摘要:針對孔板流量計在蒸汽測量過程中，因蒸汽溫度和壓力的變化導致測量誤差大，通過對蒸汽溫度和壓力進行補償修正，減少儀表測量誤差。介紹了孔板流量計測量的基本原理，對蒸汽進行溫壓補償的原因以及溫壓補償的處理方法、計算方式和注意事項，并在DCS程序中得到驗證。
孔板流量計是一種差壓式流量計，通過介質流過標準孔板前后的差壓來測量流量，常用于測量蒸汽、液體的流量，是應用最廣泛的流量計之一。孔板流量計由標準孔板、導壓管路和變送器三部分組成，在使用過程中介質溫度、密度、安裝前后直管段長度和節流裝置精度都會影響孔板流量計的流量測量精度。本文通過在測量蒸汽流量過程，因實際工況與設計工況不一致，而導致蒸汽流量偏差過大對生產運行帶來的影響為例,介紹了孔板流量計的測量原理及溫差補償原因,并根據蒸汽的性質選擇合適的溫壓補償函數,并在DCS程序中驗證了溫壓補償函數的合理性，提高了蒸汽流量測量的精度。
1.孔板流量計測量原理
根據流體力學，單位重量理想流體機械能沿流線不變，勢能與動能之和守恒，不隨時間改變，。
理想流體的伯努利能量方程為:
位重量理想流體的動能;α為流量修正系數
位能與壓能的和為勢能，勢能與動能的和為機械能，假設蒸汽通過標準孔板前后機械能守恒。
根據斷面流量方程:
式中:Q為蒸汽流量，一般用質量流量表示，kg/h;ʋ為蒸汽流速，m/s;A為斷面面積，m2。
當蒸汽通過標準孔板后，因斷面面積縮小流速會增加，流速的增加又會導致斷面處壓力減少，就會在標準孔板前后產生一個差壓值。差壓值與流速成一定比例關系，流速與斷面面積成反比例關系。由式(1)、(2)可知，根據前后差壓值就可以計算出蒸汽流量。
可求出孔板流量計蒸汽流量公式為:
式中:CƐ為流出系數，與可膨脹系數、流量系數等參數有關，為一常數,標準孔板計算說明書給出;d1為上游管道內徑，d2為標準孔板開孔直徑,m;△p為差壓變送器顯示的差壓值，pa;ρ為蒸汽的密度，kg/m3.
2蒸汽溫壓補償的原理
2.1蒸汽的特性
蒸汽是一種氣體，分為飽和蒸汽和過熱蒸汽。有限密閉空間內的液體在一定的壓力下加熱至沸騰，就會逐漸開始汽化變為蒸汽。當單位時間內進人密閉空間的分子數與返回液體中的分子數相等時，密閉空間內的蒸汽分子密度也不再發生變化，此時蒸發與凝結會處于一種動平衡狀態，稱為飽和狀態，產生的蒸汽就是飽和蒸汽。飽和蒸汽的溫度和壓力一一對應，兩者之間存在一個變量關系。飽和蒸汽又分為干飽和蒸汽和濕飽和蒸汽，千飽和蒸汽不含水分，但實際運行中很難達到這種狀態。理想飽和蒸汽根據溫度和壓力值，就可以推導出蒸汽密度。對飽和蒸汽進行溫壓補償，根據實際測得的溫度、壓力值，通過蒸汽密度表推導出合適的函數關系式即可。
繼續加熱飽和蒸汽，飽和蒸汽中的水分會逐漸減少直至完全蒸發，蒸汽溫度會繼續上升最終超過該壓力對應的飽和溫度，成為過熱蒸汽。在工況波動范圍較大或管道保溫效果不好的情況下，過熱蒸汽也會變為飽和蒸汽形成氣液二相流。過熱蒸汽性質比較復雜，溫度與壓力不再具有一-對應關系，并不服從理想氣體公式，只能看作實際氣體。通常過熱蒸汽密度與溫度成反比,與壓力成正比，過熱蒸汽在不同溫度、壓力區間的函數關系也不同，很難用-一個統一的函數關系式表達出來
2.2蒸汽溫壓補償的目的
在蒸汽測量中，設計工況與實際工況相對比往往存在偏差，孔板流量計的可膨脹系數、流量系數等參數都會改變，蒸汽密度更會產生較大變化。如果不對蒸汽進行溫壓補償，測量顯示的流量值與實際值相比就會有誤差，影響儀表的正常使用，需要采用溫壓補償對流量測量結果予以修正。
對蒸汽進行溫壓補償，就是根據蒸汽實際運行工況的溫度、壓力，通過相應的溫壓補償公式轉換出蒸汽的實際密度，最后計算出蒸汽的實際流量。由式(3)可知，如果實際工況參數與設計工況參數偏差不大，流出系數CƐ。可以默認不變。故蒸汽進行溫壓補償的核心，就是對蒸汽密度進.行補償。過熱蒸汽密度補償的難點，就是需要通過蒸汽的溫度和壓力,推導出與蒸汽密度的關系，并能找到合理的函數公式表達出來。
在進行溫壓補償之前，要盡量減少孔板流量計安裝等問題帶來的誤差。首先是孔板流量計的選型是否合理，量程應該適宜;檢查標準孔板有無變形，安裝方向是否正確;孔板流量計前后直管段距離是否滿足計算說明書要求，需滿足前20倍管徑后10倍管徑距離;孔板流量計、導壓管安裝時，正負壓側冷凝水罐安裝高度應一致,冷凝水罐溢流口位置應高于取壓口，水平導壓管保持一定角度，避免高低壓側導壓管內殘留冷凝水產生附加差壓;檢查孔板高低壓側導壓管和三閥組有無異物阻塞，不定時打開排污閥排污。檢查DCS程序回路，各類參數值設置是否與計算說明書--致，公式是否正確，最后用信號發生器模擬差壓信號，結合計算說明書在DCS程序中驗證流量是否正確。
2.3蒸汽溫壓補償的方式
以某工業造紙為例，由蒸汽流程圖可知,從電站來蒸汽由總管分為兩支管，高壓側蒸汽支管壓力、溫度不變，另一蒸汽支管經減溫減壓裝置后，蒸汽的壓力和溫度均有所降低，兩蒸汽分支管均安裝有孔板流量計、溫度變送器和壓力變送器,并全部接人DCS中。蒸汽流程圖如圖1所示。
根據標準孔板計算說明書，介質為過熱蒸汽,兩臺孔板流量計設計工況壓力分別為0.85MPa和0.5MPa,工況溫度分別為200℃和172℃，流量分別為0~15Vh和0~50t/h,各類系數及蒸汽工況密度等參數均已在計算說明書中給出。
實際運行時，高壓側蒸汽管道壓力為0.65~0.7MPa,溫度為220℃左右。低壓側蒸汽管道壓力為0.45~0.5MPa,溫度為160℃左右。可知低壓側蒸汽管的實際工況與設計工況相比，壓力和溫度相對低，而高壓側蒸汽管的實際工況壓力比設計工況偏低，溫度偏高。按照孔板計算說明要求，在DCS程序中設置好流量計算公式，直接代人各項參數，通過差壓變送器顯示的差壓值計算出過熱蒸汽瞬時流量。按照過熱蒸汽性質推.算，低壓側蒸汽實際流量應該略高于孔板流量計測量流量，高壓側蒸汽實際流量應該低于孔板流量計測量流量。
未進行溫壓補償前，兩臺孔板流量計流量運行曲線圖如圖2所示，正常運行時高壓側蒸汽流量為10t/h左右，低壓側蒸汽流量為32tV/h左右。
計算過熱蒸汽密度一般采用工業用公式。在IFC-1967公式的基礎上，制定并通過了全新的水和水蒸汽計算公式，目前公式是最全面、準確計算水蒸汽熱力性質公式。但上述兩套公式有大量的條件要求，不同區間有不同的密度公式，計算也十分復雜。根據公式編制了標準的蒸汽密度表，該蒸汽密度表數據齊全適用性廣，簡單易查，而且在化工生產中常用的蒸汽溫度為0~600℃，壓力為0.1~5.0MPa,公式均能滿足使用要求，是目前獲取蒸汽密度最廣泛的方法之一。
根據孔板流量計運行的溫度、壓力區間，查詢過熱蒸汽密度表如表1所示。
因為工況原因實際上蒸汽密度是在一直變化中，所以常用的查表法并不適用于DCS程序中因此需要采用相對簡單的密度補償公式，在一定范圍內滿足蒸汽密度表的要求，就可以快速實現密度補償提高測量精度。實現密度補償的方法有很多，采用密度擬合法對過熱蒸汽進行溫壓補償，相對比較容易輸人DCS程序中，在要求的蒸汽溫壓區間內也比較符合公式要求，計算精度也較高。
擬合公式為:
式中:ρ為補償后的蒸汽密度，kg/m3;T為過熱蒸汽溫度,℃;p為過熱蒸汽壓力，MPa。
根據擬合公式，參考孔板流量計實際運行的溫度、壓力區間，計算出過熱蒸汽密度如表2所示。
根據蒸汽流程圖1所示，將變送器所測過熱蒸汽溫度和壓力數值，代人式(4)中，分別計算出補償后的兩分支管過熱蒸汽密度，最后代人標準孔板計算說明書中的流量公式，求出補償后的蒸汽流量，最終實現了對蒸汽的溫壓補償。
2.4蒸汽溫壓補償的結果
以采取溫壓補償措施前后七天，電站總管累計蒸汽流量與進車間兩分支管累計蒸汽流量之和數據進行對比。期間孔板流量計正常運行流量連續無大波動，無停機、檢修等事故。高壓側蒸汽管道壓力為0.65~0.7MPa,溫度為220℃左右。低壓側蒸汽管道壓力為0.45~0.5MPa,溫度為160℃左右。記錄數據如表3所示。
蒸汽溫壓補償前流量的誤差率為:(7548.72-6614.28)/6614.28≈14.13%
蒸汽溫壓補償后流量的誤差率為:(6873.41-6542.56)/6542.56≈5.06%
通過對前后流量誤差率對比可得知，對蒸汽采用合理的溫壓補償方式后，流量測量相對誤差比補償前大大減少，證明對蒸汽進行溫壓補償是有效的，提高了孔板流量計測量的正確性。
2.5蒸汽溫壓補償需注意的問題
(1)對蒸汽進行溫壓補償過程中，一般的溫壓補償方式比較簡單，可能存在較大的誤差。特別是不符合理想氣體狀態的過熱蒸汽，或是高溫高壓狀態和對蒸汽流量測量準確性要求比較高的場合，必須要有正確的算法才能保證數據的正確性。
(2)選擇合適的溫壓補償算法很重要，需要滿足蒸汽的運行區間，注意補償算法相應的限制條件，溫度、壓力等單位的正確選擇與使用,補償結果要符合蒸汽密度表要求。
(3)溫壓補償要從實際出發,孔板流量計的選型、安裝位置要合理，運行前要進行流量校正。溫度、壓力變送器測量值要準確，這是溫壓補償的前提，不然對溫壓補償的結果都會造成較大影響。
(4)僅針對差壓式蒸汽流量測量的溫壓補償方式提出探討，對于其他類型儀表的溫壓補償方式，還需結合儀表檢測原理，具體問題具體分析。
3結束語
通過對蒸汽進行溫壓補償，選擇合適的補償方法能減少工況等原因帶來的誤差。但也要看到一般的蒸汽溫壓補償方法適用于工況較穩定的情況，如果各項參數波動較大還是難以保證數據的正確性，既要保證蒸汽測量的連續性和穩定性,也要根據實際情況選擇合理的溫壓補償方法。通過介紹孔板流量計溫壓補償的原因和方法，并舉例說明采用溫壓補償的有效性，證明選擇合理的溫壓補償方法能提高蒸汽測量的準確性。此外蒸汽傳輸過程中蒸汽濕度、氣液二相流、壓縮系數等影響流量正確的問題，都值得探索的。
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