摘要:由(you)标準節(jie)流裝置(zhi)組成的(de) 差壓式(shi)流量計(ji) 在蒸汽(qi)計量上(shang)廣泛使(shi)用,根據(ju)标準節(jie)流裝置(zhi) 測量流(liu)體流量(liang)一般原(yuan)理,分析(xi)了蒸汽(qi)密度對(dui)蒸汽計(ji)量的影(ying)響,比較(jiao)了蒸汽(qi)密度求(qiu)取的兩(liang)種方法(fa),提出了(le)一種寬(kuan)量程比(bi)蒸汽計(ji)量的方(fang)案,并闡(chan)述了噴(pen)嘴在蒸(zheng)汽計量(liang)上的應(ying)用優勢(shi)。
0前言
　　蒸(zheng)汽是工(gong)業生産(chan)中重要(yao)的工藝(yi)介質和(he)二次能(neng)源⭐,也是(shi)城鎮市(shi)政供熱(re)中主要(yao)的供熱(re)介質。随(sui)着工業(ye)化和城(cheng)鎮💃🏻化的(de)飛速發(fa)展,蒸汽(qi)用量與(yu)日俱增(zeng),蒸汽消(xiao)耗量成(cheng)爲生産(chan)運行經(jing)濟考核(he)的重要(yao)指标,蒸(zheng)汽的準(zhun)确計量(liang)尤爲重(zhong)要,在廣(guang)泛💞使用(yong)的蒸汽(qi)計量器(qi)具中,由(you)标準節(jie)流裝置(zhi)組♊成的(de)差壓流(liu)量計和(he)渦街流(liu)量計是(shi)蒸汽✊計(ji)量器具(ju)的主流(liu)選擇。
　　節(jie)流裝置(zhi)具有結(jie)構簡單(dan)、制造容(rong)易、維護(hu)方便、成(cheng)本較⛷️低(di)、可靠性(xing)高等優(you)點,按照(zhao)标準GB/T2624－2006設(she)計、制造(zao)的标準(zhun)節流裝(zhuang)置,無需(xu)進行實(shi)流标定(ding)就能得(de)到較高(gao)的測量(liang)精度,節(jie)流裝置(zhi)也存💋在(zai)測量範(fan)圍小💋、壓(ya)力損失(shi)大、檢定(ding)周期短(duan)等不足(zu)。 渦街流(liu)量計 受(shou)工作原(yuan)理、敏感(gan)元件和(he)結構的(de)局限,在(zai)被測流(liu)體在溫(wen)度、壓力(li)高于一(yi)定數值(zhi)時,管道(dao)或環境(jing)振動較(jiao)大時,使(shi)用渦街(jie)♈流量計(ji)測量存(cun)在困難(nan)［1］;渦街流(liu)量計的(de)檢定,要(yao)放在流(liu)量标準(zhun)裝置上(shang)進行,不(bu)僅拆裝(zhuang)、搬💋運、送(song)檢費事(shi),而且要(yao)将流量(liang)計停用(yong)較長時(shi)間,檢定(ding)⛱️成本和(he)時間成(cheng)本較高(gao);渦街流(liu)量計的(de)成本,在(zai)儀表㊙️口(kou)徑增大(da)時上升(sheng)明顯,尤(you)其是🏒在(zai)流體溫(wen)度較高(gao)(T＞300℃)時,價格(ge)劣勢尤(you)爲明🏃‍♀️顯(xian)。
　　因此渦(wo)街流量(liang)計在上(shang)世紀70年(nian)代投入(ru)工業應(ying)用至今(jin),雖然占(zhan)領了标(biao)準節流(liu)裝置的(de)部分市(shi)場,但在(zai)高溫、高(gao)壓流體(ti),管徑較(jiao)大的🈲測(ce)量對象(xiang)和環境(jing)振動較(jiao)大的場(chang)合,标準(zhun)節流裝(zhuang)置仍是(shi)不可替(ti)代的,尤(you)其是熱(re)電等行(hang)💛業仍然(ran)普遍使(shi)用标準(zhun)節流裝(zhuang)置。
1蒸汽(qi)密度
1.1标(biao)準節流(liu)裝置測(ce)量流體(ti)流量一(yi)般原理(li)
标準節(jie)流裝置(zhi)測量流(liu)體流量(liang)一般原(yuan)理表達(da)式爲［2］:

　　式(shi)中:qm爲質(zhi)量流量(liang),kg/s;C爲流出(chu)系數;ε1爲(wei)可膨脹(zhang)系數;d爲(wei)節流件(jian)的開孔(kong)直徑;ΔP爲(wei)差壓;ρ1爲(wei)被測流(liu)體密度(du);β爲直徑(jing)比,β=d/D,D爲管(guan)道内徑(jing)。
　　在式(1)中(zhong),β和d爲常(chang)數,C和ε1在(zai)一定的(de)流量範(fan)圍之内(nei)也可看(kan)作常數(shu)🏃,因此式(shi)(2)可簡化(hua)爲:

　　從式(shi)(2)可清楚(chu)看出,儀(yi)表示值(zhi)同ρ1密切(qie)相關。而(er)蒸汽工(gong)況(溫度(du)t,壓力P)的(de)變化,必(bi)然使ρ1産(chan)生相應(ying)的變化(hua)。因此,标(biao)準節流(liu)裝置必(bi)須與用(yong)以求取(qu)蒸汽密(mi)度的工(gong)況測量(liang)儀✌️表配(pei)合,并同(tong)計算部(bu)分一起(qi)組成蒸(zheng)汽質量(liang)流量計(ji),才能保(bao)證測量(liang)精度。
1.2蒸(zheng)汽密度(du)求取方(fang)法
　　水蒸(zheng)汽的物(wu)理性質(zhi)與理想(xiang)氣體大(da)不相同(tong),不能采(cai)❓用理想(xiang)氣體狀(zhuang)态方程(cheng)進行密(mi)度補償(chang),需先求(qiu)取蒸汽(qi)密度再(zai)做密💔度(du)補償。蒸(zheng)汽密度(du)的求取(qu)方法歸(gui)納起來(lai)主要是(shi)采用數(shu)學模型(xing)法和計(ji)算機查(cha)表法兩(liang)類［3］。
(1)數學(xue)模型法(fa)
①一次函(han)數法。這(zhe)種方法(fa)的顯著(zhe)特點是(shi)簡單,适(shi)用飽和(he)蒸🤩汽,其(qi)表達式(shi)爲:
ρ=AP+B(3)
　　式中(zhong):ρ爲蒸汽(qi)密度,kg/m3;P爲(wei)蒸汽絕(jue)對壓力(li),MPa;A、B爲系數(shu)和常數(shu)。
　　式(3)不足(zu)之處是(shi)僅在較(jiao)小的壓(ya)力範圍(wei)内變化(hua)适用,壓(ya)力變化(hua)範圍較(jiao)大時,由(you)于誤差(cha)太大,就(jiu)不适用(yong)了。因爲(wei)對于飽(bao)和蒸汽(qi)來說,ρ=f(P)是(shi)一條曲(qu)線,用一(yi)條直線(xian)拟合它(ta),範圍越(yue)大,當然(ran)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻誤差越(yue)🔴大。
　　解決(jue)這個矛(mao)盾的方(fang)法是分(fen)段拟合(he),即在不(bu)同的壓(ya)力段采(cai)🐆用不同(tong)的系數(shu)和常數(shu)。表1所示(shi)爲不同(tong)壓力🔞段(duan)對應的(de)不同密(mi)度計算(suan)式［4］。

②用指(zhi)數函數(shu)拟合密(mi)度曲線(xian)。使用較(jiao)多的是(shi):

　　式(4)描述(shu)的是一(yi)條曲線(xian),用它來(lai)拟合飽(bao)和蒸汽(qi)ρ=f(P)曲線能(neng)得到更(geng)高的精(jing)度,但是(shi)在壓力(li)變化範(fan)圍較大(da)的🎯情況(kuang)💛下,仍♍有(you)千分之(zhi)🤞幾的🤟誤(wu)差。
③狀态(tai)方程法(fa)。狀态方(fang)程法用(yong)于計算(suan)過熱蒸(zheng)汽密度(du),其中著(zhe)名的有(you)烏卡諾(nuo)維奇狀(zhuang)态方程(cheng)和莫裏(li)爾狀态(tai)方程,狀(zhuang)态方程(cheng)的計算(suan)✉️公式較(jiao)爲複雜(za),在儀表(biao)常用數(shu)據手冊(ce)及✔️其他(ta)相✍️關書(shu)籍👄資料(liao)中均有(you)描述,這(zhe)裏不做(zuo)贅述。
(2)計(ji)算機查(cha)表法現(xian)在國際(ji)上通用(yong)的蒸汽(qi)密度表(biao)是根據(ju)“工⛹🏻‍♀️業用(yong)1697年IFC公式(shi)”計算出(chu)來的。根(gen)據現有(you)的過熱(re)蒸汽密(mi)度表,查(cha)取與溫(wen)度、壓力(li)相對應(ying)的過熱(re)蒸汽密(mi)度,對于(yu)蒸汽密(mi)度表🥰中(zhong)兩點之(zhi)間的數(shu)據,采用(yong)數❓學内(nei)插法處(chu)理确定(ding)。
表2的過(guo)熱蒸汽(qi)密度表(biao)中,将壓(ya)力以0.1MPa爲(wei)間距劃(hua)分5個區(qu)間,将溫(wen)🐇度以10℃爲(wei)間距劃(hua)分爲7個(ge)區間,在(zai)壓力、溫(wen)度📞區間(jian)内可采(cai)用線性(xing)内插法(fa)計算求(qiu)取蒸汽(qi)密度。例(li):過熱蒸(zheng)汽實測(ce)壓力爲(wei)2.82MPa,實測溫(wen)度爲282℃,求(qiu)取過熱(re)蒸汽密(mi)度。


　　通用(yong)流量演(yan)算器可(ke)将蒸汽(qi)密度表(biao)裝入其(qi)内存中(zhong)🌈,在CPU的📱控(kong)制下‼️,模(mo)拟人工(gong)查表的(de)方法,采(cai)用計算(suan)機查表(biao)與線性(xing)🐆内插相(xiang)結合的(de)技術,能(neng)得到人(ren)工查表(biao)相同的(de)精度。
2寬(kuan)量程比(bi)計量方(fang)案
　　蒸汽(qi)消耗受(shou)熱負荷(he)變化制(zhi)約,流量(liang)變化範(fan)圍廣,有(you)時甚至(zhi)隻有滿(man)量程的(de)百分之(zhi)幾,如果(guo)要保證(zheng)差壓式(shi)流量計(ji)在蒸汽(qi)計量全(quan)✉️量程範(fan)圍内的(de)測量精(jing)度,必須(xu)想🔆辦法(fa)擴🈲大差(cha)壓式流(liu)量計的(de)量程比(bi)。
　　标準節(jie)流裝置(zhi)測量範(fan)圍不理(li)想,這主(zhu)要是由(you)其測量(liang)✌️原🐕理決(jue)🏃‍♀️定的,由(you)式(8)可知(zhi),對流量(liang)測量範(fan)圍度影(ying)響最大(da)的因素(su)是差壓(ya)測量🌐不(bu)确定度(du),其表達(da)式爲
量(liang)測量不(bu)确定度(du)的影響(xiang)爲1%。即爲(wei)了獲得(de)±1%的流量(liang)測量精(jing)㊙️度,如果(guo)選用的(de)是0.075精度(du)等級的(de)差壓變(bian)送器,隻(zhi)有當🤞差(cha)壓大于(yu)🌐3.75%,即流量(liang)小于19.36%FS時(shi),才能保(bao)證精度(du)。
　　差壓變(bian)送器 ,其(qi)差壓低(di)端的示(shi)值誤差(cha)無法進(jin)一步減(jian)小的原(yuan)因是其(qi)精度🙇‍♀️并(bing)非可以(yi)任意确(que)定,而且(qie)受膜盒(he)面積、環(huan)境溫度(du)以及長(zhang)🚶期漂移(yi)等✨因素(su)制約,爲(wei)了提高(gao)相對流(liu)量較小(xiao)時的差(cha)壓測🏃🏻‍♂️量(liang)精度,另(ling)外增設(she)一台低(di)量✂️程差(cha)壓變送(song)器是一(yi)個行之(zhi)有效的(de)方法。
例(li)如,有一(yi)蒸汽流(liu)量測量(liang)對象,最(zui)大流量(liang)100t/h,最小流(liu)量3t/h,常用(yong)壓力1.1MPa,常(chang)用溫度(du)250℃,公稱通(tong)徑DN500,高量(liang)程差壓(ya)變送器(qi)💞測量範(fan)圍:0～100kPa,低量(liang)程差壓(ya)變送器(qi)測量範(fan)圍:0～3.75kPa。兩台(tai)0.075級精度(du)等級的(de)差壓變(bian)送器,在(zai)雙量程(cheng)流量演(yan)算器的(de)配合下(xia),選定合(he)适的高(gao)低量程(cheng)切換點(dian),在流量(liang)量程3～100%範(fan)👨‍❤️‍👨圍内,qmqm爲(wei)1.25%。
　　上述寬(kuan)量程比(bi)計量方(fang)案中,流(liu)量測量(liang)不确定(ding)度會受(shou)标準節(jie)流裝置(zhi)流出系(xi)數C非線(xian)性和可(ke)膨脹系(xi)數ε1偏離(li)✌️的制約(yue)［5］,采用通(tong)用流量(liang)演算器(qi)實時計(ji)算流出(chu)系數C和(he)可膨脹(zhang)系數ε1,對(dui)其影響(xiang)進行在(zai)線修正(zheng)。
3噴嘴
　　目(mu)前蒸汽(qi)計量應(ying)用中普(pu)遍使用(yong)的标準(zhun)節流裝(zhuang)置💜是标(biao)準孔闆(pan),标準孔(kong)闆的入(ru)口直角(jiao)銳利度(du)在流體(ti)🔴沖刷下(xia)易發生(sheng)鈍化💘,國(guo)内有關(guan)部門曾(ceng)對新裝(zhuang)标準孔(kong)闆進🌈行(hang)跟蹤校(xiao)驗,在标(biao)準孔闆(pan)連續使(shi)用2－3個月(yue)時💚,鈍化(hua)引起的(de)流出系(xi)🛀數偏度(du)在1－3%,個别(bie)嚴重的(de)在4%以上(shang),測量誤(wu)差明顯(xian)增大。
　　解(jie)決标準(zhun)孔闆鈍(dun)化問題(ti)的最好(hao)方法是(shi)采用ISA1932噴(pen)嘴,如🔴圖(tu)1所示,ISA1932噴(pen)嘴的入(ru)口爲光(guang)華曲面(mian),不易磨(mo)損,流出(chu)系數非(fei)常穩定(ding),JJG640－2016檢定規(gui)程規定(ding)ISA1932噴嘴的(de)檢定周(zhou)期爲4年(nian),而标準(zhun)孔闆檢(jian)定周期(qi)爲2年［6］。再(zai)者,噴嘴(zui)在相同(tong)流♋量和(he)相同♊β值(zhi)條件下(xia),永久壓(ya)力損失(shi)比孔闆(pan)小得多(duo)㊙️,僅爲孔(kong)闆的50～60%,有(you)利于減(jian)小能耗(hao)。長期運(yun)行情況(kuang)表明,由(you)于噴嘴(zui)在結構(gou)上的優(you)勢具有(you)耐沖擊(ji)抗變形(xing)的優點(dian),适用于(yu)高溫、高(gao)壓、高流(liu)速的蒸(zheng)汽介質(zhi)。

4結語
　　由(you)标準節(jie)流裝置(zhi)組成的(de)差壓式(shi)流量計(ji),在蒸汽(qi)計量應(ying)用🤩中✍️需(xu)将經典(dian)技術與(yu)現代技(ji)術相結(jie)合,合理(li)地選🈲用(yong)流量計(ji)算機和(he)ISA1932噴嘴,實(shi)現蒸汽(qi)工況密(mi)度實☎️時(shi)計算和(he)在線補(bu)償功能(neng),克服傳(chuan)統節流(liu)裝置量(liang)程比小(xiao)、阻力損(sun)失大、容(rong)易變形(xing)、檢定周(zhou)期短🤟等(deng)缺點,以(yi)💛滿足蒸(zheng)汽計量(liang)寬量程(cheng)、精度和(he)低能耗(hao)的新要(yao)求。上述(shu)計量器(qi)具配備(bei)方案在(zai)蒸汽計(ji)量應用(yong)中已☁️日(ri)趨成熟(shu),并在石(shi)化、化工(gong)、熱電、冶(ye)金以及(ji)城市供(gong)熱等行(hang)🤞業中得(de)到了廣(guang)泛應用(yong)。

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