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  • 孔板流量計與渦街流量計蒸汽計量誤差對比分析
  • 2019-08-22
  • 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*計量帶來了一定的難度。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對其進(jìn)行流量計量,而用孔板作為節(jié)流元件的差壓式流量計使用居多。近年來,將渦街流量計用于蒸汽計量的數(shù)量在逐年增加,其優(yōu)越性是孔板式流量計所不具備的,特別是在蒸汽參數(shù)偏離設(shè)計值時,孔板式流量計的計量誤差將遠(yuǎn)大于渦街流量計的計量誤差。下面對兩種流量計在蒸汽計量中的誤差進(jìn)行分析和對比。
        一、孔板流量計計量誤差分析
        差壓式流量計是利用流體的動靜壓能轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行流體流量測量的。流體在管道中流動時,如遇流通面積改變將進(jìn)行動靜壓能轉(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)。即靜動壓能的變化量是上述3個物理量的函數(shù)。
        以孔板為節(jié)流元件的差壓式流量計,是將一個節(jié)流孔板放置在管道中,當(dāng)被測流體以一定的流速通過節(jié)流孔板時,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:
        
        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,是通過測量孔板前后壓差來間接獲得流量的,也就是說,差壓是*反映流體流量的可測參數(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:
           (3)
        式中:j——流體經(jīng)過孔板前的總能量;P2——流體經(jīng)過孔板后有效距離內(nèi)的靜壓力;ρ——流體的密度;g——重力加速度;2——流體經(jīng)過孔板后有效距離內(nèi)的流速;z——壓力損失。
        通過以上分析可以看出,當(dāng)測得某一差壓時,由于所測流體的密度不同,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)計條件中的密度值時,所測的差壓才能真實(shí)反映所測的流量。蒸汽由鍋爐產(chǎn)出后送至用戶時,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)計值,再加之其他相關(guān)設(shè)備又不可能完全復(fù)原設(shè)計條件,從而將產(chǎn)生測量誤差。測量誤差隨著蒸汽參數(shù)的波動而波動,而且沒有一個通用的修正公式。
        表1是在同一管道中用同一個孔板及相同的測量設(shè)備對同一種蒸汽所測得的一組數(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,相同的差壓所對應(yīng)的流量是不同的。以1.0MPa蒸汽計量為例,只有在蒸汽的物理?xiàng)l件完全符合設(shè)計條件(1.0MPa、300℃)時,儀表指示的示值才是真實(shí)的實(shí)際流量值。
    表1 孔板差壓流量計在不同溫度、壓力下示值對比表
     
        由表1可以看出,不論在什么條件下,對同一個差壓值,指示儀表所指示的量值都是定格在設(shè)計條件下的量值,與實(shí)際量值出現(xiàn)偏差(完全符合設(shè)計條件的量值除外),*大誤差可達(dá)-11.32%,這么大的誤差是實(shí)際交接計量中應(yīng)該避免的。因?yàn)樗鶞y得的流量信號也就是差壓信號,對于設(shè)計值而言不是一個真實(shí)值,即便后續(xù)測量和運(yùn)算再準(zhǔn)確也無法消除計量誤差,所以在這種條件下,即使進(jìn)行了溫壓補(bǔ)償,所測得的量值也是不準(zhǔn)確的。
        另一方面,即使現(xiàn)在一次儀表大多使用0.25級的差壓變送器,將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換成電信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳,但由于其輸出信號均為標(biāo)準(zhǔn)的(4~20)mADC,電流信號量程只有16mA,是固定不變的。如果流量量程過大,在信號處理上也會帶來一定的誤差。
        若(4~20)mA對應(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對應(yīng)1t/h。當(dāng)流量的變化量為0.1t/h時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量出來,這必將增加測量的誤差。隨著時間的推移將使*終的計量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。
        二、渦街流量計計量誤差分析
        渦街流量計是利用流體振動原理進(jìn)行流量測量的。在流動的流體中,垂直于流體流動方向插入一個柱狀體,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:
           (4)
        式中:f——渦街頻率,Hz;St——斯特羅哈爾參數(shù)(無量綱);υ——流體經(jīng)過柱狀體時的平均流速,m/s;d——柱狀體的特征寬度,m。
        在實(shí)際測量中,一臺制造完成的渦街流量計,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)基本無關(guān)。只要測得了渦街頻率f和柱狀發(fā)生體處的流通面積,即可測得流過發(fā)生體兩側(cè)流體的體積流量,其體積流量關(guān)系式為
            (5)
        式中:qv——體積流量,m3/h;St——斯特羅哈爾系數(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——漩渦發(fā)生體迎面寬度,m;D——表體通徑,m;f——渦街頻率,Hz。
        由式(5)可以看出,在式中沒有涉及流體的任何物理參數(shù)。所以在常規(guī)使用中,一臺渦街流量計無論用于測量何種流體,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)確地測得渦街頻率,就可準(zhǔn)確地測得工況條件下流體的體積流量。這一點(diǎn)完全不同于差壓式流量計在流體參數(shù)偏離設(shè)計值時便產(chǎn)生很大誤差的情況。因此用渦街流量計測量蒸汽時,無論蒸汽的壓力和溫度如何變化,渦街流量計所測得流量都是被測蒸汽工況條件下的實(shí)時體積流量。
        對于每一種型號的渦街流量計,都有它的設(shè)計流量系數(shù),但實(shí)際生產(chǎn)出來的流量計,其流量系數(shù)與設(shè)計流量系數(shù)是有偏差的。因此,對于每一臺新生產(chǎn)的流量計,都要在標(biāo)準(zhǔn)流量裝置上進(jìn)行標(biāo)定,以測出其準(zhǔn)確的流量系數(shù)。這樣,一方面可以使流量計的準(zhǔn)確度得到確認(rèn),另一方面可使渦街流量計的測量準(zhǔn)確度相比出廠時的準(zhǔn)確度有一定程度的提高,這是孔板流量計無法相比的。
        在實(shí)際測量蒸汽時,由于蒸汽溫度遠(yuǎn)高于標(biāo)定時流體的溫度,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)一步保證測量的準(zhǔn)確度。這是孔板流量計所無法實(shí)現(xiàn)的。下面是橫河機(jī)電公司給出的一個修正公式:
           (6)
        式中:kt——工況條件下的流量系數(shù);k——檢定條件下的流量系數(shù);t——工況溫度。
        通過上述分析我們可以看出,在實(shí)際使用中,無論被測流體的參數(shù)如何變化,渦街流量計所測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)量流量計量中,可將根據(jù)國際通用的“LAP-WS-IF97公式”制定的蒸汽密度數(shù)值表存入計算機(jī)中,再根據(jù)所測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測得的體積流量相乘,便可實(shí)現(xiàn)蒸汽的實(shí)時質(zhì)量流量的計量。
        渦街流量計的輸出多為電壓脈沖信號,其信號幅值是固定的,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。目前,在用的各類二次儀表對其輸入的脈沖寬度*小值都不大于0.2ms,所以不會出現(xiàn)由于流量微小的變化使輸出信號變化量過小、二次儀表無法識別而產(chǎn)生計量誤差的情況。
        三、結(jié)束語
        由于蒸汽特殊的物理性質(zhì),所以在選用流量計時要給予充分重視。由上述對兩種流量計的測量原理的分析可以看出,當(dāng)蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計值時,兩種流量計產(chǎn)生的計量誤差相差很大。如當(dāng)上述蒸汽的參數(shù)由設(shè)計值的300℃、1.0MPa變化到250℃、0.7MPa時,使用差壓式流量計計量*大可產(chǎn)生11.23%的誤差。而渦街流量計的計量誤差不會大于該表的設(shè)計計量誤差,一般為1.0%~2.0%。相比之下,渦街流量計的計量準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于差壓式流量計,所以在蒸汽的實(shí)際參數(shù)不能保證設(shè)計參數(shù)時,尤其是用于貿(mào)易交接計量方面,一定要慎用差壓式流量計,否則將帶來很大的計量誤差和經(jīng)濟(jì)損失。
    渦街流量計,蒸汽流量計,蒸汽計量




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