關(guān)于氣體流量計測量原理及常見誤差分析
點(diǎn)擊次數(shù)：4304 發(fā)布時間：2021-03-19 08:11:52
摘要 : 隨著生產(chǎn)及運(yùn)維對測量精度要求日益提高，蒸汽流量測量方法及誤差分析得到了越來越多的學(xué)者關(guān)注。本文擬對幾種火電廠常用流量測量方法展開對比分析，并就常見儀表誤差進(jìn)行簡要分析，旨為更好地滿足現(xiàn)場實際測量需要。
1 研究背景
蒸汽，作為火電廠*重要的二次能源之一，其流量測量對于節(jié)能降耗，降低運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義--但其測量受到諸多因素限制、影響，如介質(zhì)特性、儀表選型、現(xiàn)場安裝等，大大增加了測量難度。隨著生產(chǎn)及運(yùn)維對測量精度的要求日益提高，蒸汽流量測量方法的選擇及誤差分析得到了越來越多的學(xué)者關(guān)注。
蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽。飽和狀態(tài)下的液體稱為飽和液體，其對應(yīng)的蒸汽是飽和蒸汽，但*初只是濕飽和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸發(fā)后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過程溫度是不增加的，干飽和之后繼續(xù)加熱則溫度會上升，成為過熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不同，因而測量質(zhì)量流量時要溫壓補(bǔ)償 ；對于飽和蒸汽，其溫度與密度有一一對應(yīng)關(guān)系，一般只需進(jìn)行壓力補(bǔ)償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量儀表應(yīng)考慮 5 個主要因素，即被測流體特性、安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能及維護(hù)需求。此外，在實際工程應(yīng)用中，儀表的選擇還應(yīng)綜合考慮以下問題 ：
（1）測量目的 ：如商貿(mào)結(jié)算和儲運(yùn)測量對準(zhǔn)確度要求較高，而過程控制連續(xù)監(jiān)測一般要求有良好的可靠性及重復(fù)性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對于大口徑管路測量，壓力損失會直接影響能量消耗。
通過上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或氣體流量計較為理想。
孔板流量計是依據(jù)在已知有關(guān)參數(shù)的條件下，根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系而求得流量。它具有如下優(yōu)點(diǎn) ：①應(yīng)用極為廣泛，全部單相流體均可使用 ；②結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單、牢固、性能穩(wěn)定可靠，價格低廉 ；③檢測件（特別是標(biāo)準(zhǔn)型）為全**通用，并得到了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際計量組織的認(rèn)可 ；④無需個別校準(zhǔn)即可投用 ；⑤同原理儀表擴(kuò)展類型廣泛，可替換性強(qiáng)。但其測量同樣具有一定局限性 ：①由于眾多因素的影響錯綜復(fù)雜，精確度難于大幅度提高 ；②受限于流量系數(shù)與雷諾數(shù)，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長的直管段長度要求 ；④壓力損失大 ；⑤長期使用精度難以保證，需要定期維護(hù)、檢修維護(hù)量大。
氣體流量計是利用卡曼渦街原理，即流體在管道中經(jīng)過渦街流量變送器時，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)。它具有如下優(yōu)點(diǎn) ：①適用流體種類多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應(yīng)用 ；②在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質(zhì)中校準(zhǔn)，用于各種介質(zhì) ；③結(jié)構(gòu)簡單牢固、無可動部件，安裝方便，運(yùn)維可靠 ；④準(zhǔn)確度較高，無零點(diǎn)漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節(jié)能意義 ；⑥性價比較高。但其測量也具有一定局限性 ：①不適于低雷諾系數(shù)測量 ；②管道內(nèi)流速分布應(yīng)為充分發(fā)展流，被測管道上、下游直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表系數(shù)較低，口徑越大越低，適用于中、小口徑測量 ；④不適用于振動大或脈動流工況。
3 常見誤差分析
常見誤差來源主要分為以下幾點(diǎn)。
（1）參數(shù)調(diào)整或量程選擇有誤
如儀表量程小于實際參數(shù)，不僅無法正常量，且長時間故障運(yùn)行可能會導(dǎo)致儀表無法恢復(fù)的機(jī)械損傷 ；若儀表量程遠(yuǎn)大于實際參數(shù)，測量結(jié)果無法滿足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準(zhǔn)測量的基礎(chǔ)。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻度的 95% ；正常流量為滿刻度的 70% ～ 85% ；*小流量不小于滿刻度的 30%。此外，DCS 側(cè)量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具備溫壓補(bǔ)償功能
氣體流量計與測量介質(zhì)無關(guān)是指其體積流量不受溫度、壓力變化影響，但如需計量被測介質(zhì)的質(zhì)量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積，就需判別蒸汽狀態(tài)并測量實時壓力、溫度等熱工狀態(tài)參數(shù)，即在蒸汽工況偏離設(shè)計工況時，將蒸汽的密度對測量結(jié)果的影響予以修正 ；如儀表不具備溫壓補(bǔ)償功能，數(shù)據(jù)處理不當(dāng)將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿足儀表要求
流體特性直接影響測量結(jié)果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考慮因素有儀表的流動方向，上下游管道狀況，閥門位置，防護(hù)性輔助設(shè)備，非定長流（如脈動流）情況，電氣干擾和維護(hù)空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下游 ：2 ～ 8 倍工藝管道直徑 ；氣體流量計直管段要求--上游 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導(dǎo)直器時，上游直段長度 12D），下游 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安裝不當(dāng)或儀表工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道與工藝管道同軸，安裝法蘭墊子時要注意不要凸出管內(nèi)徑 ；安裝時還應(yīng)盡可能的減小因被測介質(zhì)脈動引起的內(nèi)部震動及因動力引起的外部震動。
（5）蒸汽相變產(chǎn)生的附加誤差
隨著工況（壓力、溫度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時如仍按過熱蒸汽規(guī)律進(jìn)行密度計算將會帶來附加誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過長中，由于散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證蒸汽干度，出現(xiàn)凝結(jié)水的密度遠(yuǎn)大于蒸汽 ；同時，當(dāng)管道保溫良好，流動阻力損失很大時（管道上有開度很小的閥門，減壓裝置等），飽和蒸汽很可能會由于壓力急劇降低而變成過熱蒸汽（熱力學(xué)上的絕熱節(jié)流效應(yīng)），上述情況都可能引起蒸汽密度變化，從而產(chǎn)生誤差。
4 總結(jié)
通過綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采用孔板流量計及氣體流量計進(jìn)行測量，進(jìn)而又對其適用工況及優(yōu)缺點(diǎn)等展開對比分析，并就常見儀表誤差進(jìn)行簡要分析，旨為更好地滿足現(xiàn)場實際測量需要。
氣體流量計種類及應(yīng)用
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氣體流量計的安裝環(huán)境要求
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1 研究背景
蒸汽，作為火電廠*重要的二次能源之一，其流量測量對于節(jié)能降耗，降低運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義--但其測量受到諸多因素限制、影響，如介質(zhì)特性、儀表選型、現(xiàn)場安裝等，大大增加了測量難度。隨著生產(chǎn)及運(yùn)維對測量精度的要求日益提高，蒸汽流量測量方法的選擇及誤差分析得到了越來越多的學(xué)者關(guān)注。
蒸汽分為過熱蒸汽和飽和蒸汽。飽和狀態(tài)下的液體稱為飽和液體，其對應(yīng)的蒸汽是飽和蒸汽，但*初只是濕飽和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸發(fā)后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過程溫度是不增加的，干飽和之后繼續(xù)加熱則溫度會上升，成為過熱蒸汽。蒸汽在不同的溫度、壓力下密度不同，因而測量質(zhì)量流量時要溫壓補(bǔ)償 ；對于飽和蒸汽，其溫度與密度有一一對應(yīng)關(guān)系，一般只需進(jìn)行壓力補(bǔ)償即可。
2 測量原理及對比分析
選擇蒸汽流量測量儀表應(yīng)考慮 5 個主要因素，即被測流體特性、安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能及維護(hù)需求。此外，在實際工程應(yīng)用中，儀表的選擇還應(yīng)綜合考慮以下問題 ：
（1）測量目的 ：如商貿(mào)結(jié)算和儲運(yùn)測量對準(zhǔn)確度要求較高，而過程控制連續(xù)監(jiān)測一般要求有良好的可靠性及重復(fù)性（精密度）；
（2）壓力損失 ：尤其是對于大口徑管路測量，壓力損失會直接影響能量消耗。
通過上述分析不難得出，蒸汽流量測量采用孔板流量計或氣體流量計較為理想。
孔板流量計是依據(jù)在已知有關(guān)參數(shù)的條件下，根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系而求得流量。它具有如下優(yōu)點(diǎn) ：①應(yīng)用極為廣泛，全部單相流體均可使用 ；②結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單、牢固、性能穩(wěn)定可靠，價格低廉 ；③檢測件（特別是標(biāo)準(zhǔn)型）為全**通用，并得到了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際計量組織的認(rèn)可 ；④無需個別校準(zhǔn)即可投用 ；⑤同原理儀表擴(kuò)展類型廣泛，可替換性強(qiáng)。但其測量同樣具有一定局限性 ：①由于眾多因素的影響錯綜復(fù)雜，精確度難于大幅度提高 ；②受限于流量系數(shù)與雷諾數(shù)，一般儀表量程比 3 ∶ 1 ～ 4 ∶ 1 ；③有較長的直管段長度要求 ；④壓力損失大 ；⑤長期使用精度難以保證，需要定期維護(hù)、檢修維護(hù)量大。
氣體流量計是利用卡曼渦街原理，即流體在管道中經(jīng)過渦街流量變送器時，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)。它具有如下優(yōu)點(diǎn) ：①適用流體種類多，液、氣、蒸汽及部分混相流皆可應(yīng)用 ；②在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號不受流體物性及組份影響，可在一種典型介質(zhì)中校準(zhǔn)，用于各種介質(zhì) ；③結(jié)構(gòu)簡單牢固、無可動部件，安裝方便，運(yùn)維可靠 ；④準(zhǔn)確度較高，無零點(diǎn)漂移，量程比較大（10 ：1 或 20 ：1 更大）；⑤壓損小（約為孔板流量計的 1/2~1/4），具有一定節(jié)能意義 ；⑥性價比較高。但其測量也具有一定局限性 ：①不適于低雷諾系數(shù)測量 ；②管道內(nèi)流速分布應(yīng)為充分發(fā)展流，被測管道上、下游直管段條件要求較為苛刻 ；③儀表系數(shù)較低，口徑越大越低，適用于中、小口徑測量 ；④不適用于振動大或脈動流工況。
3 常見誤差分析
常見誤差來源主要分為以下幾點(diǎn)。
（1）參數(shù)調(diào)整或量程選擇有誤
如儀表量程小于實際參數(shù)，不僅無法正常量，且長時間故障運(yùn)行可能會導(dǎo)致儀表無法恢復(fù)的機(jī)械損傷 ；若儀表量程遠(yuǎn)大于實際參數(shù)，測量結(jié)果無法滿足精度要求--故合理選擇儀表量程是精準(zhǔn)測量的基礎(chǔ)。
推薦量程選擇 ：*大流量不超過滿刻度的 95% ；正常流量為滿刻度的 70% ～ 85% ；*小流量不小于滿刻度的 30%。此外，DCS 側(cè)量程需與儀表量程保持一致。
（2）儀表不具備溫壓補(bǔ)償功能
氣體流量計與測量介質(zhì)無關(guān)是指其體積流量不受溫度、壓力變化影響，但如需計量被測介質(zhì)的質(zhì)量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積，就需判別蒸汽狀態(tài)并測量實時壓力、溫度等熱工狀態(tài)參數(shù)，即在蒸汽工況偏離設(shè)計工況時，將蒸汽的密度對測量結(jié)果的影響予以修正 ；如儀表不具備溫壓補(bǔ)償功能，數(shù)據(jù)處理不當(dāng)將引入不必要的誤差。
（3）安裝條件不滿足儀表要求
流體特性直接影響測量結(jié)果，而流體特性很大程度上受安裝條件影響。安裝條件考慮因素有儀表的流動方向，上下游管道狀況，閥門位置，防護(hù)性輔助設(shè)備，非定長流（如脈動流）情況，電氣干擾和維護(hù)空間等。參見“DL/T 5182-2004”，孔板流量計直管段要求--上游 ：5 ～ 80 倍工藝管道直徑，下游 ：2 ～ 8 倍工藝管道直徑 ；氣體流量計直管段要求--上游 ：15~50 倍工藝管道直徑（如有束流導(dǎo)直器時，上游直段長度 12D），下游 ：5 倍工藝管道直徑。
（4）安裝不當(dāng)或儀表工藝粗糙
儀表安裝需保證測量管道與工藝管道同軸，安裝法蘭墊子時要注意不要凸出管內(nèi)徑 ；安裝時還應(yīng)盡可能的減小因被測介質(zhì)脈動引起的內(nèi)部震動及因動力引起的外部震動。
（5）蒸汽相變產(chǎn)生的附加誤差
隨著工況（壓力、溫度等）的變化，過熱蒸汽可能會因熱量損失從過熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時如仍按過熱蒸汽規(guī)律進(jìn)行密度計算將會帶來附加誤差。而飽和蒸汽在管道傳輸過長中，由于散熱而溫度降低，壓力下降，很難保證蒸汽干度，出現(xiàn)凝結(jié)水的密度遠(yuǎn)大于蒸汽 ；同時，當(dāng)管道保溫良好，流動阻力損失很大時（管道上有開度很小的閥門，減壓裝置等），飽和蒸汽很可能會由于壓力急劇降低而變成過熱蒸汽（熱力學(xué)上的絕熱節(jié)流效應(yīng)），上述情況都可能引起蒸汽密度變化，從而產(chǎn)生誤差。
4 總結(jié)
通過綜合對比，筆者推薦蒸汽流量測量采用孔板流量計及氣體流量計進(jìn)行測量，進(jìn)而又對其適用工況及優(yōu)缺點(diǎn)等展開對比分析，并就常見儀表誤差進(jìn)行簡要分析，旨為更好地滿足現(xiàn)場實際測量需要。
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