氬氣流量計(jì)在集中供熱系統(tǒng)中的蒸汽計(jì)量
點(diǎn)擊次數(shù)：2659 發(fā)布時間：2021-01-08 05:31:19
集中供熱應(yīng)用主要是工業(yè)和民用建筑的采暖、通風(fēng)、空調(diào)和熱水供應(yīng)以及各種生產(chǎn)過程中的加熱、烘干、蒸煮、清洗、溶化、致冷、汽錘和汽泵等操作，城市集中供熱對為于節(jié)約能源，改善環(huán)境，提高人民群眾的生活水平，以及降低相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)成本與提高生產(chǎn)率有著重要的意義，隨著城市集中供熱的發(fā)展和大批熱電廠的建立，我國的集中供熱已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。根據(jù)使用的熱媒不同，集中供熱分為熱水供熱系統(tǒng)和蒸汽供熱系統(tǒng)。其中，蒸汽供熱系統(tǒng)中的蒸汽計(jì)量由于事關(guān)熱力公司于用戶雙方經(jīng)濟(jì)利益，又是衡量熱力公司管網(wǎng)效率，管網(wǎng)維護(hù)水平的直接依據(jù)。因而蒸汽計(jì)量的準(zhǔn)確與否是一個十分重要的問題。本文簡述了氬氣流量計(jì)等相關(guān)測量儀表在集中供熱中蒸汽計(jì)量中的原理、系統(tǒng)及管路安裝狀況，分析了系統(tǒng)在計(jì)量、測量過程中產(chǎn)生誤差的原因，以及解決這些問題的方法。
一、蒸汽計(jì)量的原理及系統(tǒng)
1、流量
流體在單位時間內(nèi)流過管道或設(shè)備某橫截面的數(shù)量稱為流量。該數(shù)量可以用容積，重量和質(zhì)量來表示。因此，流量可分別用容積流量（用Q表示，單位為立方米/秒、升/分、立方米/時）重量流量（用G表示，單位為公斤/秒、公斤/時或噸/時）質(zhì)量流量（用M表示，單位為克/秒、千克/時）
三者的關(guān)系是：
M=ρQ
G=γQ
G=gM
其中：ρ——流量密度
γ——流體的重度（單位流體的重量）；γ=pg
g——單地重力加速度
在生產(chǎn)和科研中，有時需要知道某一段時間內(nèi)流過流體的總量，稱為累積流量，它等于該時間內(nèi)流量對時間的積分。與累積流量相對應(yīng)的流量又稱瞬時流量。
2、氬氣流量計(jì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對流量檢測精度的要求也越來越高，自1969年日本橫河電機(jī)株式會社和美國Easteen公司幾乎同時推出**上*批氬氣流量計(jì)以來，它就以適用流體種類多（液體，汽體，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安裝簡單方便，壓力損失小，使用壽命長，幾乎不受溫度、壓力等變化的影響等優(yōu)點(diǎn)而受到大家的青睞，并且得到了廣泛的使用。其工作原理如下：
旋渦流量計(jì)是利用流體力學(xué)中卡門渦街的原理制作的一種儀表，把一個非流線型的對稱形狀的物體（如圖：柱體、三角柱體、矩形柱體、六角柱體等，以下簡稱旋渦發(fā)生體）垂直插入管道中，流體繞過發(fā)生體時，出現(xiàn)了分離，在旋渦發(fā)生體的左右兩側(cè)后方會交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，如圖（1）所示，左右兩側(cè)的旋渦旋轉(zhuǎn)方向相反，這種旋渦通常稱為卡門渦街列，也稱卡門渦街。卡門渦街的釋放頻率與流體的流動速度及柱狀物的寬度有關(guān)系，可用下式表示
f=stv/d
f——卡門渦街的釋放頻率；
st——系數(shù)（稱為卡特羅哈數(shù)；）
v——流速；
d——柱狀物的寬度；
圖1
卡門渦街釋放頻率f和流速v成正比。因此，通過測量卡門渦街釋放頻率就可算出瞬時流量。卡特羅哈數(shù)是無因次未知數(shù)，是旋渦流量計(jì)的重要系數(shù)。
轉(zhuǎn)換器是把渦街道辦事處檢測的電荷轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出。現(xiàn)使用的是脈沖信號輸出。
電路圖下：
圖2
從壓元件輸出的分變電荷經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成與電荷量成正比的電壓。通過加法器，把兩個電荷轉(zhuǎn)換器輸出的相位差180度的電壓相加。可以得到信噪比大的電壓輸出信號輸出。通過AC放大器，低通濾波器進(jìn)行信號放大和消除噪聲。史密特整形器能防止由噪聲產(chǎn)生的震蕩。從史密特整形器輸出的信號，通過脈沖輸出放大器，使之轉(zhuǎn)換成與接收裝置輸入端相適應(yīng)的脈沖信號。NB（噪聲平衡）的調(diào)整是借調(diào)整2片壓電元件輸出中的噪聲分的比，使受到噪聲影響*小，得到信噪比大的信號，對TLA（觸發(fā)輸出電平）的調(diào)整，起到抑制振動等干擾作用。
3、蒸汽計(jì)量系統(tǒng)的介紹
如圖3所示為目前較為合理的計(jì)量系統(tǒng)框圖
圖3
圖中通過熱電阻，壓力變送器測出蒸汽的溫度、壓力，然后與轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖信號一起送到智能型蒸汽流量表，由儀表中單片微機(jī)，計(jì)算瞬時流量、累積流量及蒸汽溫度、壓力和旋渦發(fā)生體的頻率值。當(dāng)外供電源停電時，圖中的逆變電源可以自動向計(jì)量系統(tǒng)供電，防止停電時蒸汽無法計(jì)量。加入記錄儀是為了計(jì)錄用戶一個月中每小時的瞬時用汽量，便于供熱單位**了解用戶的負(fù)荷情況，便于計(jì)量收費(fèi)。同時流量表通過電話線與上位機(jī)相連，一天24小時不間斷地把用戶用汽的壓力、溫度、瞬時流量、累計(jì)流量傳送到上位機(jī)上，以便熱力公司對這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以便及時發(fā)現(xiàn)問題。
4、系統(tǒng)管路安裝情況
圖4為蒸汽計(jì)量系統(tǒng)管路示意圖。圖中1為用戶進(jìn)汽閥；2旋渦發(fā)生體；3為轉(zhuǎn)換器；4為壓力變送器；5為壓力取樣點(diǎn)；6為溫度取樣點(diǎn)；7為閥門；8為除污器；9為閥門；10為減壓閥；11為安全門。目前渦街蒸汽流量測量系統(tǒng)大多采用如此步置。
圖4
流量計(jì)在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到惡劣條件下工作，但為了長期保持它的精確度和穩(wěn)定性，必須考慮下列因素：環(huán)境溫度，環(huán)境空氣，機(jī)械振動與沖擊。
在氬氣流量計(jì)安裝時，應(yīng)在其上游側(cè)配置20D（D為流量計(jì)的公稱通徑）以上的直管段和下游側(cè)配置長度為5D以上的直管段。測壓點(diǎn)設(shè)置在下游距離旋渦發(fā)生體（流量計(jì)中心線）3.5D～5.5D位置。當(dāng)需要測量溫度時測溫點(diǎn)設(shè)置在下游側(cè)距離旋渦發(fā)生體6D～8D的位置。
二、蒸汽流量的誤差分析
1、兩相流引起的誤差
由氬氣流量計(jì)的原理可得知，目前廣泛使用的卡門氬氣流量計(jì)在測量蒸汽時，如果供熱公司輸送到用戶的是過熱蒸汽，則由質(zhì)量M=ρQ，其中，Q為體積，與卡門渦街的頻率有關(guān)；ρ為蒸汽密度，與蒸汽的壓力、溫度有關(guān)，由公式進(jìn)行查表補(bǔ)償可以求出瞬時質(zhì)量流量和累積質(zhì)量流量。但是，從目前的情況看，很多時候，供熱公司輸送到用戶的汽、液兩相共存的濕飽和蒸汽。這是因?yàn)椋羝谘毓苈妨鲃訒r，因克服摩擦阻力和局部阻力，壓力逐漸下降，管壁散熱，熱焓逐漸降低，從而使蒸汽中含水。如果準(zhǔn)確測量質(zhì)量流量，應(yīng)將濕蒸汽的干度值參與質(zhì)量流量的計(jì)算。但由卡門渦街流量表的原理分析可知，在汽、液兩相共存的情況下，智能型蒸汽流量表仍按蒸汽的體積流量來計(jì)算質(zhì)量，水與蒸汽的密度比相差懸殊，故使測量的質(zhì)量流量下降。這是造成供熱公司管網(wǎng)損失的*重要原因。
2、流量計(jì)不當(dāng)造成誤差
在測量高壓蒸汽時，如果流量計(jì)上游安裝截流閥，且直管段20D以內(nèi)，閥門接近關(guān)閉，而低壓側(cè)與大氣相通，那就不可能進(jìn)行精確測量。另外，安裝流量計(jì)的配管內(nèi)徑一般應(yīng)等于或略大于流量儀表的內(nèi)徑。如果配管的實(shí)際內(nèi)徑略小于流量儀表內(nèi)徑（3%以內(nèi)），雖然不會對儀表本身所固有的k值造成影響，但卻因流通面積突變引起觀流速變化而可能產(chǎn)生附加測量誤差。
3、溫度變化引起的誤差
儀表系數(shù)k通常是在常溫（20℃）左右標(biāo)定的，如果被測流體的溫度較高或較低，與常溫相差較大，由于熱脹冷縮會使儀表表體和旋渦發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化，造成流通面積變化而引起附加誤差。正確的解決方法是對儀表系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正。
此外，由于發(fā)生體使用時間過長而引起迎流面堆積，或者發(fā)生體兩棱邊受到磨損，均會引起附加誤差。
4、計(jì)量儀表選型不合理引起的誤差
我國現(xiàn)有氬氣流量計(jì)生產(chǎn)廠家近40家，這其中不乏粗制濫造的產(chǎn)品，同時，壓力變送器、流量表及熱電阻的選型都對整個系統(tǒng)的測量精度產(chǎn)生影響。另外，氬氣流量計(jì)的口徑選擇要依靠用戶的負(fù)荷。溫度壓力差別不能太大，要綜合考慮。否則會造成計(jì)量不準(zhǔn)確。從而引起誤差。
5、蒸汽儀表中氬氣流量計(jì)的檢定問題
根據(jù)**技術(shù)監(jiān)察局的有關(guān)規(guī)定，對于供熱部門與用戶參與貿(mào)易結(jié)算的儀表，每年要進(jìn)行強(qiáng)檢，對于沒有檢定或檢定不和格的計(jì)量器具，不準(zhǔn)予以使用。目前，多數(shù)生產(chǎn)廠家出廠檢定設(shè)備非常簡陋，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求。具有法律效力的**蒸汽計(jì)量檢定所還為數(shù)不多，這就大大制約了蒸汽計(jì)量的發(fā)展。其結(jié)果，使大多數(shù)蒸汽貿(mào)易結(jié)算計(jì)量儀表得不到定期檢定，使得相當(dāng)一部分計(jì)量儀表超差運(yùn)行。
三、蒸汽計(jì)量目前還存在的問題
1、由于氬氣流量計(jì)的檢定單位太少，造成個別單位氬氣流量計(jì)多年未檢定或根本不知道到哪兒檢定，這樣客觀造成了蒸汽和熱水計(jì)量的不準(zhǔn)確，解決的辦法是**在各地應(yīng)盡量多建立蒸汽計(jì)量檢定站，以利于蒸汽計(jì)量儀表的檢定。
2、多年來，大部分熱力公司對用戶蒸汽計(jì)量儀表采取每日到用戶檢查，抄表一次的比較被動的管理方式，這也是造成個別用戶偷汽的主要原因。因而及時掌握熱用戶負(fù)荷信息和熱工儀表的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)運(yùn)行的動態(tài)跟蹤、監(jiān)督和集中調(diào)度、控制是我們的當(dāng)務(wù)之急。為了解決這一問題，目前，大多數(shù)熱力公司采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)監(jiān)控制系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)集中測控和科學(xué)化管理，通過微機(jī)聯(lián)網(wǎng)能及時發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，保證了蒸汽計(jì)量的安全、可靠，并提高了現(xiàn)代化管理程度。
一、蒸汽計(jì)量的原理及系統(tǒng)
1、流量
流體在單位時間內(nèi)流過管道或設(shè)備某橫截面的數(shù)量稱為流量。該數(shù)量可以用容積，重量和質(zhì)量來表示。因此，流量可分別用容積流量（用Q表示，單位為立方米/秒、升/分、立方米/時）重量流量（用G表示，單位為公斤/秒、公斤/時或噸/時）質(zhì)量流量（用M表示，單位為克/秒、千克/時）
三者的關(guān)系是：
M=ρQ
G=γQ
G=gM
其中：ρ——流量密度
γ——流體的重度（單位流體的重量）；γ=pg
g——單地重力加速度
在生產(chǎn)和科研中，有時需要知道某一段時間內(nèi)流過流體的總量，稱為累積流量，它等于該時間內(nèi)流量對時間的積分。與累積流量相對應(yīng)的流量又稱瞬時流量。
2、氬氣流量計(jì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對流量檢測精度的要求也越來越高，自1969年日本橫河電機(jī)株式會社和美國Easteen公司幾乎同時推出**上*批氬氣流量計(jì)以來，它就以適用流體種類多（液體，汽體，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安裝簡單方便，壓力損失小，使用壽命長，幾乎不受溫度、壓力等變化的影響等優(yōu)點(diǎn)而受到大家的青睞，并且得到了廣泛的使用。其工作原理如下：
旋渦流量計(jì)是利用流體力學(xué)中卡門渦街的原理制作的一種儀表，把一個非流線型的對稱形狀的物體（如圖：柱體、三角柱體、矩形柱體、六角柱體等，以下簡稱旋渦發(fā)生體）垂直插入管道中，流體繞過發(fā)生體時，出現(xiàn)了分離，在旋渦發(fā)生體的左右兩側(cè)后方會交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，如圖（1）所示，左右兩側(cè)的旋渦旋轉(zhuǎn)方向相反，這種旋渦通常稱為卡門渦街列，也稱卡門渦街。卡門渦街的釋放頻率與流體的流動速度及柱狀物的寬度有關(guān)系，可用下式表示
f=stv/d
f——卡門渦街的釋放頻率；
st——系數(shù)（稱為卡特羅哈數(shù)；）
v——流速；
d——柱狀物的寬度；
圖1
卡門渦街釋放頻率f和流速v成正比。因此，通過測量卡門渦街釋放頻率就可算出瞬時流量。卡特羅哈數(shù)是無因次未知數(shù)，是旋渦流量計(jì)的重要系數(shù)。
轉(zhuǎn)換器是把渦街道辦事處檢測的電荷轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出。現(xiàn)使用的是脈沖信號輸出。
電路圖下：
圖2
從壓元件輸出的分變電荷經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成與電荷量成正比的電壓。通過加法器，把兩個電荷轉(zhuǎn)換器輸出的相位差180度的電壓相加。可以得到信噪比大的電壓輸出信號輸出。通過AC放大器，低通濾波器進(jìn)行信號放大和消除噪聲。史密特整形器能防止由噪聲產(chǎn)生的震蕩。從史密特整形器輸出的信號，通過脈沖輸出放大器，使之轉(zhuǎn)換成與接收裝置輸入端相適應(yīng)的脈沖信號。NB（噪聲平衡）的調(diào)整是借調(diào)整2片壓電元件輸出中的噪聲分的比，使受到噪聲影響*小，得到信噪比大的信號，對TLA（觸發(fā)輸出電平）的調(diào)整，起到抑制振動等干擾作用。
3、蒸汽計(jì)量系統(tǒng)的介紹
如圖3所示為目前較為合理的計(jì)量系統(tǒng)框圖
圖3
圖中通過熱電阻，壓力變送器測出蒸汽的溫度、壓力，然后與轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖信號一起送到智能型蒸汽流量表，由儀表中單片微機(jī)，計(jì)算瞬時流量、累積流量及蒸汽溫度、壓力和旋渦發(fā)生體的頻率值。當(dāng)外供電源停電時，圖中的逆變電源可以自動向計(jì)量系統(tǒng)供電，防止停電時蒸汽無法計(jì)量。加入記錄儀是為了計(jì)錄用戶一個月中每小時的瞬時用汽量，便于供熱單位**了解用戶的負(fù)荷情況，便于計(jì)量收費(fèi)。同時流量表通過電話線與上位機(jī)相連，一天24小時不間斷地把用戶用汽的壓力、溫度、瞬時流量、累計(jì)流量傳送到上位機(jī)上，以便熱力公司對這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以便及時發(fā)現(xiàn)問題。
4、系統(tǒng)管路安裝情況
圖4為蒸汽計(jì)量系統(tǒng)管路示意圖。圖中1為用戶進(jìn)汽閥；2旋渦發(fā)生體；3為轉(zhuǎn)換器；4為壓力變送器；5為壓力取樣點(diǎn)；6為溫度取樣點(diǎn)；7為閥門；8為除污器；9為閥門；10為減壓閥；11為安全門。目前渦街蒸汽流量測量系統(tǒng)大多采用如此步置。
圖4
流量計(jì)在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到惡劣條件下工作，但為了長期保持它的精確度和穩(wěn)定性，必須考慮下列因素：環(huán)境溫度，環(huán)境空氣，機(jī)械振動與沖擊。
在氬氣流量計(jì)安裝時，應(yīng)在其上游側(cè)配置20D（D為流量計(jì)的公稱通徑）以上的直管段和下游側(cè)配置長度為5D以上的直管段。測壓點(diǎn)設(shè)置在下游距離旋渦發(fā)生體（流量計(jì)中心線）3.5D～5.5D位置。當(dāng)需要測量溫度時測溫點(diǎn)設(shè)置在下游側(cè)距離旋渦發(fā)生體6D～8D的位置。
二、蒸汽流量的誤差分析
1、兩相流引起的誤差
由氬氣流量計(jì)的原理可得知，目前廣泛使用的卡門氬氣流量計(jì)在測量蒸汽時，如果供熱公司輸送到用戶的是過熱蒸汽，則由質(zhì)量M=ρQ，其中，Q為體積，與卡門渦街的頻率有關(guān)；ρ為蒸汽密度，與蒸汽的壓力、溫度有關(guān)，由公式進(jìn)行查表補(bǔ)償可以求出瞬時質(zhì)量流量和累積質(zhì)量流量。但是，從目前的情況看，很多時候，供熱公司輸送到用戶的汽、液兩相共存的濕飽和蒸汽。這是因?yàn)椋羝谘毓苈妨鲃訒r，因克服摩擦阻力和局部阻力，壓力逐漸下降，管壁散熱，熱焓逐漸降低，從而使蒸汽中含水。如果準(zhǔn)確測量質(zhì)量流量，應(yīng)將濕蒸汽的干度值參與質(zhì)量流量的計(jì)算。但由卡門渦街流量表的原理分析可知，在汽、液兩相共存的情況下，智能型蒸汽流量表仍按蒸汽的體積流量來計(jì)算質(zhì)量，水與蒸汽的密度比相差懸殊，故使測量的質(zhì)量流量下降。這是造成供熱公司管網(wǎng)損失的*重要原因。
2、流量計(jì)不當(dāng)造成誤差
在測量高壓蒸汽時，如果流量計(jì)上游安裝截流閥，且直管段20D以內(nèi)，閥門接近關(guān)閉，而低壓側(cè)與大氣相通，那就不可能進(jìn)行精確測量。另外，安裝流量計(jì)的配管內(nèi)徑一般應(yīng)等于或略大于流量儀表的內(nèi)徑。如果配管的實(shí)際內(nèi)徑略小于流量儀表內(nèi)徑（3%以內(nèi)），雖然不會對儀表本身所固有的k值造成影響，但卻因流通面積突變引起觀流速變化而可能產(chǎn)生附加測量誤差。
3、溫度變化引起的誤差
儀表系數(shù)k通常是在常溫（20℃）左右標(biāo)定的，如果被測流體的溫度較高或較低，與常溫相差較大，由于熱脹冷縮會使儀表表體和旋渦發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化，造成流通面積變化而引起附加誤差。正確的解決方法是對儀表系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正。
此外，由于發(fā)生體使用時間過長而引起迎流面堆積，或者發(fā)生體兩棱邊受到磨損，均會引起附加誤差。
4、計(jì)量儀表選型不合理引起的誤差
我國現(xiàn)有氬氣流量計(jì)生產(chǎn)廠家近40家，這其中不乏粗制濫造的產(chǎn)品，同時，壓力變送器、流量表及熱電阻的選型都對整個系統(tǒng)的測量精度產(chǎn)生影響。另外，氬氣流量計(jì)的口徑選擇要依靠用戶的負(fù)荷。溫度壓力差別不能太大，要綜合考慮。否則會造成計(jì)量不準(zhǔn)確。從而引起誤差。
5、蒸汽儀表中氬氣流量計(jì)的檢定問題
根據(jù)**技術(shù)監(jiān)察局的有關(guān)規(guī)定，對于供熱部門與用戶參與貿(mào)易結(jié)算的儀表，每年要進(jìn)行強(qiáng)檢，對于沒有檢定或檢定不和格的計(jì)量器具，不準(zhǔn)予以使用。目前，多數(shù)生產(chǎn)廠家出廠檢定設(shè)備非常簡陋，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求。具有法律效力的**蒸汽計(jì)量檢定所還為數(shù)不多，這就大大制約了蒸汽計(jì)量的發(fā)展。其結(jié)果，使大多數(shù)蒸汽貿(mào)易結(jié)算計(jì)量儀表得不到定期檢定，使得相當(dāng)一部分計(jì)量儀表超差運(yùn)行。
三、蒸汽計(jì)量目前還存在的問題
1、由于氬氣流量計(jì)的檢定單位太少，造成個別單位氬氣流量計(jì)多年未檢定或根本不知道到哪兒檢定，這樣客觀造成了蒸汽和熱水計(jì)量的不準(zhǔn)確，解決的辦法是**在各地應(yīng)盡量多建立蒸汽計(jì)量檢定站，以利于蒸汽計(jì)量儀表的檢定。
2、多年來，大部分熱力公司對用戶蒸汽計(jì)量儀表采取每日到用戶檢查，抄表一次的比較被動的管理方式，這也是造成個別用戶偷汽的主要原因。因而及時掌握熱用戶負(fù)荷信息和熱工儀表的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)運(yùn)行的動態(tài)跟蹤、監(jiān)督和集中調(diào)度、控制是我們的當(dāng)務(wù)之急。為了解決這一問題，目前，大多數(shù)熱力公司采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)監(jiān)控制系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)集中測控和科學(xué)化管理，通過微機(jī)聯(lián)網(wǎng)能及時發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，保證了蒸汽計(jì)量的安全、可靠，并提高了現(xiàn)代化管理程度。