饱和蒸汽的计量及计量仪表的选择

蒸汽的计量及计量仪表的选择

蒸汽广泛用于城镇企事业单位、机关学校及居民的生产、冬季采暖、夏季空调及生活热水等领域，是城镇供应的主要能源之一。由于饱和蒸汽的特殊性，相关企业只能通过管道输送到使用现场。长期以来饱和蒸汽的计量一直是个老大难问题，计量问题解决不好，直接影响供热结算和生产。目前对蒸汽的计量主要采用差压式流量计（如标准孔板、标准喷嘴、经典文丘里管、均速管流量计、内文丘里管流量计等）和涡街式流量计。其中标准孔板应用的时间最长、最广、用量最大，涡街流量计自20世纪90年代初期以来，在蒸汽的计量上也有较多的应用。多年的实践证明，常规的差压式孔板流量计和涡街流量计在技术性能、量程范围、安装要求等方面存在诸多缺点，对于用汽量波动较大的中小企业，其计量性能难以适应，造成测量误差过大，给供热企业带来经济损失。

为克服上述仪表在技术性能方面存在的局限性，20世纪末某企业推出的内内文丘里管流量计与传统的流量计相比，有许多优点，对蒸汽的计量条件具有很好的适应性。经多年应用实践表明，在饱和蒸汽的计量中取得了较好的使用效果，对企业进行公平贸易、加强能源管理、减少蒸汽损耗、节约能源、提高经济效益等方面都具有重要意义。

为克服传统差压式流量计存在的问题，内文丘里管流量计集多种流量计的优点于一体，其技术性能优于孔板、喷嘴和经典文丘里管等流量计，弥补了标准节流件在技术性能方面的某些不足。在蒸汽测量中取得了较好的使用效果。

1. 内文丘里管流量计的结构及测量原理

内文丘里管流量计主要由圆形测量管1和置于测量管内的特型芯体2构成（见图1）。特型芯体是一个与测量管同轴的旋转体，其母线是一假想管壁为无限薄的经典截尾文丘里管的管壁轴向截面，即旋转体的径向外表面由前段圆锥面6、中段圆柱面7、尾段圆锥面8三部分构成。特型芯体靠支承轴9、10和与测量管同轴的支承环3、4定位，用制动件压紧固定（中小型只有后支撑）。支承环是由具有同轴的内环、外环和将内外环连成一体的3～4个支承肋构成。在测量管壁的特定位置上设有取压接头5，测量管两端是用于和现场工艺管道相连接的标准法兰。

2.主要技术特点

⑴计量精度高（优于±0.5%），并能长期保持恒定，使用寿命长。

锥管内置芯体的圆柱面与其前锥面、后锥面之间的夹角均为大于120°的钝角，节流件无锐缘存在。节流部位的这一几何特征，不存在锐缘磨蚀和积污、积水的条件，解决了孔板锐缘磨蚀和积污问题。不仅计量精度高（优于±0.5%），而却流出系数C线性度好，测量稳定性高，使用寿命长，是所有其他节流件所不具备的。

流体在管道中流动，由于管壁的摩擦，中心处的流速最快，而靠近管壁的流速最慢，流体轮廓分布成抛物线状。如果有一V型锥体悬挂在管道中心，当流体接近V型锥时，管道中心处的流速会受到压缩而变慢，管壁附近的流速则会逐渐加快，而使整个管道中的流速趋于一致。我们认为这种均化了的流速对于差压表的流量测量是最理想的。

流体在管道中流动，都会在节流件的下游产生旋涡，这正是涡街流量计的研究对象，但对于差压流量计而言，节流件下游的旋涡是干扰信号，这种涡流的波动会叠加到差压的负压端，影响测量精度。V型锥能改良流速的轮廓分布，使其流速趋于一致，这种改良后的流体绕着V型锥流过，在锥体的下游产生的是高频低幅并成对称分布的小旋涡，而孔板产生的是低频高幅的大旋涡。

如图在同一时间和相同流量情况下，孔板负压波动明显大于V型锥。假设V型锥和孔板在某一工况下均产生1KPa的差压，那么可能在孔板下游涡流的高幅波动中会产生0.5KPa的干扰信号，换句话说，此时孔板有效信号可能有50%淹没在噪音信号中，而V型锥的下游干扰信号可能只有0.1KPa。这表明内文丘里管流量计的信号噪音非常低，它能在低流量、低差压的情况下，仍能保持较高的测量精度和稳定性，特别适合于低密度、低流速的气体测量。基于以上分析，我们还可以得出内文丘里管流量计的另外几个主要优势

⑵量程比宽，达到10：1、15：1或更高。

内文丘里管流量计内置芯体与测量管的组合，在入口前锥面与测量管内圆之间形成一圆锥收缩段，该圆锥收缩段具有流动调整（或称整流、混流）作用。使得流体因流过上游管道阻流件后而发生的偏流、旋转流等非对称的速度分布在此得以矫正，从而在节流件喉部得到所需要的均匀速度分布。因而内文丘里管流量计的流出系数C能在很宽的雷诺数范围内保持良好的线性度，因此内文丘里管流量计的量程比宽，达到10：1、15：1或更高。

虽然智能型流量积算仪能对因雷诺数的变化对流出系数进行实时修正，可提高孔板流量计的量程比，但流体对孔板锐缘磨蚀、积污引起的流出系数的变化却仍然存在，是无法修正的，因锐缘磨蚀、积污等仍会增大孔板的计量误差。

⑶安装直管段要求低。

内文丘里管流量计管内置芯体外表面与测量管内表面之间形成一环形过流缝隙，不仅流体中的固体颗粒和气体中的液滴不易在节流部位积聚，而且环形过流缝隙对来自上游的流动干扰具有极强的抗干扰能力。再加上圆锥收缩段的流动调整作用，使内文丘里管流量计安装直管段要求非常低，一般为1～3D（上下游一般只需3D左右）。大大低于其他节流件（如孔板、喷嘴等）和涡街流量计对直管段的安装要求。因而能有效避免或减少测量系统的附加测量误差，是解决用户换热站空间狭窄、苛刻环境下计量的首选流量计。

传统差压仪表的特性基于理想的流动状态；而实际上这种状况在实际真实应用中根本不存在。任何管道布置上的变化，如弯头、阀门、缩径、扩径、泵、三通接头等都会破坏充分发展流。一般流量仪表很难在扰动的流动中取得正确的测量值。内文丘里管流量计克服了这些缺点，实际上锥体本身重新安排了上游的流速分布。这与锥体的形状和位置密切相关。
　　在极恶劣的安装条件下，如上游有两个不在同一平面上的弯头，而且很靠近锥体，V型锥也能使流速分布变得平坦和对称，从而确保了测量精度。

⑷永久性压力损失小。

内文丘里管流量计因负压稳定，所以正常流量情况下可以通过选择较大的β值（较小的V型锥体）使其对应的差压设计在较低的范围内（内文丘里管流量计的β值可以大于0.75),满量程差压建议为4—5KPa或更低，正常流量对应的差压在2KPa左右，永久压损在1KPa以下；孔板因为旋涡的扰动引起负压不稳定，影响测量精度，所以差压不能太小,正常流量对应的差压最小也是十几千帕。我们假设永久压损孔板比V型锥只多3KPa，可以计算一下50000 m3/h的流量时，因压损的原因采用内文丘里管流量计比孔板运行一年可节约多少资金。

　　能耗损失=体积流量X压损
　　　　= 50000（m3/h）X 3（KPa）
　　　　= 13.88（m3/s）X 3000（Pa） 
　　　　= 13.88（m3/s）X 3000 (N/m2) ( 1Pa=1 N/m2)
　　　　= 41640 (NM/s) (1Kgf ·m = 9.8 NM)
　　　　= 4249 (Kgf ·m/s) (1Kgf ·m/s=9.80665w)
　　　　= 41668 (w)
　　假设工业用电0.6元/度，运行365天
　　41668 (w) X 24 X 365 X 0.6元/度=219,000 （元）
　　即采用内文丘里管流量计比孔板运行一年可节约资金219 ,000元，经济效益十分可观！ 

⑸适用雷诺数范围宽（Red=4×103～1×107）。

适用雷诺数下线低于标准节流件（4×103），也大大低于涡街流量计（2×104）。内文丘里管流量计不仅适用于高雷诺数流体的测量，也适用于低雷诺数暨小流量流体的测量，并有相当好的测量准确度。

（6）内文丘里管流量计的自清洁功能
　　流体在管道中流动，因管壁的摩擦，流体在管壁处的流速最慢，流体中的脏污颗粒容易沉积在管壁上。当流体接近V型锥时，管道中央流速变慢、管壁附近流速逐渐加快，最后绕过V型锥，这种流速“均化”的过程能将管壁周围的杂质吹走，这一吹扫式设计决定了它在焦炉煤气测量中，不会被易粘结的杂质，如矿物油、氨基水合物以及焦油，粘在V型锥上，这便是内文丘里管流量计的自清结功能。我们在邢台钢铁公司用内文丘里管流量计成功地测量焦炉煤气已有两年多，在其焦炉煤气总管上进行测量的V型锥管径为700毫米，以前用孔板测量，每隔两三个月就要清洗一次，拆卸过程中造成的煤气泄露容易引起安全事故。自从改用内文丘里管流量计后，正常运行两年多至今没有拆卸过，而且测量误差非常小。从2002年6月的焦炉煤气耗用统计报表可以看出，供气与消耗量的流量测量误仅为—0.75%。该厂至今已投用内文丘里管流量计六十于台用于各类介质的测量。 

（7）适合气中带液介质测量

在气中带液测量中，介质中的液相经过孔板的节流孔后，会在负压区产生很大的抖动，引起负压波动。而内文丘里管流量计测量气中带液介质时,介质中的液相部分会紧贴管壁流动，不会在V型锥的负压区产生抖动、影响精确测量 。目前，这种国内首创、国际领先的产品，在经过三年投用运行后，已经趋向成熟，并得到了广大用户的一致好评。
　　每台内文丘里管流量计在生产前都要根据用户提供的流体性质、流量大小、管道压力和温度等详细工艺参数，依据专用的计算软件，选型并提供相应的计算表。我们可根据用户的应用条件选择β值；较大的β值（小锥形体）可是压损变小，较小的β值（大的锥体）可产生较大的差压。
　　内文丘里管流量计在出厂前都参照速度式流量计检定规程在国家技术监督局授权的流量标定装置上进行标定，并可随用户手册提供标定实验报告，以及可反映标定结果的修正计算书。