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- 孔板流量计与涡街流量计蒸汽计量误差对比分析
- 2019-08-22
- 蒸汽的物理性质既不同于液体，也不同于一般气体，所以给其*计量带来了一定的难度。由于蒸汽的特殊性和人们的传统习惯，目前多使用差压式流量计对其进行流量计量，而用孔板作为节流元件的差压式流量计使用居多。近年来，将涡街流量计用于蒸汽计量的数量在逐年增加，其优越性是孔板式流量计所不具备的，特别是在蒸汽参数偏离设计值时，孔板式流量计的计量误差将远大于涡街流量计的计量误差。下面对两种流量计在蒸汽计量中的误差进行分析和对比。
一、孔板流量计计量误差分析
差压式流量计是利用流体的动静压能转换原理进行流体流量测量的。流体在管道中流动时，如遇流通面积改变将进行动静压能转换，静压能转换的多少与流通面积改变的大小、流体的流速大小和流体密度大小等有关。即静动压能的变化量是上述3个物理量的函数。
以孔板为节流元件的差压式流量计，是将一个节流孔板放置在管道中，当被测流体以一定的流速通过节流孔板时，流体的静压能将在孔板前后发生变化，孔板前流体的静压能略有增加，孔板后流体的静压能将减少，从而在孔板前后出现压差，这一压差与流体的流量存在如下的关系：
式中：M——质量流量，kg/h；Q——工况条件下的体积流量，m3/h；α——流量系数；ε——流速膨胀系数；ΔP——差压，Pa；ρ——工况条件下，被测流体的密度，kg/m3；d——工况条件下的节流件开孔直径，mm。
由式（1）和式（2）可以看出，被测流体的流量M（Q）是流体的密度ρ和孔板前后压差ΔP的函数。在实际使用中，是通过测量孔板前后压差来间接获得流量的，也就是说，差压是*反映流体流量的可测参数，并且流量与差压间是非线性的开方关系。而且在孔板孔径和流量（即流体的流速）等其他条件一定的情况下，孔板前后的压差还将受到流体密度变化的影响，其关系如下：
（3）
式中：j——流体经过孔板前的总能量；P2——流体经过孔板后有效距离内的静压力；ρ——流体的密度；g——重力加速度;2——流体经过孔板后有效距离内的流速；z——压力损失。
通过以上分析可以看出，当测得某一差压时，由于所测流体的密度不同，所代表的流量也不同，只有当流体的密度值等于孔板设计条件中的密度值时，所测的差压才能真实反映所测的流量。蒸汽由锅炉产出后送至用户时，由于热损耗，温度和压力的下降是不可避免的，导致其密度远离了设计值，再加之其他相关设备又不可能完全复原设计条件，从而将产生测量误差。测量误差随着蒸汽参数的波动而波动，而且没有一个通用的修正公式。
表1是在同一管道中用同一个孔板及相同的测量设备对同一种蒸汽所测得的一组数据。从中可以看出，在相同的差压下，由于蒸汽的温度和压力的变化，即蒸汽密度的变化，相同的差压所对应的流量是不同的。以1.0MPa蒸汽计量为例，只有在蒸汽的物理条件完全符合设计条件（1.0MPa、300℃）时，仪表指示的示值才是真实的实际流量值。
表1 孔板差压流量计在不同温度、压力下示值对比表
由表1可以看出，不论在什么条件下，对同一个差压值，指示仪表所指示的量值都是定格在设计条件下的量值，与实际量值出现偏差（完全符合设计条件的量值除外），*大误差可达-11.32％，这么大的误差是实际交接计量中应该避免的。因为所测得的流量信号也就是差压信号，对于设计值而言不是一个真实值，即便后续测量和运算再准确也无法消除计量误差，所以在这种条件下，即使进行了温压补偿，所测得的量值也是不准确的。
另一方面，即使现在一次仪表大多使用0.25级的差压变送器，将测得的差压信号转换成电信号实现远传，但由于其输出信号均为标准的（4～20）mADC，电流信号量程只有16mA，是固定不变的。如果流量量程过大，在信号处理上也会带来一定的误差。
若（4～20）mA对应的流量为（0～50）t/h，那么电流的变化量和流体的流量变化量之间关系是：0.32mA对应1t/h。当流量的变化量为0.1t/h时引起电流的变化量为0.032mA，由于二次仪表灵敏度的限制，如此小的变化量很难被测量出来，这必将增加测量的误差。随着时间的推移将使*终的计量结果产生很大的误差。
二、涡街流量计计量误差分析
涡街流量计是利用流体振动原理进行流量测量的。在流动的流体中，垂直于流体流动方向插入一个柱状体，流体在流经柱状体后，在其下游两侧交替地产生两列卡门涡街，卡门涡街的发生频率在一定的雷诺数范围内与流体的流速有关，并且呈正比线性关系。其关系式如下：
（4）
式中：f——涡街频率，Hz；St——斯特罗哈尔参数（无量纲）；υ——流体经过柱状体时的平均流速，m/s；d——柱状体的特征宽度，m。
在实际测量中，一台制造完成的涡街流量计，其柱状体的特征宽度d是固定不变的。由此可见，卡门涡街的频率在一定的雷诺数范围内只与流体的平均流速有关，与流体的密度、黏度等物理参数基本无关。只要测得了涡街频率f和柱状发生体处的流通面积，即可测得流过发生体两侧流体的体积流量，其体积流量关系式为
（5）
式中：qv——体积流量，m3/h；St——斯特罗哈尔系数；m——漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；d——漩涡发生体迎面宽度，m；D——表体通径，m；f——涡街频率，Hz。
由式（5）可以看出，在式中没有涉及流体的任何物理参数。所以在常规使用中，一台涡街流量计无论用于测量何种流体，只要雷诺数Red在2×104～7×105范围内，就能得到稳定的流量系数，流量表发出的涡街频数是一定的，即涡街流量计的流量系数，其表达形式为p/L（脉冲数每升）。只要准确地测得涡街频率，就可准确地测得工况条件下流体的体积流量。这一点完全不同于差压式流量计在流体参数偏离设计值时便产生很大误差的情况。因此用涡街流量计测量蒸汽时，无论蒸汽的压力和温度如何变化，涡街流量计所测得流量都是被测蒸汽工况条件下的实时体积流量。
对于每一种型号的涡街流量计，都有它的设计流量系数，但实际生产出来的流量计，其流量系数与设计流量系数是有偏差的。因此，对于每一台新生产的流量计，都要在标准流量装置上进行标定，以测出其准确的流量系数。这样，一方面可以使流量计的准确度得到确认，另一方面可使涡街流量计的测量准确度相比出厂时的准确度有一定程度的提高，这是孔板流量计无法相比的。
在实际测量蒸汽时，由于蒸汽温度远高于标定时流体的温度，这样将使涡街表柱状发生体的特征宽度和流通面积发生变化，从而使流量系数发生变化。所以应对其进行修正，以得到实际的流量系数，进一步保证测量的准确度。这是孔板流量计所无法实现的。下面是横河机电公司给出的一个修正公式：
（6）
式中：kt——工况条件下的流量系数；k——检定条件下的流量系数；t——工况温度。
通过上述分析我们可以看出，在实际使用中，无论被测流体的参数如何变化，涡街流量计所测得的都是工况条件下流体的真实体积流量。将这真实的体积流量乘以该条件下的密度即可得到流体的质量流量。在实际的蒸汽质量流量计量中，可将根据国际通用的“LAP-WS－IF97公式”制定的蒸汽密度数值表存入计算机中，再根据所测的蒸汽温度和压力在表中查出相应的密度值，将该密度值与涡街流量计测得的体积流量相乘，便可实现蒸汽的实时质量流量的计量。
涡街流量计的输出多为电压脉冲信号，其信号幅值是固定的，只要脉冲宽度达到要求，二次表就将如实地记录该信号。目前，在用的各类二次仪表对其输入的脉冲宽度*小值都不大于0.2ms，所以不会出现由于流量微小的变化使输出信号变化量过小、二次仪表无法识别而产生计量误差的情况。
三、结束语
由于蒸汽特殊的物理性质，所以在选用流量计时要给予充分重视。由上述对两种流量计的测量原理的分析可以看出，当蒸汽的压力和温度偏离设计值时，两种流量计产生的计量误差相差很大。如当上述蒸汽的参数由设计值的300℃、1.0MPa变化到250℃、0.7MPa时，使用差压式流量计计量*大可产生11.23％的误差。而涡街流量计的计量误差不会大于该表的设计计量误差，一般为1.0％～2.0％。相比之下，涡街流量计的计量准确度远高于差压式流量计，所以在蒸汽的实际参数不能保证设计参数时，尤其是用于贸易交接计量方面，一定要慎用差压式流量计，否则将带来很大的计量误差和经济损失。
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