江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明
提高差壓式蒸汽流量計(jì)測(cè)量精度的探討
引言
目前，上海地區(qū)的供熱公司對(duì)蒸汽計(jì)量?jī)x表基本上都采用了集中管理的模式，且智能化程度在不斷提高。上海桃浦熱力公司采用江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)從管道的取樣到控制室的管理，基本上可分為3個(gè)部分：即安裝在蒸汽供熱管道上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表（IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀）、熱網(wǎng)監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)管理平臺(tái)（IAS—智能化熱網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心）以及連接這兩部分的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（IAS-8010D2GPRS———移動(dòng)適配器）。在這3部分中，對(duì)計(jì)量?jī)x表精度影響zui大的是IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀，下面僅就此儀表與其他儀表的不同之處作一探討。
熱工計(jì)量?jī)x表主要有4大類：溫度、壓力、流量和物位。蒸汽計(jì)量，尤其是過(guò)熱蒸汽的計(jì)量，就涵蓋了前3類。用于貿(mào)易結(jié)算的蒸汽計(jì)量?jī)x表和用于其他用途（比如用于過(guò)程控制）的蒸汽計(jì)量?jī)x表相比，有其特殊性，zui明顯的區(qū)別是：用于貿(mào)易結(jié)算的蒸汽計(jì)量?jī)x表的誤差是根據(jù)相對(duì)誤差來(lái)定義的，而用于過(guò)程控制的蒸汽計(jì)量?jī)x表的誤差是用引用誤差來(lái)定義的，兩者的區(qū)別在量程的起始階段即小量程時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，顯然，前者的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者。
為了進(jìn)一步完善和改進(jìn)貿(mào)易結(jié)算用蒸汽計(jì)量?jī)x的功能、精度和穩(wěn)定性，協(xié)助華明智能儀器有限公司研發(fā)和推廣應(yīng)用了IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀。該流量計(jì)是嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)GB/T2624-93的要求設(shè)計(jì)，集夾持孔板、差壓變送器、壓力變送器、測(cè)溫元件、顯示及運(yùn)算儀表為一體的全動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)亩鄥?shù)差壓式孔板質(zhì)量流量計(jì)，該蒸汽流量?jī)x不僅具有上述所敘智能化流量計(jì)的全部功能，還具有本身的一些特點(diǎn)，以求改善和提高流量計(jì)的精度及穩(wěn)定性。本文僅就這些特點(diǎn)進(jìn)行探討，與其他智能化流量計(jì)相同的功能部分就不再涉及。
1 流量測(cè)量的全工況動(dòng)態(tài)補(bǔ)償
根據(jù)能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程可知，在被測(cè)介質(zhì)的輸送管道上安裝一節(jié)流件，流束將在節(jié)流間處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差。根據(jù)介質(zhì)的流速和節(jié)流件上下游兩側(cè)差壓之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)出介質(zhì)的流速，然后根據(jù)管徑得出流體流量，再對(duì)時(shí)間積分得出總量。
根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T2624-93，流體的質(zhì)量流量和差壓的關(guān)系由下式確定：
式中：qm為質(zhì)量流量；C為流出系數(shù)；β為直徑比；ε為可膨脹性系數(shù)；d為工況條件下節(jié)流件節(jié)流孔直徑；ΔP為差壓；ρ為流體密度。
然而，迄今為止，絕大多數(shù)的孔板流量計(jì)都采用簡(jiǎn)化的計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行流量計(jì)算，即：
qm=常數(shù)（ΔP×ρ）1/2
在這個(gè)被簡(jiǎn)化的計(jì)算公式中，使用常數(shù)來(lái)表達(dá)流出系數(shù)、漸近流束系數(shù)、氣體膨脹系數(shù)、流量系數(shù)等，流體流量只與差壓值和密度有關(guān)。雖然這種方法能滿足測(cè)量的一般要求，但是在實(shí)際工況下這些系數(shù)都是過(guò)程變量函數(shù)，隨工況的變化而變化，這種變化將影響測(cè)量的精度，并導(dǎo)致其測(cè)量范圍的減小，特別是下限的測(cè)量范圍僅為量程的1/3處。因此，傳統(tǒng)的計(jì)算方法不能真正表達(dá)流體的實(shí)際流量，特別是在較大的流量變化范圍內(nèi)，造成一定的誤差。
為了提高測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)高精度的測(cè)量，IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀對(duì)流量測(cè)量實(shí)現(xiàn)全工況動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，對(duì)雷諾數(shù)進(jìn)行線性修正，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T2624-93對(duì)流量的計(jì)算公式的定義，將實(shí)際工況下的各類參數(shù)通過(guò)測(cè)量后進(jìn)行重新計(jì)算，然后再代入標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)算公式，現(xiàn)場(chǎng)完成被測(cè)流體的質(zhì)量流量計(jì)算，這種計(jì)算方法可以大大提高測(cè)量的范圍并能確保一定的精度。
2 溫度補(bǔ)償
在IAS-8660中，從兩方面對(duì)溫度作了補(bǔ)償：節(jié)流件節(jié)流孔直徑的溫度補(bǔ)償和差壓變送器的溫度補(bǔ)償。（1）節(jié)流件節(jié)流孔直徑的溫度補(bǔ)償由上所述，在式（1）中，節(jié)流件節(jié)流孔直徑d應(yīng)為工作條件下的數(shù)值，而在孔板的設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)中，均以常溫狀態(tài)下的數(shù)值為依據(jù)。顯然，與工況條件相比，是有一定誤差的，主要是溫度系數(shù)造成在不同溫度下兩者的直徑有一些不同，在常規(guī)儀表中是忽略這種影響的。但孔板的孔徑對(duì)測(cè)量的影響是比較大的，為了提高測(cè)量精度，就不能忽視這一因數(shù)，而且在計(jì)算機(jī)高度發(fā)展的今天，*有可能來(lái)解決這一問(wèn)題。IAS-8660就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)測(cè)得的孔板實(shí)際溫度，按照孔板材料的溫度系數(shù)曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。
在公式中，直徑比β（β=d/D）值也受溫度的影響，但由于節(jié)流件的材料和管道的材料具有幾乎相近的溫度系數(shù)曲線，因此β值對(duì)溫度變化來(lái)說(shuō)可以認(rèn)為是一常數(shù)，為了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化運(yùn)算，此處就不再進(jìn)行修正。
?。?）差壓變送器的溫度補(bǔ)償為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，以適應(yīng)不同條件下的使用環(huán)境，IAS-8660還對(duì)差壓變送器實(shí)現(xiàn)寬溫度補(bǔ)償。
電容式差壓傳感器是由一個(gè)可變電容組成的傳感部件，稱之為δ室，δ室是由兩側(cè)的隔離膜片、灌充液和一個(gè)張緊的彈性元件———中心膜片組成。它的工作原理是：過(guò)程壓力通過(guò)傳感組件作用在δ室上，作用在δ室兩側(cè)的壓力差使中心膜片產(chǎn)生相應(yīng)的變形位移，位移量與差壓成正比。這種位移進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動(dòng)電容，差動(dòng)電容量和過(guò)程差壓的關(guān)系可由下式表達(dá)：
式中：K為常數(shù)；CH為高壓側(cè)極板和傳感膜片之間的電容量；CL為低壓側(cè)極板和傳感膜片之間的電容量。
然而，*，由彈性金屬做成的中心膜片其彈性系數(shù)是受溫度變化影響的，位移量與差壓在不同的溫度情況下并非成線性正比關(guān)系。雖然在一定的溫度變化范圍內(nèi)其彈性系數(shù)的變化是很小的，但由于流量的測(cè)量對(duì)差壓的變化十分敏感，差壓的微小變化會(huì)影響測(cè)量的精度，尤其是在小信號(hào)下影響更為明顯。
為了提高測(cè)量的精度，尤其是提高小信號(hào)下的測(cè)量精度，減小在不同溫度變化情況下的零位漂移，IAS-8660在差壓傳感器上還增加了溫度測(cè)點(diǎn)，以測(cè)出差壓傳感器在工作狀況下的實(shí)際溫度，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，對(duì)彈性系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，在-40℃～120℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)，從而提高測(cè)量精度，向下拓展了下限測(cè)量范圍，并擴(kuò)大了工作溫度的適應(yīng)范圍。
3 小信號(hào)切除功能
這里所說(shuō)的小信號(hào)切除與其他智能化儀表的小信號(hào)切除不一樣。傳統(tǒng)的用差壓法測(cè)量流量的智能化儀表為了克服其在小流量或無(wú)流量情況下，由于各種擾動(dòng)造成差壓信號(hào)的變化或零點(diǎn)漂移造成的信號(hào)輸出導(dǎo)致儀表失真，通常將1%滿量程下的信號(hào)切除（一般被切除信號(hào)的大小可根據(jù)實(shí)際需要加以調(diào)節(jié)），以保證儀表精度或平息供需雙方的矛盾。本文所指的是除了這一功能（IAS-8660也具備這一功能）以外的另外一種功能。
蒸汽流量計(jì)測(cè)量的介質(zhì)雖然是過(guò)熱水蒸氣，但與傳感器接觸的被測(cè)介質(zhì)一般是過(guò)熱水蒸氣經(jīng)冷卻后形成的冷凝水。顯然，在這種信號(hào)傳遞過(guò)程中，被測(cè)介質(zhì)發(fā)生了相變，這種相變對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性帶來(lái)很大的影響。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，差壓變送器兩端所接收到的差壓信號(hào)ΔS，實(shí)際上是由兩部分組成的，即：
ΔS=ΔP+Δh
ΔP這一部分是由測(cè)量孔板上下游兩個(gè)端面因流體流過(guò)所產(chǎn)生的差壓，這是一種我們所需要的、反映流體流量的真實(shí)信號(hào)；Δh是由蒸汽冷卻后形成的冷凝水在測(cè)量管道上因各種因素造成冷凝水位高度不一致所產(chǎn)生的靜壓差，這是一種附加的壓差，影響測(cè)量精度的壓差，這種壓差在正常的測(cè)量過(guò)程中一般是一個(gè)相對(duì)固定的量，可以通過(guò)零位校正加以消除。但同時(shí)這種壓差又是一種很不穩(wěn)定的、隨機(jī)的、易受外界影響而變化的量，尤其是在儀表正常工作到供汽臨時(shí)中止和從中止供汽到恢復(fù)供汽的過(guò)程中，冷凝水位將會(huì)發(fā)生一些不可預(yù)計(jì)的變化。
在儀表的實(shí)際使用過(guò)程中，用戶往往會(huì)以為只要關(guān)閉了蒸汽主管道計(jì)量?jī)x表前的閥門，由于沒(méi)有蒸氣流過(guò)計(jì)量?jī)x表，儀表就會(huì)自動(dòng)出零。殊不知，儀表測(cè)量管道內(nèi)的冷凝水水位是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，在正常使用情況下，由于某種原因造成冷凝水水位波動(dòng)時(shí)，高于取壓口的水會(huì)從取壓口流回蒸汽主管道；低于取壓口時(shí)會(huì)從蒸汽中的冷凝水中得到補(bǔ)償，使水位自動(dòng)維持在取壓口上，并保持上下游兩取壓口的水位一致，以保證測(cè)量的精度。然而，一旦用戶關(guān)閉了儀表上游側(cè)的主閥門，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，主管道內(nèi)的蒸汽流盡，就沒(méi)有了補(bǔ)充冷凝水，一旦當(dāng)儀表高、低壓側(cè)測(cè)量管道內(nèi)的冷凝水水位由于某些原因不能保持一致時(shí)，在缺乏冷凝水補(bǔ)充的情況下，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加壓差，這個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的壓差的極性可正可負(fù)。一旦極性為正時(shí)，就給儀表一個(gè)計(jì)量信號(hào)，造成儀表在沒(méi)有流量的情況下也走字計(jì)量，IAS-8660采取了壓力控制措施來(lái)消除這一影響。用主管道上的壓力來(lái)判別蒸汽管道是否出于投運(yùn)狀態(tài)，一旦當(dāng)蒸汽主管道上的壓力低于某一定值時(shí)（比如0.1MPa），就認(rèn)為管道處于停運(yùn)狀態(tài)，此時(shí)不管差壓值如何，一律將瞬時(shí)流量值作為零來(lái)看待。
4 安裝形式的改進(jìn)
根據(jù)以上所述可知，一方面，在小流量時(shí)，差壓的微小變化會(huì)引起流量的較大的變動(dòng)（流量和差壓成平方根關(guān)系，在零點(diǎn)附近時(shí)，dQ/dΔP趨向于無(wú)窮）；另一方面，測(cè)量管道內(nèi)水位的不平衡也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的偏差。這兩方面因素疊加時(shí)影響更甚。為了減小或消除這種因隨機(jī)因素造成的誤差，能否在安裝工藝上作些改進(jìn)呢?IAS-8660在這一方面也做了些嘗試。
在一個(gè)完成了安裝和調(diào)試并已經(jīng)投運(yùn)的測(cè)量系統(tǒng)中，系統(tǒng)誤差已經(jīng)確定，影響測(cè)量準(zhǔn)確性的隨機(jī)誤差主要來(lái)自于管路。管道越長(zhǎng)，誤差發(fā)生的機(jī)率越大，誤差產(chǎn)生的數(shù)值也越大。根據(jù)誤差理論，系統(tǒng)誤差可以通過(guò)系統(tǒng)的修正值來(lái)加以消除或減小，而隨機(jī)誤差一般是不能通過(guò)系統(tǒng)本身的修正來(lái)加以消除的。但是一個(gè)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的誤差正是由這兩種誤差疊加而成的，如果一個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差很小而隨機(jī)誤差較大，則在實(shí)際運(yùn)行中就達(dá)不到一定的精度。
為了提高系統(tǒng)的整體精度，IAS-8660對(duì)安裝工藝作了一些改進(jìn)。首先，將孔板節(jié)流件、差壓和壓力變送器以及溫度變送器、二次儀表這3部分集成在一起，采用一體化的安裝方式，直接安裝在蒸汽主管道上，因此大大縮短了測(cè)量管路，既解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法所帶來(lái)的一系列弊端，有效的減小了隨機(jī)誤差，同時(shí)也縮短了因測(cè)量管道所引起的測(cè)量信號(hào)的延遲問(wèn)題。其次，將差壓變送器的差壓信號(hào)輸入端與孔板節(jié)流件上、下游端的差壓信號(hào)輸出端處于同一水平面上，有效地解決了冷凝水水位不平衡的問(wèn)題。第三，整個(gè)孔板節(jié)流裝置包括引壓管全采用不銹鋼材料，避免了管道銹蝕問(wèn)題。通過(guò)這一系列改進(jìn)，不僅縮小了整個(gè)裝置的體積，還減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量，特別是有效地減小了系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，對(duì)提升整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度起了不小的作用。由于整套裝置的裝配是在制造廠完成的，且出廠時(shí)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，安裝質(zhì)量有了較大的保證，減少了在運(yùn)行過(guò)程中的日常維修保養(yǎng)的工作量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。
綜上所述，IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀由于采用了上述的一些特殊技術(shù)，使它的測(cè)量精度大為提高，在上海市技術(shù)*多次檢測(cè)中一直保持很高的合格率，并得到上海市經(jīng)委節(jié)能辦的推薦，其測(cè)量技術(shù)在差壓式流量計(jì)系列中處于地位。
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