孔板流量計(jì)與渦街流量計(jì)蒸汽計(jì)量誤差對(duì)比分析

孔板流量計(jì)與渦街流量計(jì)蒸汽計(jì)量誤差對(duì)比分析
   蒸汽的物理性質(zhì)既不同于液體， 也不同于一般氣體，所以給其精確計(jì)量帶來(lái)了一定的難度。由于蒸汽的特殊性和人們的傳統(tǒng)習(xí)慣，目前多使用差壓式流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行流量計(jì)量，而用孔板作為節(jié)流元件的差壓式流量計(jì)使用居多。近年來(lái)，將渦街流量計(jì)用于蒸汽計(jì)量的數(shù)量在逐年增加， 其*性是孔板式流量計(jì)所不具備的， 特別是在蒸汽參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，孔板式流量計(jì)的計(jì)量誤差將遠(yuǎn)大于渦街流量計(jì)的計(jì)量誤差。下面對(duì)兩種流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中的誤差進(jìn)行分析和對(duì)比。
   一、孔板流量計(jì)計(jì)量誤差分析
   差壓式流量計(jì)是利用流體的動(dòng)靜壓能轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行流體流量測(cè)量的。流體在管道中流動(dòng)時(shí)，如遇流通面積改變將進(jìn)行動(dòng)靜壓能轉(zhuǎn)換，靜壓能轉(zhuǎn)換的多少與流通面積改變的大小、流體的流速大小和流體密度大小等有關(guān)。即靜動(dòng)壓能的變化量是上述3個(gè)物理量的函數(shù)。
   以孔板為節(jié)流元件的差壓式流量計(jì)，是將一個(gè)節(jié)流孔板放置在管道中，當(dāng)被測(cè)流體以一定的流速通過(guò)節(jié)流孔板時(shí)，流體的靜壓能將在孔板前后發(fā)生變化，孔板前流體的靜壓能略有增加， 孔板后流體的靜壓能將減少， 從而在孔板前后出現(xiàn)壓差，這一壓差與流體的流量存在如下的關(guān)系： M=0.003997αεd2 ρΔP %姨（1） Q=0.003997αεd2 ρ ΔP % 姨（2） 式中：M———質(zhì)量流量，kg/h；Q———工況條件下的體積流量，m3/h；α———流量系數(shù)；ε———流速膨脹系數(shù)； ΔP———差壓，Pa；ρ———工況條件下， 被測(cè)流體的密度， kg/m3；d———工況條件下的節(jié)流件開孔直徑，mm。由式（1）和式（2）可以看出，被測(cè)流體的流量M（Q） 是流體的密度ρ和孔板前后壓差ΔP的函數(shù)。在實(shí)際使用中，是通過(guò)測(cè)量孔板前后壓差來(lái)間接獲得流量的，也就是說(shuō)，差壓是反映流體流量的可測(cè)參數(shù)，并且流量與差壓間是非線性的開方關(guān)系。而且在孔板孔徑和流量（即流體的流速）等其他條件一定的情況下，孔板前后的壓差還將受到流體密度變化的影響，其關(guān)系如下： j= P2 ρg +v22 2g +z （3） 式中：j———流體經(jīng)過(guò)孔板前的總能量；P2———流體經(jīng)過(guò)孔板后有效距離內(nèi)的靜壓力；ρ———流體的密度；
g———流體經(jīng)過(guò)孔板后有效距離內(nèi)
—重力加速度；v2 ——的流速；z——
—壓力損失。
   通過(guò)以上分析可以看出，當(dāng)測(cè)得某一差壓時(shí)，由于所測(cè)流體的密度不同，所代表的流量也不同，只有當(dāng)流體的密度值等于孔板設(shè)計(jì)條件中的密度值時(shí)，所測(cè)的差壓才能真實(shí)反映所測(cè)的流量。蒸汽由鍋爐產(chǎn)出后送至用戶時(shí)，由于熱損耗，溫度和壓力的下降是不可避免的，導(dǎo)致其密度遠(yuǎn)離了設(shè)計(jì)值，再加之其他相關(guān)設(shè)備又不可能*復(fù)原設(shè)計(jì)條件，從而將產(chǎn)生測(cè)量誤差。測(cè)量誤差隨著蒸汽參數(shù)的波動(dòng)而波動(dòng)，而且沒(méi)有一個(gè)通用的修正公式。
   表1是在同一管道中用同一個(gè)孔板及相同的測(cè)量設(shè)備對(duì)同一種蒸汽所測(cè)得的一組數(shù)據(jù)。從中可以看出，在相同的差壓下，由于蒸汽的溫度和壓力的變化，即蒸汽密度的變化，相同的差壓所對(duì)應(yīng)的流量是不同的。以1.0MPa蒸汽計(jì)量為例，只有在蒸汽的物理?xiàng)l件*符合設(shè)計(jì)條件（1.0MPa、300℃）時(shí)，儀表指示的示值才是真實(shí)的實(shí)際流量值。
  由表 1可以看出，不論在什么條件下，對(duì)同一個(gè)差壓值，指示儀表所指示的量值都是定格在設(shè)計(jì)條件下的量值，與實(shí)際量值出現(xiàn)偏差（*符合設(shè)計(jì)條件的量值除外），誤差可達(dá) -11.32％，這么大的誤差是實(shí)際交接計(jì)量中應(yīng)該避免的。因?yàn)樗鶞y(cè)得的流量信號(hào)也就是差壓信號(hào)，對(duì)于設(shè)計(jì)值而言不是一個(gè)真實(shí)值，即便后續(xù)測(cè)量和運(yùn)算再準(zhǔn)確也無(wú)法消除計(jì)量誤差，所以在這種條件下，即使進(jìn)行了溫壓補(bǔ)償，所測(cè)得的量值也是不準(zhǔn)確的。
   另一方面，即使現(xiàn)在一次儀表大多使用 0.25級(jí)的差壓變送器，將測(cè)得的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，但由于其輸出信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的（4～20）mADC，電流信號(hào)量程只有 16mA，是固定不變的。如果流量量程過(guò)大，在信號(hào)處理上也會(huì)帶來(lái)一定的誤差。
   若（4～20）mA對(duì)應(yīng)的流量為（0～50）t/h，那么電流的變化量和流體的流量變化量之間關(guān)系是：0.32mA對(duì)
應(yīng)1t/h。當(dāng)流量的變化量為 0.1t/h時(shí)引起電流的變化量為0.032mA，由于二次儀表靈敏度的限制，如此小的變化量很難被測(cè)量出來(lái)，這必將增加測(cè)量的誤差。隨著時(shí)間的推移將使最終的計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。
   二、渦街流量計(jì)計(jì)量誤差分析
   渦街流量計(jì)是利用流體振動(dòng)原理進(jìn)行流量測(cè)量的。在流動(dòng)的流體中，垂直于流體流動(dòng)方向插入一個(gè)柱狀體，流體在流經(jīng)柱狀體后，在其下游兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列卡門渦街，卡門渦街的發(fā)生頻率在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)與流體的流速有關(guān)，并且呈正比線性關(guān)系。其關(guān)系式如下：
f=St v （4）
d式中：f———斯特羅哈爾參數(shù)
—渦街頻率，Hz；St ——（無(wú)量綱）； v——
—流體經(jīng)過(guò)柱狀體時(shí)的平均流速，m/s； d——
—柱狀體的特征寬度，m。
   在實(shí)際測(cè)量中，一臺(tái)制造完成的渦街流量計(jì)，其柱狀體的特征寬度 d是固定不變的。由此可見，卡門渦街的頻率在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)只與流體的平均流速有關(guān)，與流體的密度、黏度等物理參數(shù)基本無(wú)關(guān)。只要測(cè)得了渦街頻率 f和柱狀發(fā)生體處的流通面積，即可測(cè)得流過(guò)發(fā)生體兩側(cè)流體的體積流量，其體積流量關(guān)系式為
2
πD
qv＝ 4St mdf（5）
式中：qv ———斯特羅哈爾系
—體積流量，m3/h；St ——數(shù)；m——
—漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比；d———表體通徑，
—漩渦發(fā)生體迎面寬度，m；D——m；f——
—渦街頻率，Hz。
   由式（5）可以看出，在式中沒(méi)有涉及流體的任何物理參數(shù)。所以在常規(guī)使用中，一臺(tái)渦街流量計(jì)無(wú)論用于測(cè)量何種流體，只要雷諾數(shù) Red在2×104～7×105范圍內(nèi)，就能得到穩(wěn)定的流量系數(shù)，流量表發(fā)出的渦街頻數(shù)是一定的，即渦街流量計(jì)的流量系數(shù)，其表達(dá)形式為 p/L（脈沖數(shù)每升）。只要準(zhǔn)確地測(cè)得渦街頻率，就可準(zhǔn)確地測(cè)得工況條件下流體的體積流量。這一點(diǎn)*不同于差壓式流量計(jì)在流體參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值時(shí)便產(chǎn)生很大誤差的情況。因此用渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽時(shí)，無(wú)論蒸汽的壓力和溫度如何變化，渦街流量計(jì)所測(cè)得流量都是被測(cè)蒸汽工況條件下的實(shí)時(shí)體積流量。
    對(duì)于每一種型號(hào)的渦街流量計(jì)，都有它的設(shè)計(jì)流量系數(shù)，但實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的流量計(jì)，其流量系數(shù)與設(shè)計(jì)流量系數(shù)是有偏差的。因此，對(duì)于每一臺(tái)新生產(chǎn)的流量計(jì)，都 要在標(biāo)準(zhǔn)流量裝置上進(jìn)行標(biāo)定，以測(cè)出其準(zhǔn)確的流量系數(shù)。這樣，一方面可以使流量計(jì)的準(zhǔn)確度得到確認(rèn)，另一方面可使渦街流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度相比出廠時(shí)的準(zhǔn)確度有一定程度的提高，這是孔板流量計(jì)無(wú)法相比的。
在實(shí)際測(cè)量蒸汽時(shí)，由于蒸汽溫度遠(yuǎn)高于標(biāo)定時(shí)流體的溫度，這樣將使渦街表柱狀發(fā)生體的特征寬度和流通面積發(fā)生變化，從而使流量系數(shù)發(fā)生變化。所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修正，以得到實(shí)際的流量系數(shù)，進(jìn)一步保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。這是孔板流量計(jì)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。下面是橫河機(jī)電公司給出的一個(gè)修正公式：
kt＝k〔1－4.81×10-5×（t－20）〕（6）式中：kt ———檢定條
—工況條件下的流量系數(shù)；k——件下的流量系數(shù)；t——
—工況溫度。
通過(guò)上述分析我們可以看出，在實(shí)際使用中，無(wú)論被測(cè)流體的參數(shù)如何變化，渦街流量計(jì)所測(cè)得的都是工況條件下流體的真實(shí)體積流量。將這真實(shí)的體積流量乘以該條件下的密度即可得到流體的質(zhì)量流量。在實(shí)際的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)量中，可將根據(jù)國(guó)際通用的 “LAPWS－IF97公式 ”制定的蒸汽密度數(shù)值表存入計(jì)算機(jī)中，再根據(jù)所測(cè)的蒸汽溫度和壓力在表中查出相應(yīng)的密度值，將該密度值與渦街流量計(jì)測(cè)得的體積流量相乘，便
可實(shí)現(xiàn)蒸汽的實(shí)時(shí)質(zhì)量流量的計(jì)量。
渦街流量計(jì)的輸出多為電壓脈沖信號(hào)，其信號(hào)幅值是固定的，只要脈沖寬度達(dá)到要求，二次表就將如實(shí)地記錄該信號(hào)。目前，在用的各類二次儀表對(duì)其輸入的脈沖寬度最小值都不大于 0.2ms，所以不會(huì)出現(xiàn)由于流量微小的變化使輸出信號(hào)變化量過(guò)小、二次儀表無(wú)法識(shí)別而產(chǎn)生計(jì)量誤差的情況。
   三、結(jié)束語(yǔ)
   由于蒸汽特殊的物理性質(zhì)，所以在選用流量計(jì)時(shí)要給予充分重視。由上述對(duì)兩種流量計(jì)的測(cè)量原理的分析可以看出，當(dāng)蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，兩種流量計(jì)產(chǎn)生的計(jì)量誤差相差很大。如當(dāng)上述蒸汽的參數(shù)由設(shè)計(jì)值的 300℃、1.0MPa變化到 250℃、0.7MPa時(shí)，使用差壓式流量計(jì)計(jì)量可產(chǎn)生 11.23％的誤差。而渦街流量計(jì)的計(jì)量誤差不會(huì)大于該表的設(shè)計(jì)計(jì)量誤差，一般為 1.0％～ 2.0％。相比之下，渦街流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于差壓式流量計(jì)，所以在蒸汽的實(shí)際參數(shù)不能保證設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，尤其是用于貿(mào)易交接計(jì)量方面，一定要慎用差壓式流量計(jì)，否則將帶來(lái)很大的計(jì)量誤差和經(jīng)濟(jì)損失。