氬氣流量計在集中供熱系統中的蒸汽計量
點(diǎn)擊次數：1742 發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 05:31:19
集中供熱應用主要是工業(yè)和民用建筑的采暖、通風(fēng)、空調和熱水供應以及各種生產(chǎn)過(guò)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(zhù)重要的意義，隨著(zhù)城市集中供熱的發(fā)展和大批熱電廠(chǎng)的建立，我國的集中供熱已經(jīng)有了相當的規模。根據使用的熱媒不同，集中供熱分為熱水供熱系統和蒸汽供熱系統。其中，蒸汽供熱系統中的蒸汽計量由于事關(guān)熱力公司于用戶(hù)雙方經(jīng)濟利益，又是衡量熱力公司管網(wǎng)效率，管網(wǎng)維護水平的直接依據。因而蒸汽計量的準確與否是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。本文簡(jiǎn)述了氬氣流量計等相關(guān)測量?jì)x表在集中供熱中蒸汽計量中的原理、系統及管路安裝狀況，分析了系統在計量、測量過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因，以及解決這些問(wèn)題的方法。
一、蒸汽計量的原理及系統
1、流量
流體在單位時(shí)間內流過(guò)管道或設備某橫截面的數量稱(chēng)為流量。該數量可以用容積，重量和質(zhì)量來(lái)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(shí)）重量流量（用G表示，單位為公斤/秒、公斤/時(shí)或噸/時(shí)）質(zhì)量流量（用M表示，單位為克/秒、千克/時(shí)）
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(shí)需要知道某一段時(shí)間內流過(guò)流體的總量，稱(chēng)為累積流量，它等于該時(shí)間內流量對時(shí)間的積分。與累積流量相對應的流量又稱(chēng)瞬時(shí)流量。
2、氬氣流量計
隨著(zhù)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(lái)越高，自1969年日本橫河電機株式會(huì )社和美國Easteen公司幾乎同時(shí)推出世界上首批氬氣流量計以來(lái)，它就以適用流體種類(lèi)多（液體，汽體，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安裝簡(jiǎn)單方便，壓力損失小，使用壽命長(cháng)，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：
旋渦流量計是利用流體力學(xué)中卡門(mén)渦街的原理制作的一種儀表，把一個(gè)非流線(xiàn)型的對稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)旋渦發(fā)生體）垂直插入管道中，流體繞過(guò)發(fā)生體時(shí)，出現了分離，在旋渦發(fā)生體的左右兩側后方會(huì )交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，如圖（1）所示，左右兩側的旋渦旋轉方向相反，這種旋渦通常稱(chēng)為卡門(mén)渦街列，也稱(chēng)卡門(mén)渦街?？ㄩT(mén)渦街的釋放頻率與流體的流動(dòng)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(mén)渦街的釋放頻率；
st——系數（稱(chēng)為卡特羅哈數；）
v——流速；
d——柱狀物的寬度；
圖1
卡門(mén)渦街釋放頻率f和流速v成正比。因此，通過(guò)測量卡門(mén)渦街釋放頻率就可算出瞬時(shí)流量?？ㄌ亓_哈數是無(wú)因次未知數，是旋渦流量計的重要系數。
轉換器是把渦街道辦事處檢測的電荷轉換成脈沖信號輸出?，F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(guò)轉換變成與電荷量成正比的電壓。通過(guò)加法器，把兩個(gè)電荷轉換器輸出的相位差180度的電壓相加?？梢缘玫叫旁氡却蟮碾妷狠敵鲂盘栞敵?。通過(guò)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(guò)脈沖輸出放大器，使之轉換成與接收裝置輸入端相適應的脈沖信號。NB（噪聲平衡）的調整是借調整2片壓電元件輸出中的噪聲分的比，使受到噪聲影響最小，得到信噪比大的信號，對TLA（觸發(fā)輸出電平）的調整，起到抑制振動(dòng)等干擾作用。
3、蒸汽計量系統的介紹
如圖3所示為目前較為合理的計量系統框圖
圖3
圖中通過(guò)熱電阻，壓力變送器測出蒸汽的溫度、壓力，然后與轉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，計算瞬時(shí)流量、累積流量及蒸汽溫度、壓力和旋渦發(fā)生體的頻率值。當外供電源停電時(shí)，圖中的逆變電源可以自動(dòng)向計量系統供電，防止停電時(shí)蒸汽無(wú)法計量。加入記錄儀是為了計錄用戶(hù)一個(gè)月中每小時(shí)的瞬時(shí)用汽量，便于供熱單位隨時(shí)了解用戶(hù)的負荷情況，便于計量收費。同時(shí)流量表通過(guò)電話(huà)線(xiàn)與上位機相連，一天24小時(shí)不間斷地把用戶(hù)用汽的壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累計流量傳送到上位機上，以便熱力公司對這些參數進(jìn)行監控，以便及時(shí)發(fā)現問(wèn)題。
4、系統管路安裝情況
圖4為蒸汽計量系統管路示意圖。圖中1為用戶(hù)進(jìn)汽閥；2旋渦發(fā)生體；3為轉換器；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(mén)；8為除污器；9為閥門(mén)；10為減壓閥；11為安全門(mén)。目前渦街蒸汽流量測量系統大多采用如此步置。
圖4
流量計在設計上已經(jīng)考慮到惡劣條件下工作，但為了長(cháng)期保持它的精確度和穩定性，必須考慮下列因素：環(huán)境溫度，環(huán)境空氣，機械振動(dòng)與沖擊。
在氬氣流量計安裝時(shí)，應在其上游側配置20D（D為流量計的公稱(chēng)通徑）以上的直管段和下游側配置長(cháng)度為5D以上的直管段。測壓點(diǎn)設置在下游距離旋渦發(fā)生體（流量計中心線(xiàn)）3.5D～5.5D位置。當需要測量溫度時(shí)測溫點(diǎn)設置在下游側距離旋渦發(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
由氬氣流量計的原理可得知，目前廣泛使用的卡門(mén)氬氣流量計在測量蒸汽時(shí)，如果供熱公司輸送到用戶(hù)的是過(guò)熱蒸汽，則由質(zhì)量M=ρQ，其中，Q為體積，與卡門(mén)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)行查表補償可以求出瞬時(shí)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(shí)候，供熱公司輸送到用戶(hù)的汽、液兩相共存的濕飽和蒸汽。這是因為，蒸汽在沿管路流動(dòng)時(shí)，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。如果準確測量質(zhì)量流量，應將濕蒸汽的干度值參與質(zhì)量流量的計算。但由卡門(mén)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(lái)計算質(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)損失的最重要原因。
2、流量計不當造成誤差
在測量高壓蒸汽時(shí)，如果流量計上游安裝截流閥，且直管段20D以?xún)?，閥門(mén)接近關(guān)閉，而低壓側與大氣相通，那就不可能進(jìn)行精確測量。另外，安裝流量計的配管內徑一般應等于或略大于流量?jì)x表的內徑。如果配管的實(shí)際內徑略小于流量?jì)x表內徑（3%以?xún)龋?，雖然不會(huì )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(guān)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k通常是在常溫（20℃）左右標定的，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(huì )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進(jìn)行補償修正。
此外，由于發(fā)生體使用時(shí)間過(guò)長(cháng)而引起迎流面堆積，或者發(fā)生體兩棱邊受到磨損，均會(huì )引起附加誤差。
4、計量?jì)x表選型不合理引起的誤差
我國現有氬氣流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家近40家，這其中不乏粗制濫造的產(chǎn)品，同時(shí)，壓力變送器、流量表及熱電阻的選型都對整個(gè)系統的測量精度產(chǎn)生影響。另外，氬氣流量計的口徑選擇要依靠用戶(hù)的負荷。溫度壓力差別不能太大，要綜合考慮。否則會(huì )造成計量不準確。從而引起誤差。
5、蒸汽儀表中氬氣流量計的檢定問(wèn)題
根據國家技術(shù)監察局的有關(guān)規定，對于供熱部門(mén)與用戶(hù)參與貿易結算的儀表，每年要進(jìn)行強檢，對于沒(méi)有檢定或檢定不和格的計量器具，不準予以使用。目前，多數生產(chǎn)廠(chǎng)家出廠(chǎng)檢定設備非常簡(jiǎn)陋，遠遠不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。具有法律效力的國家蒸汽計量檢定所還為數不多，這就大大制約了蒸汽計量的發(fā)展。其結果，使大多數蒸汽貿易結算計量?jì)x表得不到定期檢定，使得相當一部分計量?jì)x表超差運行。
三、蒸汽計量目前還存在的問(wèn)題
1、由于氬氣流量計的檢定單位太少，造成個(gè)別單位氬氣流量計多年未檢定或根本不知道到哪兒檢定，這樣客觀(guān)造成了蒸汽和熱水計量的不準確，解決的辦法是國家在各地應盡量多建立蒸汽計量檢定站，以利于蒸汽計量?jì)x表的檢定。
2、多年來(lái)，大部分熱力公司對用戶(hù)蒸汽計量?jì)x表采取每日到用戶(hù)檢查，抄表一次的比較被動(dòng)的管理方式，這也是造成個(gè)別用戶(hù)偷汽的主要原因。因而及時(shí)掌握熱用戶(hù)負荷信息和熱工儀表的運行情況，實(shí)現熱網(wǎng)運行的動(dòng)態(tài)跟蹤、監督和集中調度、控制是我們的當務(wù)之急。為了解決這一問(wèn)題，目前，大多數熱力公司采用現代計算機監控制系統技術(shù)來(lái)實(shí)現熱網(wǎng)集中測控和科學(xué)化管理，通過(guò)微機聯(lián)網(wǎng)能及時(shí)發(fā)現問(wèn)題、處理問(wèn)題，保證了蒸汽計量的安全、可靠，并提高了現代化管理程度。
一、蒸汽計量的原理及系統
1、流量
流體在單位時(shí)間內流過(guò)管道或設備某橫截面的數量稱(chēng)為流量。該數量可以用容積，重量和質(zhì)量來(lái)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(shí)）重量流量（用G表示，單位為公斤/秒、公斤/時(shí)或噸/時(shí)）質(zhì)量流量（用M表示，單位為克/秒、千克/時(shí)）
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(shí)需要知道某一段時(shí)間內流過(guò)流體的總量，稱(chēng)為累積流量，它等于該時(shí)間內流量對時(shí)間的積分。與累積流量相對應的流量又稱(chēng)瞬時(shí)流量。
2、氬氣流量計
隨著(zhù)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(lái)越高，自1969年日本橫河電機株式會(huì )社和美國Easteen公司幾乎同時(shí)推出世界上首批氬氣流量計以來(lái)，它就以適用流體種類(lèi)多（液體，汽體，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安裝簡(jiǎn)單方便，壓力損失小，使用壽命長(cháng)，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：
旋渦流量計是利用流體力學(xué)中卡門(mén)渦街的原理制作的一種儀表，把一個(gè)非流線(xiàn)型的對稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)旋渦發(fā)生體）垂直插入管道中，流體繞過(guò)發(fā)生體時(shí)，出現了分離，在旋渦發(fā)生體的左右兩側后方會(huì )交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，如圖（1）所示，左右兩側的旋渦旋轉方向相反，這種旋渦通常稱(chēng)為卡門(mén)渦街列，也稱(chēng)卡門(mén)渦街?？ㄩT(mén)渦街的釋放頻率與流體的流動(dòng)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(mén)渦街的釋放頻率；
st——系數（稱(chēng)為卡特羅哈數；）
v——流速；
d——柱狀物的寬度；
圖1
卡門(mén)渦街釋放頻率f和流速v成正比。因此，通過(guò)測量卡門(mén)渦街釋放頻率就可算出瞬時(shí)流量?？ㄌ亓_哈數是無(wú)因次未知數，是旋渦流量計的重要系數。
轉換器是把渦街道辦事處檢測的電荷轉換成脈沖信號輸出?，F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(guò)轉換變成與電荷量成正比的電壓。通過(guò)加法器，把兩個(gè)電荷轉換器輸出的相位差180度的電壓相加?？梢缘玫叫旁氡却蟮碾妷狠敵鲂盘栞敵?。通過(guò)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(guò)脈沖輸出放大器，使之轉換成與接收裝置輸入端相適應的脈沖信號。NB（噪聲平衡）的調整是借調整2片壓電元件輸出中的噪聲分的比，使受到噪聲影響最小，得到信噪比大的信號，對TLA（觸發(fā)輸出電平）的調整，起到抑制振動(dòng)等干擾作用。
3、蒸汽計量系統的介紹
如圖3所示為目前較為合理的計量系統框圖
圖3
圖中通過(guò)熱電阻，壓力變送器測出蒸汽的溫度、壓力，然后與轉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，計算瞬時(shí)流量、累積流量及蒸汽溫度、壓力和旋渦發(fā)生體的頻率值。當外供電源停電時(shí)，圖中的逆變電源可以自動(dòng)向計量系統供電，防止停電時(shí)蒸汽無(wú)法計量。加入記錄儀是為了計錄用戶(hù)一個(gè)月中每小時(shí)的瞬時(shí)用汽量，便于供熱單位隨時(shí)了解用戶(hù)的負荷情況，便于計量收費。同時(shí)流量表通過(guò)電話(huà)線(xiàn)與上位機相連，一天24小時(shí)不間斷地把用戶(hù)用汽的壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累計流量傳送到上位機上，以便熱力公司對這些參數進(jìn)行監控，以便及時(shí)發(fā)現問(wèn)題。
4、系統管路安裝情況
圖4為蒸汽計量系統管路示意圖。圖中1為用戶(hù)進(jìn)汽閥；2旋渦發(fā)生體；3為轉換器；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(mén)；8為除污器；9為閥門(mén)；10為減壓閥；11為安全門(mén)。目前渦街蒸汽流量測量系統大多采用如此步置。
圖4
流量計在設計上已經(jīng)考慮到惡劣條件下工作，但為了長(cháng)期保持它的精確度和穩定性，必須考慮下列因素：環(huán)境溫度，環(huán)境空氣，機械振動(dòng)與沖擊。
在氬氣流量計安裝時(shí)，應在其上游側配置20D（D為流量計的公稱(chēng)通徑）以上的直管段和下游側配置長(cháng)度為5D以上的直管段。測壓點(diǎn)設置在下游距離旋渦發(fā)生體（流量計中心線(xiàn)）3.5D～5.5D位置。當需要測量溫度時(shí)測溫點(diǎn)設置在下游側距離旋渦發(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
由氬氣流量計的原理可得知，目前廣泛使用的卡門(mén)氬氣流量計在測量蒸汽時(shí)，如果供熱公司輸送到用戶(hù)的是過(guò)熱蒸汽，則由質(zhì)量M=ρQ，其中，Q為體積，與卡門(mén)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)行查表補償可以求出瞬時(shí)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(shí)候，供熱公司輸送到用戶(hù)的汽、液兩相共存的濕飽和蒸汽。這是因為，蒸汽在沿管路流動(dòng)時(shí)，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。如果準確測量質(zhì)量流量，應將濕蒸汽的干度值參與質(zhì)量流量的計算。但由卡門(mén)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(lái)計算質(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)損失的最重要原因。
2、流量計不當造成誤差
在測量高壓蒸汽時(shí)，如果流量計上游安裝截流閥，且直管段20D以?xún)?，閥門(mén)接近關(guān)閉，而低壓側與大氣相通，那就不可能進(jìn)行精確測量。另外，安裝流量計的配管內徑一般應等于或略大于流量?jì)x表的內徑。如果配管的實(shí)際內徑略小于流量?jì)x表內徑（3%以?xún)龋?，雖然不會(huì )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(guān)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k通常是在常溫（20℃）左右標定的，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(huì )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進(jìn)行補償修正。
此外，由于發(fā)生體使用時(shí)間過(guò)長(cháng)而引起迎流面堆積，或者發(fā)生體兩棱邊受到磨損，均會(huì )引起附加誤差。
4、計量?jì)x表選型不合理引起的誤差
我國現有氬氣流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家近40家，這其中不乏粗制濫造的產(chǎn)品，同時(shí)，壓力變送器、流量表及熱電阻的選型都對整個(gè)系統的測量精度產(chǎn)生影響。另外，氬氣流量計的口徑選擇要依靠用戶(hù)的負荷。溫度壓力差別不能太大，要綜合考慮。否則會(huì )造成計量不準確。從而引起誤差。
5、蒸汽儀表中氬氣流量計的檢定問(wèn)題
根據國家技術(shù)監察局的有關(guān)規定，對于供熱部門(mén)與用戶(hù)參與貿易結算的儀表，每年要進(jìn)行強檢，對于沒(méi)有檢定或檢定不和格的計量器具，不準予以使用。目前，多數生產(chǎn)廠(chǎng)家出廠(chǎng)檢定設備非常簡(jiǎn)陋，遠遠不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。具有法律效力的國家蒸汽計量檢定所還為數不多，這就大大制約了蒸汽計量的發(fā)展。其結果，使大多數蒸汽貿易結算計量?jì)x表得不到定期檢定，使得相當一部分計量?jì)x表超差運行。
三、蒸汽計量目前還存在的問(wèn)題
1、由于氬氣流量計的檢定單位太少，造成個(gè)別單位氬氣流量計多年未檢定或根本不知道到哪兒檢定，這樣客觀(guān)造成了蒸汽和熱水計量的不準確，解決的辦法是國家在各地應盡量多建立蒸汽計量檢定站，以利于蒸汽計量?jì)x表的檢定。
2、多年來(lái)，大部分熱力公司對用戶(hù)蒸汽計量?jì)x表采取每日到用戶(hù)檢查，抄表一次的比較被動(dòng)的管理方式，這也是造成個(gè)別用戶(hù)偷汽的主要原因。因而及時(shí)掌握熱用戶(hù)負荷信息和熱工儀表的運行情況，實(shí)現熱網(wǎng)運行的動(dòng)態(tài)跟蹤、監督和集中調度、控制是我們的當務(wù)之急。為了解決這一問(wèn)題，目前，大多數熱力公司采用現代計算機監控制系統技術(shù)來(lái)實(shí)現熱網(wǎng)集中測控和科學(xué)化管理，通過(guò)微機聯(lián)網(wǎng)能及時(shí)發(fā)現問(wèn)題、處理問(wèn)題，保證了蒸汽計量的安全、可靠，并提高了現代化管理程度。