氬氣流量計在集中供熱系統中的蒸汽計量
點擊次數：2727 發布時間：2021-01-08 05:31:19
集中供熱應用主要是工業和民用建筑的采暖、通風、空調和熱水供應以及各種生產過程中的加熱、烘干、蒸煮、清洗、溶化、致冷、汽錘和汽泵等操作，城市集中供熱對為于節約能源，改善環境，提高人民群眾的生活水平，以及降低相關行業的生產成本與提高生產率有著重要的意義，隨著城市集中供熱的發展和大批熱電廠的建立，我國的集中供熱已經有了相當的規模。根據使用的熱媒不同，集中供熱分為熱水供熱系統和蒸汽供熱系統。其中，蒸汽供熱系統中的蒸汽計量由于事關熱力公司于用戶雙方經濟利益，又是衡量熱力公司管網效率，管網維護水平的直接依據。因而蒸汽計量的準確與否是一個十分重要的問題。本文簡述了氬氣流量計等相關測量儀表在集中供熱中蒸汽計量中的原理、系統及管路安裝狀況，分析了系統在計量、測量過程中產生誤差的原因，以及解決這些問題的方法。
一、蒸汽計量的原理及系統
1、流量
流體在單位時間內流過管道或設備某橫截面的數量稱為流量。該數量可以用容積，重量和質量來表示。因此，流量可分別用容積流量（用Q表示，單位為立方米/秒、升/分、立方米/時）重量流量（用G表示，單位為公斤/秒、公斤/時或噸/時）質量流量（用M表示，單位為克/秒、千克/時）
三者的關系是：
M=ρQ
G=γQ
G=gM
其中：ρ——流量密度
γ——流體的重度（單位流體的重量）；γ=pg
g——單地重力加速度
在生產和科研中，有時需要知道某一段時間內流過流體的總量，稱為累積流量，它等于該時間內流量對時間的積分。與累積流量相對應的流量又稱瞬時流量。
2、氬氣流量計
隨著科學技術的發展，人們對流量檢測精度的要求也越來越高，自1969年日本橫河電機株式會社和美國Easteen公司幾乎同時推出**上*批氬氣流量計以來，它就以適用流體種類多（液體，汽體，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安裝簡單方便，壓力損失小，使用壽命長，幾乎不受溫度、壓力等變化的影響等優點而受到大家的青睞，并且得到了廣泛的使用。其工作原理如下：
旋渦流量計是利用流體力學中卡門渦街的原理制作的一種儀表，把一個非流線型的對稱形狀的物體（如圖：柱體、三角柱體、矩形柱體、六角柱體等，以下簡稱旋渦發生體）垂直插入管道中，流體繞過發生體時，出現了分離，在旋渦發生體的左右兩側后方會交替產生旋渦，形成渦列，如圖（1）所示，左右兩側的旋渦旋轉方向相反，這種旋渦通常稱為卡門渦街列，也稱卡門渦街。卡門渦街的釋放頻率與流體的流動速度及柱狀物的寬度有關系，可用下式表示
f=stv/d
f——卡門渦街的釋放頻率；
st——系數（稱為卡特羅哈數；）
v——流速；
d——柱狀物的寬度；
圖1
卡門渦街釋放頻率f和流速v成正比。因此，通過測量卡門渦街釋放頻率就可算出瞬時流量。卡特羅哈數是無因次未知數，是旋渦流量計的重要系數。
轉換器是把渦街道辦事處檢測的電荷轉換成脈沖信號輸出。現使用的是脈沖信號輸出。
電路圖下：
圖2
從壓元件輸出的分變電荷經過轉換變成與電荷量成正比的電壓。通過加法器，把兩個電荷轉換器輸出的相位差180度的電壓相加。可以得到信噪比大的電壓輸出信號輸出。通過AC放大器，低通濾波器進行信號放大和消除噪聲。史密特整形器能防止由噪聲產生的震蕩。從史密特整形器輸出的信號，通過脈沖輸出放大器，使之轉換成與接收裝置輸入端相適應的脈沖信號。NB（噪聲平衡）的調整是借調整2片壓電元件輸出中的噪聲分的比，使受到噪聲影響*小，得到信噪比大的信號，對TLA（觸發輸出電平）的調整，起到抑制振動等干擾作用。
3、蒸汽計量系統的介紹
如圖3所示為目前較為合理的計量系統框圖
圖3
圖中通過熱電阻，壓力變送器測出蒸汽的溫度、壓力，然后與轉換器輸出的脈沖信號一起送到智能型蒸汽流量表，由儀表中單片微機，計算瞬時流量、累積流量及蒸汽溫度、壓力和旋渦發生體的頻率值。當外供電源停電時，圖中的逆變電源可以自動向計量系統供電，防止停電時蒸汽無法計量。加入記錄儀是為了計錄用戶一個月中每小時的瞬時用汽量，便于供熱單位**了解用戶的負荷情況，便于計量收費。同時流量表通過電話線與上位機相連，一天24小時不間斷地把用戶用汽的壓力、溫度、瞬時流量、累計流量傳送到上位機上，以便熱力公司對這些參數進行監控，以便及時發現問題。
4、系統管路安裝情況
圖4為蒸汽計量系統管路示意圖。圖中1為用戶進汽閥；2旋渦發生體；3為轉換器；4為壓力變送器；5為壓力取樣點；6為溫度取樣點；7為閥門；8為除污器；9為閥門；10為減壓閥；11為安全門。目前渦街蒸汽流量測量系統大多采用如此步置。
圖4
流量計在設計上已經考慮到惡劣條件下工作，但為了長期保持它的精確度和穩定性，必須考慮下列因素：環境溫度，環境空氣，機械振動與沖擊。
在氬氣流量計安裝時，應在其上游側配置20D（D為流量計的公稱通徑）以上的直管段和下游側配置長度為5D以上的直管段。測壓點設置在下游距離旋渦發生體（流量計中心線）3.5D～5.5D位置。當需要測量溫度時測溫點設置在下游側距離旋渦發生體6D～8D的位置。
二、蒸汽流量的誤差分析
1、兩相流引起的誤差
由氬氣流量計的原理可得知，目前廣泛使用的卡門氬氣流量計在測量蒸汽時，如果供熱公司輸送到用戶的是過熱蒸汽，則由質量M=ρQ，其中，Q為體積，與卡門渦街的頻率有關；ρ為蒸汽密度，與蒸汽的壓力、溫度有關，由公式進行查表補償可以求出瞬時質量流量和累積質量流量。但是，從目前的情況看，很多時候，供熱公司輸送到用戶的汽、液兩相共存的濕飽和蒸汽。這是因為，蒸汽在沿管路流動時，因克服摩擦阻力和局部阻力，壓力逐漸下降，管壁散熱，熱焓逐漸降低，從而使蒸汽中含水。如果準確測量質量流量，應將濕蒸汽的干度值參與質量流量的計算。但由卡門渦街流量表的原理分析可知，在汽、液兩相共存的情況下，智能型蒸汽流量表仍按蒸汽的體積流量來計算質量，水與蒸汽的密度比相差懸殊，故使測量的質量流量下降。這是造成供熱公司管網損失的*重要原因。
2、流量計不當造成誤差
在測量高壓蒸汽時，如果流量計上游安裝截流閥，且直管段20D以內，閥門接近關閉，而低壓側與大氣相通，那就不可能進行精確測量。另外，安裝流量計的配管內徑一般應等于或略大于流量儀表的內徑。如果配管的實際內徑略小于流量儀表內徑（3%以內），雖然不會對儀表本身所固有的k值造成影響，但卻因流通面積突變引起觀流速變化而可能產生附加測量誤差。
3、溫度變化引起的誤差
儀表系數k通常是在常溫（20℃）左右標定的，如果被測流體的溫度較高或較低，與常溫相差較大，由于熱脹冷縮會使儀表表體和旋渦發生體的幾何尺寸發生變化，造成流通面積變化而引起附加誤差。正確的解決方法是對儀表系數進行補償修正。
此外，由于發生體使用時間過長而引起迎流面堆積，或者發生體兩棱邊受到磨損，均會引起附加誤差。
4、計量儀表選型不合理引起的誤差
我國現有氬氣流量計生產廠家近40家，這其中不乏粗制濫造的產品，同時，壓力變送器、流量表及熱電阻的選型都對整個系統的測量精度產生影響。另外，氬氣流量計的口徑選擇要依靠用戶的負荷。溫度壓力差別不能太大，要綜合考慮。否則會造成計量不準確。從而引起誤差。
5、蒸汽儀表中氬氣流量計的檢定問題
根據**技術監察局的有關規定，對于供熱部門與用戶參與貿易結算的儀表，每年要進行強檢，對于沒有檢定或檢定不和格的計量器具，不準予以使用。目前，多數生產廠家出廠檢定設備非常簡陋，遠遠不能滿足生產要求。具有法律效力的**蒸汽計量檢定所還為數不多，這就大大制約了蒸汽計量的發展。其結果，使大多數蒸汽貿易結算計量儀表得不到定期檢定，使得相當一部分計量儀表超差運行。
三、蒸汽計量目前還存在的問題
1、由于氬氣流量計的檢定單位太少，造成個別單位氬氣流量計多年未檢定或根本不知道到哪兒檢定，這樣客觀造成了蒸汽和熱水計量的不準確，解決的辦法是**在各地應盡量多建立蒸汽計量檢定站，以利于蒸汽計量儀表的檢定。
2、多年來，大部分熱力公司對用戶蒸汽計量儀表采取每日到用戶檢查，抄表一次的比較被動的管理方式，這也是造成個別用戶偷汽的主要原因。因而及時掌握熱用戶負荷信息和熱工儀表的運行情況，實現熱網運行的動態跟蹤、監督和集中調度、控制是我們的當務之急。為了解決這一問題，目前，大多數熱力公司采用現代計算機監控制系統技術來實現熱網集中測控和科學化管理，通過微機聯網能及時發現問題、處理問題，保證了蒸汽計量的安全、可靠，并提高了現代化管理程度。
一、蒸汽計量的原理及系統
1、流量
流體在單位時間內流過管道或設備某橫截面的數量稱為流量。該數量可以用容積，重量和質量來表示。因此，流量可分別用容積流量（用Q表示，單位為立方米/秒、升/分、立方米/時）重量流量（用G表示，單位為公斤/秒、公斤/時或噸/時）質量流量（用M表示，單位為克/秒、千克/時）
三者的關系是：
M=ρQ
G=γQ
G=gM
其中：ρ——流量密度
γ——流體的重度（單位流體的重量）；γ=pg
g——單地重力加速度
在生產和科研中，有時需要知道某一段時間內流過流體的總量，稱為累積流量，它等于該時間內流量對時間的積分。與累積流量相對應的流量又稱瞬時流量。
2、氬氣流量計
隨著科學技術的發展，人們對流量檢測精度的要求也越來越高，自1969年日本橫河電機株式會社和美國Easteen公司幾乎同時推出**上*批氬氣流量計以來，它就以適用流體種類多（液體，汽體，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安裝簡單方便，壓力損失小，使用壽命長，幾乎不受溫度、壓力等變化的影響等優點而受到大家的青睞，并且得到了廣泛的使用。其工作原理如下：
旋渦流量計是利用流體力學中卡門渦街的原理制作的一種儀表，把一個非流線型的對稱形狀的物體（如圖：柱體、三角柱體、矩形柱體、六角柱體等，以下簡稱旋渦發生體）垂直插入管道中，流體繞過發生體時，出現了分離，在旋渦發生體的左右兩側后方會交替產生旋渦，形成渦列，如圖（1）所示，左右兩側的旋渦旋轉方向相反，這種旋渦通常稱為卡門渦街列，也稱卡門渦街。卡門渦街的釋放頻率與流體的流動速度及柱狀物的寬度有關系，可用下式表示
f=stv/d
f——卡門渦街的釋放頻率；
st——系數（稱為卡特羅哈數；）
v——流速；
d——柱狀物的寬度；
圖1
卡門渦街釋放頻率f和流速v成正比。因此，通過測量卡門渦街釋放頻率就可算出瞬時流量。卡特羅哈數是無因次未知數，是旋渦流量計的重要系數。
轉換器是把渦街道辦事處檢測的電荷轉換成脈沖信號輸出。現使用的是脈沖信號輸出。
電路圖下：
圖2
從壓元件輸出的分變電荷經過轉換變成與電荷量成正比的電壓。通過加法器，把兩個電荷轉換器輸出的相位差180度的電壓相加。可以得到信噪比大的電壓輸出信號輸出。通過AC放大器，低通濾波器進行信號放大和消除噪聲。史密特整形器能防止由噪聲產生的震蕩。從史密特整形器輸出的信號，通過脈沖輸出放大器，使之轉換成與接收裝置輸入端相適應的脈沖信號。NB（噪聲平衡）的調整是借調整2片壓電元件輸出中的噪聲分的比，使受到噪聲影響*小，得到信噪比大的信號，對TLA（觸發輸出電平）的調整，起到抑制振動等干擾作用。
3、蒸汽計量系統的介紹
如圖3所示為目前較為合理的計量系統框圖
圖3
圖中通過熱電阻，壓力變送器測出蒸汽的溫度、壓力，然后與轉換器輸出的脈沖信號一起送到智能型蒸汽流量表，由儀表中單片微機，計算瞬時流量、累積流量及蒸汽溫度、壓力和旋渦發生體的頻率值。當外供電源停電時，圖中的逆變電源可以自動向計量系統供電，防止停電時蒸汽無法計量。加入記錄儀是為了計錄用戶一個月中每小時的瞬時用汽量，便于供熱單位**了解用戶的負荷情況，便于計量收費。同時流量表通過電話線與上位機相連，一天24小時不間斷地把用戶用汽的壓力、溫度、瞬時流量、累計流量傳送到上位機上，以便熱力公司對這些參數進行監控，以便及時發現問題。
4、系統管路安裝情況
圖4為蒸汽計量系統管路示意圖。圖中1為用戶進汽閥；2旋渦發生體；3為轉換器；4為壓力變送器；5為壓力取樣點；6為溫度取樣點；7為閥門；8為除污器；9為閥門；10為減壓閥；11為安全門。目前渦街蒸汽流量測量系統大多采用如此步置。
圖4
流量計在設計上已經考慮到惡劣條件下工作，但為了長期保持它的精確度和穩定性，必須考慮下列因素：環境溫度，環境空氣，機械振動與沖擊。
在氬氣流量計安裝時，應在其上游側配置20D（D為流量計的公稱通徑）以上的直管段和下游側配置長度為5D以上的直管段。測壓點設置在下游距離旋渦發生體（流量計中心線）3.5D～5.5D位置。當需要測量溫度時測溫點設置在下游側距離旋渦發生體6D～8D的位置。
二、蒸汽流量的誤差分析
1、兩相流引起的誤差
由氬氣流量計的原理可得知，目前廣泛使用的卡門氬氣流量計在測量蒸汽時，如果供熱公司輸送到用戶的是過熱蒸汽，則由質量M=ρQ，其中，Q為體積，與卡門渦街的頻率有關；ρ為蒸汽密度，與蒸汽的壓力、溫度有關，由公式進行查表補償可以求出瞬時質量流量和累積質量流量。但是，從目前的情況看，很多時候，供熱公司輸送到用戶的汽、液兩相共存的濕飽和蒸汽。這是因為，蒸汽在沿管路流動時，因克服摩擦阻力和局部阻力，壓力逐漸下降，管壁散熱，熱焓逐漸降低，從而使蒸汽中含水。如果準確測量質量流量，應將濕蒸汽的干度值參與質量流量的計算。但由卡門渦街流量表的原理分析可知，在汽、液兩相共存的情況下，智能型蒸汽流量表仍按蒸汽的體積流量來計算質量，水與蒸汽的密度比相差懸殊，故使測量的質量流量下降。這是造成供熱公司管網損失的*重要原因。
2、流量計不當造成誤差
在測量高壓蒸汽時，如果流量計上游安裝截流閥，且直管段20D以內，閥門接近關閉，而低壓側與大氣相通，那就不可能進行精確測量。另外，安裝流量計的配管內徑一般應等于或略大于流量儀表的內徑。如果配管的實際內徑略小于流量儀表內徑（3%以內），雖然不會對儀表本身所固有的k值造成影響，但卻因流通面積突變引起觀流速變化而可能產生附加測量誤差。
3、溫度變化引起的誤差
儀表系數k通常是在常溫（20℃）左右標定的，如果被測流體的溫度較高或較低，與常溫相差較大，由于熱脹冷縮會使儀表表體和旋渦發生體的幾何尺寸發生變化，造成流通面積變化而引起附加誤差。正確的解決方法是對儀表系數進行補償修正。
此外，由于發生體使用時間過長而引起迎流面堆積，或者發生體兩棱邊受到磨損，均會引起附加誤差。
4、計量儀表選型不合理引起的誤差
我國現有氬氣流量計生產廠家近40家，這其中不乏粗制濫造的產品，同時，壓力變送器、流量表及熱電阻的選型都對整個系統的測量精度產生影響。另外，氬氣流量計的口徑選擇要依靠用戶的負荷。溫度壓力差別不能太大，要綜合考慮。否則會造成計量不準確。從而引起誤差。
5、蒸汽儀表中氬氣流量計的檢定問題
根據**技術監察局的有關規定，對于供熱部門與用戶參與貿易結算的儀表，每年要進行強檢，對于沒有檢定或檢定不和格的計量器具，不準予以使用。目前，多數生產廠家出廠檢定設備非常簡陋，遠遠不能滿足生產要求。具有法律效力的**蒸汽計量檢定所還為數不多，這就大大制約了蒸汽計量的發展。其結果，使大多數蒸汽貿易結算計量儀表得不到定期檢定，使得相當一部分計量儀表超差運行。
三、蒸汽計量目前還存在的問題
1、由于氬氣流量計的檢定單位太少，造成個別單位氬氣流量計多年未檢定或根本不知道到哪兒檢定，這樣客觀造成了蒸汽和熱水計量的不準確，解決的辦法是**在各地應盡量多建立蒸汽計量檢定站，以利于蒸汽計量儀表的檢定。
2、多年來，大部分熱力公司對用戶蒸汽計量儀表采取每日到用戶檢查，抄表一次的比較被動的管理方式，這也是造成個別用戶偷汽的主要原因。因而及時掌握熱用戶負荷信息和熱工儀表的運行情況，實現熱網運行的動態跟蹤、監督和集中調度、控制是我們的當務之急。為了解決這一問題，目前，大多數熱力公司采用現代計算機監控制系統技術來實現熱網集中測控和科學化管理，通過微機聯網能及時發現問題、處理問題，保證了蒸汽計量的安全、可靠，并提高了現代化管理程度。