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摘要：結合差壓式流量計和渦街流量計的原理，對節流裝置、巴類流量元件和渦街流量計測量蒸汽流量的主要影響因素進行分析，并根據幾種不同儀表的特點，分別就選型、安裝、經濟效益等方面進行分析，并總結幾種測量儀表的優點與不足。
蒸汽是使用最廣泛的載熱工質，是重要的二次能源，蒸汽流量的測量對加強管理、公平貿易、節約能源、提高經濟效益等方面都有重要意義。蒸汽流量測量方法按工作原理，可分為直接式和推導式兩大類。現在廣泛使用的蒸汽流量計為推導式，包括節流裝置、巴類流量元件及渦街流量計等，這些測量方法有各自的優缺點，適用于不同場合。
1節流裝置
　　節流式差壓流量元件是一種歷史悠久、用量最大的流量計。節流式差壓流量計依據流體流過節流裝置，使部分壓力能轉變為動能產生差壓的原理來工作。節流裝置分為標準型和非標準型兩大類。標準型節流元件按照GB/T2624設計、制造、安裝和使用，無需實流校準。節流式差壓流量計可測量所有單向流，包括液、氣、蒸汽等。標準節流裝置世界通用，并得到國際計量組織的認可。
　　節流裝置見圖1。當流體通過標準節流裝置時，在1-I截面前，流體未受節流件的影響，管道內流速分布均勻。管道軸心處和管壁處的靜壓相等。I-I截面后(約0.5D~2D)，流體開始受節流件影響，靠近管壁處的流體向中心加速，平均流速逐漸升高，直至II-II截面，流束收縮到最小，平均流速達到最大值。自II-II截面后，流束開始膨脹，直至川-I截面，又恢復到I-I截面前的情況，此時平均流速逐漸降低，與平均流速相對應的靜壓也由低到高再恢復到低值。流體在節流件前、后的管壁附近形成渦流，渦流即有橫向脈動，還有逆向運動，孔板或噴嘴的壓力損失高，就是因為渦流能量耗散造成的。

　　式中，Z、p/ρ、Kv2/2分別表示單位質量流體在過流斷面上的位能、壓力能和動能的平均值。εv212表示單位質量流體的平均能量損失。
推導出不可壓縮流體的流量方程式:

按照GB/T2624，流出系數C的定義式為:

　　在一定的安裝條件下給定的節流裝置，該C值僅與雷諾數有關，即C=f(ReD，節流件類型，D，β)。由此，可以算出流出系數，進而得到節流裝置的選型計算。
　　流出系數與雷諾數的關系見圖2。低雷諾數區域屬于層流區，流體繞過限流孔后不會形成噴射現象，流出系數隨雷諾數增高而增大;中雷諾數區域內流動從層流發展到紊流，流出系數隨雷諾數增高而增大的速度緩慢。對于孔板，由于慣性作用加強，孔口處開始形成噴射，流束在孔口外產生縮流，因此C值下降;在高雷諾數區域，C值都趨于穩定，對于孔板，β值越高，趨于穩定時的雷諾數就越高。

2巴類流量元件
　　巴類流量元件是一-種新型的差壓式流量元件，采用差壓式的工作原理，插入式的安裝方法。其通過一-根直徑為十幾毫米的探頭取壓，探頭前后有二排不均勻分布的、若干個幾毫米的引壓孔。通過這兩排孔將管道從上到下的不同壓力在孔內取平均以構成差壓。巴類流量元件精度高，壓損小，對探頭磨損小，在安裝合適的情況下，可以長期保持精度。
巴類流量元件質量流量的計算公式:

　　阻斷系數ζ只與探頭結構有關。對于不可壓縮.介質，由于壓損不會影響密度的變化，膨脹系數ε為1。對于可壓縮的介質，隨著管道內壓力損失增.加和管道內靜壓的減小，膨脹系數ε從1開始，按照比例下降。

　　式中，Pp為設計壓力，pg為工況壓力，εg為設計膨脹系數，dp,為設計差壓，當前工況密度為ρg。若介質的實際工作狀態與設計狀態相近，使用理想氣體方程可以得到足夠精度的結果:

3渦街流量計
　　渦街流量計根據卡門(Karman)渦街原理研究生產，渦街流量計壓損小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響，無可動機械零件，維護量小。渦街流量計在流體中設置三角柱型旋渦發生體，流體在管道中經過渦街流量計時，在三角柱的旋渦發生體后，上下交替產生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發生體的流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關:

　　式中，f為旋渦的釋放頻率;v為流過旋渦發生體的流體平均速度;d為旋渦發生體特征寬度;St為斯特勞哈爾數，范圍為0.14～0.27，是雷諾數的函數。

　　當雷諾數Re在102~10時范圍內，St值約為0.2。在測量中，需滿足流體的雷諾數在102~105,此時旋渦頻率:

　　由此，通過測量旋渦頻率就可以計算出流過旋渦發生體的流體平均速度v，再由式q=vA，可以求出流量q，其中A為流體流過旋渦發生體的截面積。
4三種流量計比較
4.1選型比較
　　標準節流裝置只有在滿足以下條件下，流量系數才與規范中提供的數據相符:①被測介質應充滿全部管道截面連續地流動;②管道內的流速(流動狀態)應是穩定的;③被測介質在通過節流裝置時，應不發生相變;④節流裝置前后有足夠長度的直管段。
　　巴類流量元件運用廣泛，可以測量干燥氣體、潮濕氣體、液體或蒸汽的介質，不受介電常數的影響，適用通徑廣。一-般用于大口徑管道上蒸汽流量測量。
　　渦街流量計可以在測量介質流速0.5~12m/s范圍內選用。渦街流量計的口徑不一定與工藝管道相同，選型時考慮測量流量范圍是否在流速范圍內，當管道流速偏低，需縮小儀表口徑，提高流速，從而得到滿意的測量結果。
4.2安裝比較
　　節流裝置和巴類流量元件都需要與差壓顯示儀表連接，測量蒸汽時都采用伴熱保溫來應對蒸汽冬季凝結的情況，見圖3、圖4。節流裝置的現場安裝條件要求較高，需較長的直管段，一般為前20D,后15D。巴類流量元件的前后直管段要求相對短一些，一般為前7D，后3D。節流裝置或巴類流量元件與差壓顯示儀表之間引壓管線亦為薄弱環節，易產生泄漏、堵塞及凍結、信號失真等故障。

　　巴類流量元件安裝工作量小。該探頭采用的是插入式的工作方式，安裝方便、簡單。安裝的時候只要在現場直接開孔焊接即可，見圖5。


　　渦街流量計結構簡單、安裝維護方便、無需導壓管和三閥組，減少了泄漏、堵塞和凍結等。但是，渦街流量計對管道機械振動敏感，不宜用于強振動.的場所。渦街流量計的前后直管段要求前15D，后10D，通常用于管徑在300mm以下的工況，見圖6。

4.3經濟性比較
　　節流式差壓流量計中的標準孔板結構易于復制，性能可靠，價格低，無需實流校準就能夠使用;其測量精度在流量計中屬于中等水平。由于很多因素影響錯綜復雜，精度難以提高;測量范圍窄，差壓信號與流量為平方關系，量程比僅為3:1~4:1;孔板或噴嘴的壓損較大，能耗高。
　　巴類流量元件壓損較孔板大幅減少，只有孔板的5%~10%，減小了系統的運營成本。由于壓差小，則對應的差壓變送器選擇要求提高，相應增大了差壓變送器的采購成本。
　　渦街流量計壓損小，約為節流式元件的1/4，其儀表購置費用高，安裝費用和運行費用較低。
4.4精度與小流量切除性能比較
　　滿足規范GB/T2426生產的節流式差壓流量計的精度在+0.55%左右;巴類流量元件的精度與前后直管段有關，當前直管段長度為14D，后直管段長度為3D時，精度可以達到+0.5%，當前直管段為7D，后直管段為3D時，精度可以達到+1%;而渦街流量計的精度在土1.0%，對于內縮徑型的渦街流量計，其精度在士1.35%左右。
　　當某測點由開車工況變化至正常工況時，其測點往往流量值逐步由小流量遞增至正常流量。當工況流量低于三種儀表可以測量的范圍內，會出現測量不準確的現象。對于節流裝置，當雷諾數小于5000時，精度就會遠超0.55%;巴類流量元件對雷諾數的要求不高，在保證滿管的情況下，若雷諾數低，巴類流量元件的輸出差壓會偏小，影響差壓變送器的測量精度;渦街流量計的最小雷諾數極限為10000。
4.5案例比較
　　針對某精餾工段換熱器的蒸汽流量測量，做了計算對比:
　　該位置點管道壓力等級為150#，管徑250mm，蒸汽操作壓力為0.4MPa，操作溫度為151℃，蒸汽流量為4000kg/h,允許壓損為20kPao
　　節流裝置經過選型計算，采用滿刻度壓差10kPa，正常差壓為5kPa，開孔直徑比為0.44，最大壓損為7.9kPa。一整套節流裝置的采購安裝費用大致在2.5萬元左右。
　　巴類流量元件經計算，其滿刻度差壓為0.3kPa，正常差壓為0.18kPa，最大壓損為0.02kPa。其采購安裝費用大致在4.2萬元左右。該處非振動管道，因此可以采用渦街流量計。渦街流量計經過計算，選用縮徑為150mm管徑的法蘭式流量計，其最大壓損為2.9kPa。其采購安裝費用大致在5萬元左右。
　　通過比較，可得結論:①節流裝置壓損最大，巴類流量元件壓損最小。考慮長期運行能耗，巴類流量元件經濟性最好，渦街次之;②節流裝置選用差壓變送器可采用普通量程范圍型，巴類流量元件選用差壓變送器需采用微小差壓測量型變送器，③當該測點由開車工況變化至正常工況時，流量高于51.57kg/h，節流式差壓流量元件才能確保應有的精度;流量高于802kg/h，渦街流量計可以達到應有的精度;流量高于1500kg/h，巴類流量元件輸出能達到差壓變送器的精度下限值;④若考慮總承包采購成本的限制，可選用節流裝置測量蒸汽流量。若考慮綜合采購及運行成本，包括長期運行蒸汽壓力損失成本和冬季保溫伴熱蒸汽成本，可選用渦街流量計。若遇到蒸汽管線口徑增大至300mm以上，可考慮采用巴類流量元件，此時巴類流量元件的采購成本將比其余兩種流量計低得多。
5結語
　　蒸汽流量儀表的選用非常重要，準確測量蒸汽流量是生產部門的需要。隨著經濟的發展，提高測量水平的呼聲越來越高。在實際選用中，設計人員需根據蒸汽的性質和工況精度的要求、成本核算等條件來選擇適合的蒸汽儀表。節流裝置、巴類流量元件和渦街流量計各有利弊，需要充分考慮工藝、環境要求，合理地選擇流量計，才能保證蒸汽計量的準確性。

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