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【摘要】本文介绍了蒸汽的特殊性质，以及测量蒸汽流量时的温度压力补偿的原因和方法，并对当前测量蒸汽流量仪表的选型进行探讨，分析了几种类型蒸汽流量仪表的优点和不足。
【关键词】蒸汽流量;温度和压力补偿;过热蒸汽;弯管流量计
在化工生产中，不论是进行工艺生产的自动控制，还是进行能源的计量核算，对水蒸汽的测量都是一项重要内容。蒸汽由于其状态的易变性，及所具有的高温、高压，冲刷力强的特点，对蒸汽流量的测量有一定的难度，本文将结合水蒸汽的性质特点，分析常用的几种蒸汽流量测量仪表的优点和不足，以期找到蒸汽流量测量中的最优方案。
一、蒸汽的性质特点
蒸汽是比较特殊的介质，是由水在高温高压下蒸发而形成的，在一定的压力下，温度升高超过水的沸点，液态水经汽化形成饱和蒸汽，对饱和蒸汽继续加热，形成过热蒸汽。生产中所用的蒸汽大多是过热蒸汽。过热蒸汽在经过长距离输送后会因热量损失，温度降低而脱离过热状态进入饱和状态，甚至部分蒸汽冷凝变成水滴而出现相变，形成汽液两相并存的情况。蒸汽中含有液珠的饱和蒸汽称为湿饱和蒸汽，表示湿饱和蒸汽的主要参数有温度（T）、压力（P）、比焓（h）、干度（x）等参数。饱和蒸汽也可因绝热膨胀变成过热状态，饱和蒸汽和过热蒸汽这两种状态是可以相互转化的。
二、蒸汽流量的测量
从上述蒸汽的复杂特性可以知道，要测量蒸汽的流量是比较困难的，首先要分清是饱和蒸汽还是过热蒸汽，由于饱和蒸汽经常出现相变，会出现水滴，形成汽液两相并存的情况，水滴虽然所占体积较小，但相比水蒸汽质量却很大，如果测量时考虑整个混合气体的质量，则和所测得的蒸汽质量有较大的偏差。在蒸汽的传输管道中，我们往往增加保温防护措施，减少蒸汽的热量损耗，保持蒸汽的过热度，防止蒸汽由过热状态变为饱和状态。尽量减少蒸汽出现冷凝水滴，提高蒸汽的干度，保证生产中蒸汽的质量，也便于进行测量。目前还没有研究出在线干度仪来测量蒸汽的干度，提高蒸汽干度助于提高测量精度。
蒸汽测量中常用的是质量流量，是蒸汽的体积流量和密度的乘积，对于饱和蒸汽，密度是温度和压力的单值函数，知道了温度或压力就可以求得蒸汽的密度。而对于过热蒸汽，密度是由温度、压力所决定的，不再是温度或压力的单值函数关系。只有同时知道了温度和压力，才能根据查表或公式法求得蒸汽的密度。测量蒸汽流量时，必须同时引入蒸汽的温度、压力两个参数才能测得蒸汽的质量流量，这就是蒸汽流量测量必须采用温度压力补偿的原因。
在低压区，如果测量精度要求不高，水蒸汽可以近似地当作理想气体看待，这样方便计算和数据核算。由于微机技术的空前发展，运用微处理器进行温度压力补偿很方便。一般有查表法和公式法两种方法，查表法将一个由温度和压力决定密度的二维表格置入计算机存贮器，通过查表求得密度。公式法有乌卡诺维奇状态方程、莫里尔状态方程等，这些方程式人工计算比较繁琐，通过计算机可以很好地处理。
从前述我们知道，蒸汽流量测量不仅和温度、压力有关，还和流出系数C、可膨胀系数ε等有关。当蒸汽偏离设计状态时，其流出系数C和可膨胀系数ε就会发生变化。特别蒸汽压力较高时，则必须考虑气体的可膨胀系数ε的影响，要提高仪表的测量精度，除密度补偿外还应考虑整个补偿方程中其它参数变化的补偿问题。我们可以通过微机系统，设计程序模块对流量系数C、流束可膨胀系数ε、密度ρ进行全面修正，从而对蒸汽流量进行较准确的测量。
三、蒸汽测量仪表的选型
对于蒸汽流量的测量在选择流量仪表时应考虑5个主要因素：被测流体特性、生产工艺状况，安装条件，维护需求以及流量仪表的特性。结合目前的流量仪表特点，有以下几种类型的流量仪表可供选择。
1.标准孔板流量计
标准孔板结构简单，历史悠久，广泛地应用于石油化工领域，是大家都很熟知的流量测量方式。我们可以通过标准孔板和配套的差压变送器，再增加压力和温度测量点，将这三个信号送二次表或DCS，经过温度和压力补偿得到蒸汽的流量。这已是一种比较成熟的蒸汽流量测量方法，但经过几十年的使用，发现孔板流量计也有许多不足之处：（1）孔板入口直角边缘容易磨损，气蚀，发生钝化，长时间使用后，流量系数增加，测量准确度下降;由于化工生产的连续性，没有特别原因不会更换孔板，因此尽量选择使用周期长的测量方式;（2）安装比较麻烦，需配导压管及差压变送器，过程连接环节多，容易发生泄漏，测量管线过长，冬季需要保温伴热，维护工作量很大;（3）量程比小，仅为1：3，局限性大;（4）运用节流元件，压损大，运行成本高。由于标准孔板流量计的诸多不足，在实际生产中使用越来越少，人们尝试用新的测量方法来弥补孔板流量计的缺点。例如，用标准喷嘴代替孔板，比孔板更抗磨损，流出系数稳定，压力损失只有孔板的30%～50%，使用周期也长。另外，针对孔板的量程比小，设计了双量程式差压变送器和线性孔板，量程比更高，提高了测量精度，其中线性孔板的耐振性能好，在不能使用涡街流量计的地方可以采用。
2.涡街流量计
涡街流量计是根据卡门涡街原理而工作的一种流量仪表，自从投用后就深受广大用户的欢迎，得到了广泛的使用，是孔板流量计的理想替代品，在流量测量中占据主导地位。涡街流量计是根据旋涡发生体产生的旋涡的频率和流体的流速成正比而工作的，它测出的是体积流量，要得到质量流量，必须求得流体的密度，同孔板一样，也必须进行温度压力补偿。它主要有以下优点：（1）结构简单牢固，安装方便，不需要保温伴热，维护工作量小;（2）量程比大，可达20：1;（3）压力损失小，运行成本低;（4）测量精度比孔板流量计高。同样，涡街流量计也有以下不足：（1）测量管径一般为DN25～DN300，不适宜大管径流量测量;（2）测量元件受到温度的限制，一般在300℃以下;（3）蒸汽速度过高时，气蚀比较严重，会损害旋涡发生体，测量流速一般为8～25m/s;（4）抗振性能差，会产生假指示。正因为涡街流量计测量蒸汽流量时有上述缺点，所以涡街流量计还不能完全代替孔板流量计测量蒸汽，在不满足测量条件时，还需寻求其它类型的流量测量仪表来测量蒸汽流量。
3.弯管流量计
蒸汽在管道中的流速在有时高达100m/s以上，对孔板和旋涡发生体的磨损和冲击很大，人们又设计了弯管流量计来测量蒸汽流量，弯管流量计是依据惯性原理工作的差压式流量测量装置，弯管既是管道的一部分，也是流量测量装置的传感器，是一个专门设计的90度的标准弯头，可以用来直接方便地测量流体流量。弯管流量计有如下优点：（1）结构简单，相当于管道中的一个弯头;（2）耐高温，耐高压，耐冲击，耐振动，适应性强;（3）最突出特点是无任何节流件和插入件，压力损失小，运行费用低;（4）弯管流量计直接焊接在管道上，解决了跑冒滴漏的现象。如同其它类型的流量计一样，弯管流量计也存在不足之处：（1）弯管传感器结构简单，但加工尺寸要求十分严格，否则不能保证测量精度;（2）弯管流量计产生的差压较低，所选择的变送器多为低差压，微差压，容易产生信号传递失真，影响测量精度;（3）弯管流量计不能使用冷凝罐，它的两个取压口的环境不同，使用冷凝罐将造成很大的测量误差，一般有盘式冷凝器，冬季的保温伴热很麻烦。作为一种蒸汽流量测量方式，弯管流量计提供了一种有益的选择。
4.科里奥利质量流量计
科里奥利质量流量也可用来测量蒸汽质量流量，但在实际应用中，并不多见，这主要是因为科里奥利质量流量计用来测量蒸汽质量流量，有其客观的局限性，对于高温、高压、大管径的蒸汽流量对象，科里奥利质量流量计目前还有困难。另外，科里奥利质量流量计价格高，也不便推广使用。
四、结论
对于蒸汽流量的测量，不论标准孔板，还是涡街流量计、弯管流量计等都各有优缺点，还没有最佳测量方案。使用中应综合考虑其测量精度、适用成本、维护工作量，仪表的使用寿命等因素，并结合实际需要决定采用何种测量方式。相信随着科技的进步，一定能找到更优的蒸汽流量测量仪表。
参考文献
[1]田宏梅.弯管流量计在中压蒸汽测量中的应用[J].计量技术，2012（O9）.
[2]熊翼.对蒸汽流量测量准确度问题的分析[J].科技创新论坛，2011（02）.
[3]徐國荣.涡街流量计在蒸汽流量测量中的应用[J].江苏电机工程，2010（01）.
【关键词】蒸汽流量;温度和压力补偿;过热蒸汽;弯管流量计
在化工生产中，不论是进行工艺生产的自动控制，还是进行能源的计量核算，对水蒸汽的测量都是一项重要内容。蒸汽由于其状态的易变性，及所具有的高温、高压，冲刷力强的特点，对蒸汽流量的测量有一定的难度，本文将结合水蒸汽的性质特点，分析常用的几种蒸汽流量测量仪表的优点和不足，以期找到蒸汽流量测量中的最优方案。
一、蒸汽的性质特点
蒸汽是比较特殊的介质，是由水在高温高压下蒸发而形成的，在一定的压力下，温度升高超过水的沸点，液态水经汽化形成饱和蒸汽，对饱和蒸汽继续加热，形成过热蒸汽。生产中所用的蒸汽大多是过热蒸汽。过热蒸汽在经过长距离输送后会因热量损失，温度降低而脱离过热状态进入饱和状态，甚至部分蒸汽冷凝变成水滴而出现相变，形成汽液两相并存的情况。蒸汽中含有液珠的饱和蒸汽称为湿饱和蒸汽，表示湿饱和蒸汽的主要参数有温度（T）、压力（P）、比焓（h）、干度（x）等参数。饱和蒸汽也可因绝热膨胀变成过热状态，饱和蒸汽和过热蒸汽这两种状态是可以相互转化的。
二、蒸汽流量的测量
从上述蒸汽的复杂特性可以知道，要测量蒸汽的流量是比较困难的，首先要分清是饱和蒸汽还是过热蒸汽，由于饱和蒸汽经常出现相变，会出现水滴，形成汽液两相并存的情况，水滴虽然所占体积较小，但相比水蒸汽质量却很大，如果测量时考虑整个混合气体的质量，则和所测得的蒸汽质量有较大的偏差。在蒸汽的传输管道中，我们往往增加保温防护措施，减少蒸汽的热量损耗，保持蒸汽的过热度，防止蒸汽由过热状态变为饱和状态。尽量减少蒸汽出现冷凝水滴，提高蒸汽的干度，保证生产中蒸汽的质量，也便于进行测量。目前还没有研究出在线干度仪来测量蒸汽的干度，提高蒸汽干度助于提高测量精度。
蒸汽测量中常用的是质量流量，是蒸汽的体积流量和密度的乘积，对于饱和蒸汽，密度是温度和压力的单值函数，知道了温度或压力就可以求得蒸汽的密度。而对于过热蒸汽，密度是由温度、压力所决定的，不再是温度或压力的单值函数关系。只有同时知道了温度和压力，才能根据查表或公式法求得蒸汽的密度。测量蒸汽流量时，必须同时引入蒸汽的温度、压力两个参数才能测得蒸汽的质量流量，这就是蒸汽流量测量必须采用温度压力补偿的原因。
在低压区，如果测量精度要求不高，水蒸汽可以近似地当作理想气体看待，这样方便计算和数据核算。由于微机技术的空前发展，运用微处理器进行温度压力补偿很方便。一般有查表法和公式法两种方法，查表法将一个由温度和压力决定密度的二维表格置入计算机存贮器，通过查表求得密度。公式法有乌卡诺维奇状态方程、莫里尔状态方程等，这些方程式人工计算比较繁琐，通过计算机可以很好地处理。
从前述我们知道，蒸汽流量测量不仅和温度、压力有关，还和流出系数C、可膨胀系数ε等有关。当蒸汽偏离设计状态时，其流出系数C和可膨胀系数ε就会发生变化。特别蒸汽压力较高时，则必须考虑气体的可膨胀系数ε的影响，要提高仪表的测量精度，除密度补偿外还应考虑整个补偿方程中其它参数变化的补偿问题。我们可以通过微机系统，设计程序模块对流量系数C、流束可膨胀系数ε、密度ρ进行全面修正，从而对蒸汽流量进行较准确的测量。
三、蒸汽测量仪表的选型
对于蒸汽流量的测量在选择流量仪表时应考虑5个主要因素：被测流体特性、生产工艺状况，安装条件，维护需求以及流量仪表的特性。结合目前的流量仪表特点，有以下几种类型的流量仪表可供选择。
1.标准孔板流量计
标准孔板结构简单，历史悠久，广泛地应用于石油化工领域，是大家都很熟知的流量测量方式。我们可以通过标准孔板和配套的差压变送器，再增加压力和温度测量点，将这三个信号送二次表或DCS，经过温度和压力补偿得到蒸汽的流量。这已是一种比较成熟的蒸汽流量测量方法，但经过几十年的使用，发现孔板流量计也有许多不足之处：（1）孔板入口直角边缘容易磨损，气蚀，发生钝化，长时间使用后，流量系数增加，测量准确度下降;由于化工生产的连续性，没有特别原因不会更换孔板，因此尽量选择使用周期长的测量方式;（2）安装比较麻烦，需配导压管及差压变送器，过程连接环节多，容易发生泄漏，测量管线过长，冬季需要保温伴热，维护工作量很大;（3）量程比小，仅为1：3，局限性大;（4）运用节流元件，压损大，运行成本高。由于标准孔板流量计的诸多不足，在实际生产中使用越来越少，人们尝试用新的测量方法来弥补孔板流量计的缺点。例如，用标准喷嘴代替孔板，比孔板更抗磨损，流出系数稳定，压力损失只有孔板的30%～50%，使用周期也长。另外，针对孔板的量程比小，设计了双量程式差压变送器和线性孔板，量程比更高，提高了测量精度，其中线性孔板的耐振性能好，在不能使用涡街流量计的地方可以采用。
2.涡街流量计
涡街流量计是根据卡门涡街原理而工作的一种流量仪表，自从投用后就深受广大用户的欢迎，得到了广泛的使用，是孔板流量计的理想替代品，在流量测量中占据主导地位。涡街流量计是根据旋涡发生体产生的旋涡的频率和流体的流速成正比而工作的，它测出的是体积流量，要得到质量流量，必须求得流体的密度，同孔板一样，也必须进行温度压力补偿。它主要有以下优点：（1）结构简单牢固，安装方便，不需要保温伴热，维护工作量小;（2）量程比大，可达20：1;（3）压力损失小，运行成本低;（4）测量精度比孔板流量计高。同样，涡街流量计也有以下不足：（1）测量管径一般为DN25～DN300，不适宜大管径流量测量;（2）测量元件受到温度的限制，一般在300℃以下;（3）蒸汽速度过高时，气蚀比较严重，会损害旋涡发生体，测量流速一般为8～25m/s;（4）抗振性能差，会产生假指示。正因为涡街流量计测量蒸汽流量时有上述缺点，所以涡街流量计还不能完全代替孔板流量计测量蒸汽，在不满足测量条件时，还需寻求其它类型的流量测量仪表来测量蒸汽流量。
3.弯管流量计
蒸汽在管道中的流速在有时高达100m/s以上，对孔板和旋涡发生体的磨损和冲击很大，人们又设计了弯管流量计来测量蒸汽流量，弯管流量计是依据惯性原理工作的差压式流量测量装置，弯管既是管道的一部分，也是流量测量装置的传感器，是一个专门设计的90度的标准弯头，可以用来直接方便地测量流体流量。弯管流量计有如下优点：（1）结构简单，相当于管道中的一个弯头;（2）耐高温，耐高压，耐冲击，耐振动，适应性强;（3）最突出特点是无任何节流件和插入件，压力损失小，运行费用低;（4）弯管流量计直接焊接在管道上，解决了跑冒滴漏的现象。如同其它类型的流量计一样，弯管流量计也存在不足之处：（1）弯管传感器结构简单，但加工尺寸要求十分严格，否则不能保证测量精度;（2）弯管流量计产生的差压较低，所选择的变送器多为低差压，微差压，容易产生信号传递失真，影响测量精度;（3）弯管流量计不能使用冷凝罐，它的两个取压口的环境不同，使用冷凝罐将造成很大的测量误差，一般有盘式冷凝器，冬季的保温伴热很麻烦。作为一种蒸汽流量测量方式，弯管流量计提供了一种有益的选择。
4.科里奥利质量流量计
科里奥利质量流量也可用来测量蒸汽质量流量，但在实际应用中，并不多见，这主要是因为科里奥利质量流量计用来测量蒸汽质量流量，有其客观的局限性，对于高温、高压、大管径的蒸汽流量对象，科里奥利质量流量计目前还有困难。另外，科里奥利质量流量计价格高，也不便推广使用。
四、结论
对于蒸汽流量的测量，不论标准孔板，还是涡街流量计、弯管流量计等都各有优缺点，还没有最佳测量方案。使用中应综合考虑其测量精度、适用成本、维护工作量，仪表的使用寿命等因素，并结合实际需要决定采用何种测量方式。相信随着科技的进步，一定能找到更优的蒸汽流量测量仪表。
参考文献
[1]田宏梅.弯管流量计在中压蒸汽测量中的应用[J].计量技术，2012（O9）.
[2]熊翼.对蒸汽流量测量准确度问题的分析[J].科技创新论坛，2011（02）.
[3]徐國荣.涡街流量计在蒸汽流量测量中的应用[J].江苏电机工程，2010（01）.