致在2.5萬元左右。
　　巴類流量元件經(jīng)計算，其滿刻度差壓為0.3kPa，正常差壓為0.18kPa，最大壓損為0.02kPa。其采購安裝費(fèi)用大致在4.2萬元左右。該處非振動管道，因此可以采用渦街流量計。渦街流量計經(jīng)過計算，選用縮徑為150mm管徑的法蘭式流量計，其最大壓損為2.9kPa。其采購安裝費(fèi)用大致在5萬元左右。
　　通過比較，可得結(jié)論:①節(jié)流裝置壓損最大，巴類流量元件壓損最小�？紤]長期運(yùn)行能耗，巴類流量元件經(jīng)濟(jì)性最好，渦街次之;②節(jié)流裝置選用差壓變送器可采用普通量程范圍型，巴類流量元件選用差壓變送器需采用微小差壓測量型變送器，③當(dāng)該測點(diǎn)由開車工況變化至正常工況時，流量高于51.57kg/h，節(jié)流式差壓流量元件才能確保應(yīng)有的精度;流量高于802kg/h，渦街流量計可以達(dá)到應(yīng)有的精度;流量高于1500kg/h，巴類流量元件輸出能達(dá)到差壓變送器的精度下限值;④若考慮總承包采購成本的限制，可選用節(jié)流裝置測量蒸汽流量。若考慮綜合采購及運(yùn)行成本，包括長期運(yùn)行蒸汽壓力損失成本和冬季保溫伴熱蒸汽成本，可選用渦街流量計。若遇到蒸汽管線口徑增大至300mm以上，可考慮采用巴類流量元件，此時巴類流量元件的采購成本將比其余兩種流量計低得多。
5結(jié)語
　　蒸汽流量儀表的選用非常重要，準(zhǔn)確測量蒸汽流量是生產(chǎn)部門的需要。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高測量水平的呼聲越來越高。在實(shí)際選用中，設(shè)計人員需根據(jù)蒸汽的性質(zhì)和工況精度的要求、成本核算等條件來選擇適合的蒸汽儀表。節(jié)流裝置、巴類流量元件和渦街流量計各有利弊，需要充分考慮工藝、環(huán)境要求，合理地選擇流量計，才能保證蒸汽計量的準(zhǔn)確性。

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