差壓式流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中的若干問題及解決方法探討

    一、差壓式流量計(jì)工作原理

    差壓式流量計(jì)是根據(jù)GB/T2624-1993《流量測量節(jié)流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量》生產(chǎn)和使用的，其原理公式為：

    式中：

    q_m——質(zhì)量流量，kg/s；
    C ——流出系數(shù)；
    β ——直徑比，β=d/D；
    ε ——可膨脹性系數(shù)；
    d ——節(jié)流件開孔直徑，mm；
    ρ ——節(jié)流件上游流體密度，kg/m3；
    ΔP——流體流經(jīng)節(jié)流件產(chǎn)生的差壓，kPa。

    二、蒸汽計(jì)量中存在的問題

    流量計(jì)量儀表品種很多，雖然技術(shù)上較為成熟，但在蒸汽測量尤其是貿(mào)易結(jié)算蒸汽計(jì)量中常發(fā)生爭端。差壓式流量計(jì)在使用中常見以下問題：

    1.量程

    差壓節(jié)流式流量計(jì)有一個(gè)測量范圍，超出測量范圍儀表就無法正常工作，或者準(zhǔn)確度嚴(yán)重超差，尤其是傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)量程比只有3∶1。

    2.脈動(dòng)流和小流量問題

    許多用戶使用蒸汽時(shí)是間斷使用的，用汽時(shí)閥門全開，不用時(shí)閥門全關(guān)或保留不能使儀表計(jì)量的小流量，導(dǎo)致流量計(jì)不能正常工作。

    3.防盜問題

    三、解決方案分析

    解決蒸汽計(jì)量中存在的問題，不僅應(yīng)從技術(shù)上，更重要的是應(yīng)從管理上進(jìn)行完善，兩者有效結(jié)合，才能達(dá)到理想效果。

    1.寬量程問題的解決

    在流量儀表的設(shè)計(jì)制造中，由于技術(shù)條件的限制無法完全實(shí)現(xiàn)式(1)中的全部計(jì)算，式(1)中C和ε是一個(gè)非線性的變量，而接取壓孔板的C值計(jì)算如下：

    這里，R_eD為管道雷諾數(shù)，其計(jì)算公式為：

    式中：

    μ——流體動(dòng)力黏度，Pa·s；
    D——管道內(nèi)徑，mm。

    當(dāng)介質(zhì)為可壓縮流體時(shí)，計(jì)算可膨脹性系數(shù)的公式為：

    式中：

    k——流體的等熵指數(shù)；
    P——節(jié)流件上游的絕對靜壓，Pa。

    式中：

    d20、D20——20℃時(shí)的節(jié)流件開孔直徑和管道內(nèi)徑，mm；λd、λD——節(jié)流件和管道材質(zhì)的線膨脹系數(shù)。

    C和ε隨ΔP(ReD)變化的曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 C隨ΔP(R_eD)變化的曲線

圖2 ε 隨ΔP(R_eD)變化的曲線

    傳統(tǒng)儀表難以實(shí)現(xiàn)多變量非線性的在線補(bǔ)償計(jì)算，所以將式(1)簡化為：

    將簡化為常數(shù)K后，為確保儀表計(jì)量準(zhǔn)確度，所以差壓式流量計(jì)限定流量比為3∶1。

    隨著智能技術(shù)的發(fā)展這種限定已經(jīng)沒有必要了，可通過單片機(jī)固化程序解決C和ε的變化問題，下面介紹三種解決方法：

    (1)分割法

    C和ε的計(jì)算過程十分復(fù)雜，考慮到儀表的成本，所以常用的計(jì)算方法為“分割法”，即將C和ε曲線分割成數(shù)段，不同的差壓段取不同的值，這種方法實(shí)現(xiàn)了量程的擴(kuò)展并保證了計(jì)量儀表的基本準(zhǔn)確度，但在兩段間卻有一個(gè)跳變。

    (2)分段插值法

    為解決跳變問題，我們采用10段“分段插值法”，即將C和ε曲線取10個(gè)點(diǎn)，采用插值法逼近。下面以5段為例(分段越多越精確)說明分割法和分段插值法的準(zhǔn)確度區(qū)別：

    查表得：

    ΔP=101200Pa時(shí)，C1=0.60286、ε1=0.95129；

    ΔP=82944Pa時(shí)，C2=0.60289、ε2=0.96054；

    ΔP=65535Pa時(shí)，C3=0.60293、ε3=0.96883。

    采用分割法的誤差為：

    采用分段插值法(5段)的誤差為：

    可見，分割法不僅有跳變問題，準(zhǔn)確度也不樂觀，而5段“分段插值法”已經(jīng)達(dá)到了準(zhǔn)確度要求，10段“分段插值法”誤差則小于0.01%。

    (3)逐點(diǎn)計(jì)算法

    逐點(diǎn)計(jì)算法就是隨著ΔP的變化逐點(diǎn)計(jì)算C和ε，這種方法準(zhǔn)確度高，理論計(jì)算誤差接近于零，但運(yùn)算過程復(fù)雜，儀表設(shè)計(jì)成本高，一般用于大宗、高價(jià)值貿(mào)易結(jié)算。

    2.脈動(dòng)流和小流量問題

    “點(diǎn)滴使用”的情況普遍存在于水計(jì)量和蒸汽計(jì)量，部分用戶有意將流量控制在儀表不能啟動(dòng)的小流量段，并長期使用；“超流速使用”是瞬間將流量開至最大，超出了流量計(jì)的正常工作范圍，導(dǎo)致流量計(jì)對超出部分無法正常計(jì)量，給供熱方造成經(jīng)濟(jì)損失。以上兩種現(xiàn)象可采用相關(guān)技術(shù)在流量積算儀上增加上下限替代值或記錄超限時(shí)間解決，但需要供需雙方共同認(rèn)可，簽訂相應(yīng)的合同或協(xié)議。

    3.防盜問題

    差壓、壓力的信號為(4~20)mA，溫度的對應(yīng)阻值為(80~200)Ω，這就為線路的監(jiān)控提供了依據(jù)，一旦不符合上述指示就證明變送器電路出現(xiàn)故障，并報(bào)警和記錄時(shí)間，防止人為破壞，但是需要安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)對所有閥門采用防盜設(shè)計(jì)，開關(guān)必須用專用鑰匙，接線端子須上鎖并鉛封。

    4.停電問題

    傳統(tǒng)管理方式是使用停電計(jì)時(shí)器，記錄停電時(shí)間，事后結(jié)算。這種處理方式存在許多弊端，比如在高、低峰期停電，容易產(chǎn)生糾紛并增大工作量。采用電源管理器形式既能保障提供至少7天的后備電源，又克服了UPS逆變耗能和干擾問題，實(shí)際效果較為理想。

    四、小結(jié)

    對于蒸汽計(jì)量，有了完善的計(jì)量產(chǎn)品僅僅是具備了一個(gè)流量測量手段，要得到相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和調(diào)整，同時(shí)相應(yīng)的管理體系也是保證流量計(jì)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。