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[摘 要]本文介绍了以涡街流量计测量蒸汽时的误差分析，分析了在蒸汽测量中影响涡街流量计测量精度的因素，以及解决的方法。
[关键字]涡街流量计；蒸汽测量；质量流量
中图分类号：TK313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0333-01
1.引言
蒸汽是石化企业使用的最为广泛的二次能源，其测量的准确性对节约能源、提高经济效益等各方面都有重要意义。目前，蒸汽的测量主要有涡街流量计、差压式（孔板、弯管、均速管）流量计等，我厂在蒸汽计量上选用的都是涡街流量计。本文主要讨论涡街流量计在蒸汽测量中的误差分析。
2.涡街流量计的特点
2.1 输出的信号是与流速成正比的脉冲信号，便于数据处理和计算机联网。
2.2 量程范围宽，精度高。
2.3 无可动部件，可靠性较高，结构简单，便于安装和维修。
2.4 检测元件和被测介质不直接接触，不受流体的化学性质影响，应用范围宽，寿命长。
2.5 抗干扰能力强，容易进行流量计算，不受流体的物理性质的影响，给仪表的标定和使用带来了方便。
3.涡街流量计的工作原理
涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体震荡性流量计，即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体（即旋涡发生体），就会在其下游两侧产生两列有规律的旋涡，其旋涡频率正比于流体流速：
f=Stu/d
式中：f：旋涡频率；d：旋涡发生体的宽度；u：流体流速；St：斯特劳哈尔数。
St的值与旋涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。当2×104〈Re〈7×104的范围内，St的值基本不变。
上式表明，当d和St为定值时，旋涡产生的频率F与流体的平均速度u成正比，利用这一特点制成了涡街流量计。
4.蒸汽的测量
测量蒸汽的流量计分为直接质量流量计和推导式质量流量计，涡街流量计测量蒸汽流量属于推导式质量流量计，其表达式为：
式中：Qm：蒸汽的质量流量，Kg/h；f：涡街流量计输出频率，P/s；Kt：工作状态下的流量系数，P/L；ρf：流体密度，Kg/m3。
从上式可知，涡街流量计测量蒸汽流量主要是蒸汽密度的求取，而蒸汽的密度可以根据温度、压力的值查表得到。由于蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽，对于过热蒸汽要进行温压补偿，对于真正意义上的饱和蒸汽只需进行温度或压力补偿即可，下面进行讨论。
4.1 过热蒸汽
在实际测量时，由于工况的变化，饱和蒸汽和过热蒸汽都有可能偏离原来的设计状态，就使得通常由蒸汽温度、压力求取密度的关系发生变化，对计量的准确性造成影响，当过热蒸汽在经过长距离的输送后，或由于管道保温措施不当，往往会因为热量的损失温度降低使其从过热状态进入临界饱和状态，甚至部分蒸汽冷凝出现相变而变成水滴。这些水滴对流量的测量究竟有多大的影响，下面举例说明。
我厂自产蒸汽压力为1.0MPa的过热蒸汽，其流量为Qm，假设经长距离的输送后有10%Qm冷凝成水滴，令其为Qm1，而保持汽态的部分为Qms，从定义可知，此时湿蒸汽的干度X为90%。由于采用温压补偿，故依临界饱和状态查表，得到此时的蒸汽（干部分）密度ρs=5.6808kg/m3，查水密度表得水滴的密度ρL=882.47 kg/m3，显然水滴和蒸汽干部分的体积流量为：
Qv1=Qm1/ρL Qvs=Qms/ρs
式中：Qv1：水滴的体积流量，m3/s；
Qvs：蒸汽干部分的体积流量，m3/s。
由定义知，蒸汽干部分体积流量占湿蒸汽总体积流量之比Rv为：
因为
所以
在该例中，Rv=99.93%，由此可见，在湿蒸汽中，水滴所占的体积比可忽略不计。涡街流量计的输出仅与流过测量管的流体流速成正比，在测湿的饱和蒸汽时，水滴对涡街流量计输出的影响可忽略，故可认为，涡街流量计的输出完全是由饱和蒸汽干部分所引起的，而干部分的密度无论是温度补偿或压力补偿都可以精确的查出；如果需要将冷凝水也按蒸汽一样进行计量，则涡街流量计的计算结果则偏低1-X。
4.2 饱和蒸汽
当涡街流量计安装在减压阀后，饱和蒸汽突然大幅度减压，流体出现绝热膨胀，水滴部分蒸发，同时从液相和汽相中吸收汽化热，使汽液相温度降低。如果温度降低的不多或蒸发前湿度较高，会使温度迅速降低到与新的压力所对应的饱和温度，建立新的平衡。这时蒸汽仍为饱和蒸汽，如果压力降低的很多或蒸发前湿度较低，则因水滴蒸发温度降低后仍高于新的压力所对应的饱和温度，则蒸汽变为过热蒸汽。
上述蒸发发生后，前一种对补偿无影响，仅仅是蒸汽中干部分增加，干度相应增大，后一种情况即饱和蒸汽变为过热蒸汽，这时对流量计的影响分为以下三种情况：
（1）如果流量计已经考虑到蒸汽变为过热状态，或处于何种状态难以确定，或有时是过热状态有时是饱和状态，所以采用温压补偿，则上述的状态对测量结果无影响。
（2）如果流量计按饱和蒸汽考虑，而且采用压力补偿，则上述相变将带来较小的误差，即过热蒸汽温度同饱和蒸汽之差所对应的密度差造成的补偿误差。
（3）如果流量計按饱和蒸汽考虑，但采用的是温度补偿，即将过热蒸汽当作饱和温度去查密度表，一般会引起较大的误差。
如某化工厂锅炉房供饱和蒸汽，并根据各用户中蒸汽压力要求值最高的一个决定锅炉供汽压力为1.0MPa，多数用户在蒸汽总管进装置时先经减压阀进行减压。
用作进入装置蒸汽计量的涡街流量计安装在减压（稳压）阀之后。原设计按饱和蒸汽考虑，采用温度补偿。经减压，蒸汽总管带入的水滴蒸发完后气温仍高于饱和温度，呈过热状态，现场采集到的数据如下表。
减压后温度T2 162.4℃
减压后压力P2 0.42MPa
这时流量二次表按照所测量到的温度T2=162.4℃查饱和蒸汽密度表，得ρ2=3.4528kg/m3而按照T2和P2两个测量值查过热蒸汽密度表，得密度ρ2′=2.6897kg/m3，所以质量流量计结果出现28.47%的误差，即：
在本例中，如果采用压力补偿，则根据P2=0.42MPa的信号查饱和蒸汽密度表，应得到ρ2″=2.7761kg/m3，则补偿误差为：
5.结束语
某化工厂在对蒸汽的性质逐一确定后，针对不同地方蒸汽的性质作相应的补偿系数，使厂内的蒸汽产出与消耗基本平衡起来了，对生产调整以及节能降耗起到了指导性的作用。涡街流量计在蒸汽测量中影响其测量精度因素有很多，但只要在日常使用中，注意以下几点，其测量精度将会很高。
（1）仪表选型时，首先清楚蒸汽的工况处于何种状态，这样能够保证仪表的测量精度。
（2）将流量计安装在减压阀之前的总管线上，由于蒸汽未经减压，一般不存在相变问题，所以将流量计安装在减压阀之前，按饱和蒸汽补偿方法处理，可保证测量精度。
（3）加强蒸汽管道的保温，减少冷凝水的产生和防止蒸汽的性质转变。
[关键字]涡街流量计；蒸汽测量；质量流量
中图分类号：TK313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0333-01
1.引言
蒸汽是石化企业使用的最为广泛的二次能源，其测量的准确性对节约能源、提高经济效益等各方面都有重要意义。目前，蒸汽的测量主要有涡街流量计、差压式（孔板、弯管、均速管）流量计等，我厂在蒸汽计量上选用的都是涡街流量计。本文主要讨论涡街流量计在蒸汽测量中的误差分析。
2.涡街流量计的特点
2.1 输出的信号是与流速成正比的脉冲信号，便于数据处理和计算机联网。
2.2 量程范围宽，精度高。
2.3 无可动部件，可靠性较高，结构简单，便于安装和维修。
2.4 检测元件和被测介质不直接接触，不受流体的化学性质影响，应用范围宽，寿命长。
2.5 抗干扰能力强，容易进行流量计算，不受流体的物理性质的影响，给仪表的标定和使用带来了方便。
3.涡街流量计的工作原理
涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体震荡性流量计，即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体（即旋涡发生体），就会在其下游两侧产生两列有规律的旋涡，其旋涡频率正比于流体流速：
f=Stu/d
式中：f：旋涡频率；d：旋涡发生体的宽度；u：流体流速；St：斯特劳哈尔数。
St的值与旋涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。当2×104〈Re〈7×104的范围内，St的值基本不变。
上式表明，当d和St为定值时，旋涡产生的频率F与流体的平均速度u成正比，利用这一特点制成了涡街流量计。
4.蒸汽的测量
测量蒸汽的流量计分为直接质量流量计和推导式质量流量计，涡街流量计测量蒸汽流量属于推导式质量流量计，其表达式为：
式中：Qm：蒸汽的质量流量，Kg/h；f：涡街流量计输出频率，P/s；Kt：工作状态下的流量系数，P/L；ρf：流体密度，Kg/m3。
从上式可知，涡街流量计测量蒸汽流量主要是蒸汽密度的求取，而蒸汽的密度可以根据温度、压力的值查表得到。由于蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽，对于过热蒸汽要进行温压补偿，对于真正意义上的饱和蒸汽只需进行温度或压力补偿即可，下面进行讨论。
4.1 过热蒸汽
在实际测量时，由于工况的变化，饱和蒸汽和过热蒸汽都有可能偏离原来的设计状态，就使得通常由蒸汽温度、压力求取密度的关系发生变化，对计量的准确性造成影响，当过热蒸汽在经过长距离的输送后，或由于管道保温措施不当，往往会因为热量的损失温度降低使其从过热状态进入临界饱和状态，甚至部分蒸汽冷凝出现相变而变成水滴。这些水滴对流量的测量究竟有多大的影响，下面举例说明。
我厂自产蒸汽压力为1.0MPa的过热蒸汽，其流量为Qm，假设经长距离的输送后有10%Qm冷凝成水滴，令其为Qm1，而保持汽态的部分为Qms，从定义可知，此时湿蒸汽的干度X为90%。由于采用温压补偿，故依临界饱和状态查表，得到此时的蒸汽（干部分）密度ρs=5.6808kg/m3，查水密度表得水滴的密度ρL=882.47 kg/m3，显然水滴和蒸汽干部分的体积流量为：
Qv1=Qm1/ρL Qvs=Qms/ρs
式中：Qv1：水滴的体积流量，m3/s；
Qvs：蒸汽干部分的体积流量，m3/s。
由定义知，蒸汽干部分体积流量占湿蒸汽总体积流量之比Rv为：
因为
所以
在该例中，Rv=99.93%，由此可见，在湿蒸汽中，水滴所占的体积比可忽略不计。涡街流量计的输出仅与流过测量管的流体流速成正比，在测湿的饱和蒸汽时，水滴对涡街流量计输出的影响可忽略，故可认为，涡街流量计的输出完全是由饱和蒸汽干部分所引起的，而干部分的密度无论是温度补偿或压力补偿都可以精确的查出；如果需要将冷凝水也按蒸汽一样进行计量，则涡街流量计的计算结果则偏低1-X。
4.2 饱和蒸汽
当涡街流量计安装在减压阀后，饱和蒸汽突然大幅度减压，流体出现绝热膨胀，水滴部分蒸发，同时从液相和汽相中吸收汽化热，使汽液相温度降低。如果温度降低的不多或蒸发前湿度较高，会使温度迅速降低到与新的压力所对应的饱和温度，建立新的平衡。这时蒸汽仍为饱和蒸汽，如果压力降低的很多或蒸发前湿度较低，则因水滴蒸发温度降低后仍高于新的压力所对应的饱和温度，则蒸汽变为过热蒸汽。
上述蒸发发生后，前一种对补偿无影响，仅仅是蒸汽中干部分增加，干度相应增大，后一种情况即饱和蒸汽变为过热蒸汽，这时对流量计的影响分为以下三种情况：
（1）如果流量计已经考虑到蒸汽变为过热状态，或处于何种状态难以确定，或有时是过热状态有时是饱和状态，所以采用温压补偿，则上述的状态对测量结果无影响。
（2）如果流量计按饱和蒸汽考虑，而且采用压力补偿，则上述相变将带来较小的误差，即过热蒸汽温度同饱和蒸汽之差所对应的密度差造成的补偿误差。
（3）如果流量計按饱和蒸汽考虑，但采用的是温度补偿，即将过热蒸汽当作饱和温度去查密度表，一般会引起较大的误差。
如某化工厂锅炉房供饱和蒸汽，并根据各用户中蒸汽压力要求值最高的一个决定锅炉供汽压力为1.0MPa，多数用户在蒸汽总管进装置时先经减压阀进行减压。
用作进入装置蒸汽计量的涡街流量计安装在减压（稳压）阀之后。原设计按饱和蒸汽考虑，采用温度补偿。经减压，蒸汽总管带入的水滴蒸发完后气温仍高于饱和温度，呈过热状态，现场采集到的数据如下表。
减压后温度T2 162.4℃
减压后压力P2 0.42MPa
这时流量二次表按照所测量到的温度T2=162.4℃查饱和蒸汽密度表，得ρ2=3.4528kg/m3而按照T2和P2两个测量值查过热蒸汽密度表，得密度ρ2′=2.6897kg/m3，所以质量流量计结果出现28.47%的误差，即：
在本例中，如果采用压力补偿，则根据P2=0.42MPa的信号查饱和蒸汽密度表，应得到ρ2″=2.7761kg/m3，则补偿误差为：
5.结束语
某化工厂在对蒸汽的性质逐一确定后，针对不同地方蒸汽的性质作相应的补偿系数，使厂内的蒸汽产出与消耗基本平衡起来了，对生产调整以及节能降耗起到了指导性的作用。涡街流量计在蒸汽测量中影响其测量精度因素有很多，但只要在日常使用中，注意以下几点，其测量精度将会很高。
（1）仪表选型时，首先清楚蒸汽的工况处于何种状态，这样能够保证仪表的测量精度。
（2）将流量计安装在减压阀之前的总管线上，由于蒸汽未经减压，一般不存在相变问题，所以将流量计安装在减压阀之前，按饱和蒸汽补偿方法处理，可保证测量精度。
（3）加强蒸汽管道的保温，减少冷凝水的产生和防止蒸汽的性质转变。