0 引言

    目前，國(guó)內(nèi)外用于水蒸汽流量測(cè)量的儀表主要包括：孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和彎管流量計(jì)等儀表。其中，孔板差壓式流量計(jì)是國(guó)內(nèi)外最早得以研究、試驗(yàn)數(shù)據(jù)最為完善、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)最為豐富、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的流量計(jì)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、性能比較穩(wěn)定、使用壽命較長(zhǎng)，且已標(biāo)準(zhǔn)化，因而在工業(yè)上得到了最廣泛的應(yīng)用。孔板流量計(jì)由節(jié)流裝置、一定長(zhǎng)度的直管段、引壓管、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器和流量積算儀等組成，在使用過(guò)程中，盡可能地減小流量測(cè)量誤差，降低水蒸汽損耗，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)具有重要的意義。

    1 孔板工作原理及誤差補(bǔ)償方法

    1.1 孔板式流量計(jì)的工作原理

    孔板式流量計(jì)采用差壓式測(cè)量方法對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，即在管道內(nèi)裝入節(jié)流元件—孔板。當(dāng)水蒸氣流過(guò)孔板時(shí)，流體速度增大，壓力減小，于是在孔板的前后產(chǎn)生差壓，具有一定設(shè)計(jì)尺寸的孔板測(cè)量水蒸氣流量，在保證孔板前后有足夠的直管段等條件下，孔板前后的差壓將隨流量的變化而變化，且二者具有確定的關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量差壓得到水蒸氣的流量。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T2624-93，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，差壓ΔP與流量qm的函數(shù)關(guān)系為：

    式中，qm為質(zhì)量流量，kg/s；C為流出系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；ε為節(jié)流件正端取壓口平面上的氣體膨脹系數(shù)；d為工作條件下節(jié)流件的開(kāi)孔直徑，m；ρ為節(jié)流件入口端流體密度，kg/m³。

    1.2 流出系數(shù)C的補(bǔ)償

    流出系數(shù)C是表征孔板節(jié)流裝置特性的主要參數(shù)，是雷諾數(shù)Re和β的函數(shù)，它是一個(gè)隨流量變化的量，其值隨Re的增大而減小，當(dāng)Re大于一定值趨向無(wú)窮大時(shí)，C趨向于常數(shù)CK，而孔徑比β越大，C的變化幅度也越大，使C趨向于常數(shù)CK的Re也越大，C 與β和Re之間的定量關(guān)系為[1]：

    對(duì)于給定的標(biāo)準(zhǔn)孔板，當(dāng)β為常數(shù)時(shí)，C僅是Re的函數(shù)C=f(Re)，在式（1）中，將C用式（2）而不是一個(gè)常數(shù)來(lái)代替，可提高計(jì)量的精度。

    1.3 水蒸氣膨脹系數(shù)ε的補(bǔ)償

    差壓式流量計(jì)在用來(lái)測(cè)氣體和蒸汽流量時(shí)，流體流過(guò)節(jié)流裝置在節(jié)流件兩邊都要產(chǎn)生一定的差壓，在節(jié)流件的下游靜壓降低，因而出現(xiàn)流束膨脹，流束的這種膨脹使得節(jié)流裝置的輸出（差壓）- 輸入（流量）關(guān)系產(chǎn)生同不可壓縮流體之間的偏差，如果不對(duì)這種偏差進(jìn)行校正，將會(huì)導(dǎo)致流量示值偏高千分之幾到百分之幾，尤其是流量在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，產(chǎn)生的誤差會(huì)更大，更有必要對(duì)其進(jìn)行修正。

    1.4 孔板流量計(jì)變更量程后的修正

    盡管改變差壓變送器的差壓范圍是非常容易的事，但不能只對(duì)差壓范圍做調(diào)整就萬(wàn)事大吉。這是因?yàn)榭装辶髁坑?jì)量程變更后，管道中的常用流速等參數(shù)發(fā)生變化，流出系數(shù)也相應(yīng)有所變化，因此需從已知節(jié)流裝置數(shù)據(jù)（從節(jié)流裝置計(jì)算書(shū)查得）和其他有關(guān)流量數(shù)據(jù)（如：變更后的流量上限、常用流量）計(jì)算出新的差壓上限。實(shí)踐證明，若量程縮小后，C和ε均增大，相應(yīng)的質(zhì)量流量會(huì)偏大。

    1.5 密度ρ的補(bǔ)償

    在其他參數(shù)不變的情況下，qm與ρ之間的關(guān)系為：

    可以看出，水蒸氣的流量與其密度的平方根成正比關(guān)系。水蒸氣是可壓縮性氣體，當(dāng)其壓力、溫度變化時(shí)，其密度將發(fā)生明顯變化，這將引起流量很大的誤差。因?qū)嶋H流體狀態(tài)（壓力、溫度）與流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)的狀態(tài)（ 壓力、溫度）偏離造成的相對(duì)誤差可由下式表示：

    假如設(shè)計(jì)孔板流量計(jì)時(shí)是按照1MPa,285℃所對(duì)應(yīng)的過(guò)熱水蒸氣密度ρ=4.374kg/m³設(shè)計(jì)的，則密度的變化造成的測(cè)量誤差可能很大，壓力大，溫度低時(shí)，測(cè)量值偏大；壓力低，溫度高時(shí)，測(cè)量值偏小。水蒸氣的實(shí)際狀態(tài)偏離孔板實(shí)際狀態(tài)越嚴(yán)重，所引起的誤差越大。要補(bǔ)償密度變化所引起的這種誤差，就不能將式（1）中的ρ以設(shè)計(jì)工況下的密度來(lái)代入，需要將ρ看作壓力和溫度的函數(shù)，即ρ=f(P，t）。這也就是一般智能流量積算儀均要對(duì)過(guò)熱蒸汽進(jìn)行壓力溫度補(bǔ)償?shù)脑颉?/p>

    1.6 孔板內(nèi)徑d和管徑D的誤差補(bǔ)償

    測(cè)量水蒸氣流量時(shí)，如果設(shè)計(jì)工況為200℃，孔板內(nèi)徑為d，則孔板內(nèi)徑在實(shí)際工作狀態(tài)下的修正公式為：

    式中，λ為孔板材料的線膨脹系數(shù)，1/℃。在其他參數(shù)不變的情況下，q_m與d的關(guān)系為：

    q_m=kd²

    式中，k為一常數(shù)，則qm的相對(duì)誤差為：

    若孔板材料為1Cr18Ni9Ti，孔板工作的溫度范圍為（200±10）℃，將式（4）代入式（5）中得：

    實(shí)際上d和D偏離設(shè)計(jì)值造成的后果就是流量測(cè)量系統(tǒng)的滿度值發(fā)生了變化，如果將d和D的實(shí)際值測(cè)量出來(lái)，代入公式計(jì)算出與此實(shí)際值相對(duì)應(yīng)的流量滿度值，然后用新的滿度值代替原設(shè)計(jì)值，置入流量顯示儀表，則系統(tǒng)運(yùn)行后，尺寸誤差對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響就能得到完全的校正，這也就是每臺(tái)流量計(jì)在投入使用前進(jìn)行修正計(jì)算的主要工作。

    2 常見(jiàn)誤差原因分析

    2.1 實(shí)際工作狀態(tài)引起的誤差

    標(biāo)準(zhǔn)孔板是按照特定的已知條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但在工作過(guò)程中，被測(cè)量介質(zhì)的各種參數(shù)（如溫度、密度、壓力、粘度等）與標(biāo)準(zhǔn)孔板的額定數(shù)值有所不同。如在常溫附近時(shí)，若被測(cè)量介質(zhì)為蒸汽，溫度每變化10℃，蒸汽的密度則變化3%左右；在1個(gè)大氣壓下，被測(cè)蒸汽壓力每變化10Pa，密度則變化10%左右。所以在用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量蒸汽時(shí)，必須考慮蒸汽溫度和壓力的變化，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

    2.2 安裝不正確引起的誤差

    對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板，為了保證被測(cè)量介質(zhì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)孔板一定要按規(guī)定要求進(jìn)行正確安裝，否則將會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差。

    （1）孔板的銳面應(yīng)迎著流體的方向，以確保孔板的方向安裝正確。
    （2）孔板的前端面與管段軸線應(yīng)保證垂直，最大傾斜度應(yīng)小于1º。
    （3）若工作環(huán)境的測(cè)量精度要求較高，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，建議標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的直管段盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直管段，然后再與主管道聯(lián)接。
    （4）新安裝的管道在安裝孔板前，應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行沖洗和掃線操作，從而避免掃線時(shí)損傷孔板的銳面，管道內(nèi)的雜物在孔板前后堆積，也會(huì)降低測(cè)量的準(zhǔn)確度。
    （5）孔板在使用過(guò)程中，由于受被測(cè)量介質(zhì)溫度的影響，其自身會(huì)產(chǎn)生線膨脹，為了保證其端面的平面度和對(duì)軸線垂直度，在安裝過(guò)程中，要考慮其工作過(guò)程時(shí)的自由伸縮性。
    （6）孔板的密封墊片不能伸入管道中，應(yīng)盡量薄，一般厚度應(yīng)小于0.03D。

    2.3 孔板入口邊緣磨損引起的誤差

    標(biāo)準(zhǔn)孔板在使用過(guò)程中，被測(cè)量介質(zhì)對(duì)孔板的沖刷腐蝕，往往會(huì)造成測(cè)量裝置的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生不同程度的變化。長(zhǎng)期使用后，孔板邊緣的銳角會(huì)變鈍，在相同體積的被測(cè)量介質(zhì)經(jīng)過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的壓差ΔP將變小，標(biāo)準(zhǔn)孔板的示值會(huì)偏低，從而引起測(cè)量誤差，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)定期對(duì)孔板進(jìn)行校驗(yàn)、清洗，以減小對(duì)孔板的沖蝕和污物堆積。

    2.4 引壓管路安裝不當(dāng)引起的測(cè)量誤差

    引壓管路應(yīng)垂直或傾斜安裝，其傾斜度應(yīng)大于1:12，在引壓管路的安裝過(guò)程中，應(yīng)保證彎曲處圓滑過(guò)渡，彎曲半徑應(yīng)大于引壓管外徑的5倍，在測(cè)量不同的介質(zhì)時(shí)，引壓管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑要符合安裝規(guī)定的要求。

    2.5 引壓管路堵塞引起的測(cè)量誤差

    標(biāo)準(zhǔn)孔板在使用過(guò)程中，要保證其引壓管暢通，避免堵塞，放空閥、三閥組、腰式法蘭、連接件的密封性能應(yīng)保證處于良好狀態(tài)，不能有泄漏。為了減少此類(lèi)誤差，平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管理，提高操作人員的素質(zhì)，在使用過(guò)程中，操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的
檢修、維護(hù)、保養(yǎng)工作，延長(zhǎng)其使用壽命，從而減小測(cè)量誤差的產(chǎn)生。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    使用孔板差壓式流量計(jì)測(cè)量水蒸汽的流量涉及一系列的問(wèn)題，包括檢測(cè)裝置、顯示裝置、前后直管段、輔助設(shè)備等，要保證水蒸汽流量測(cè)量的精確度，必須做到合理選型，正確安裝與調(diào)試，及時(shí)維護(hù)與保養(yǎng)，并對(duì)測(cè)量部分可能引入的誤差進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償和校正。因?yàn)樵谑褂眠^(guò)程中，當(dāng)流量、壓力波動(dòng)較大時(shí)，從流量系數(shù)、流束膨脹系數(shù)引入的系統(tǒng)誤差較大，另外孔板長(zhǎng)期運(yùn)行后銳角會(huì)變鈍、幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)的測(cè)量精度就會(huì)下降，有時(shí)甚至無(wú)法進(jìn)行正常測(cè)量，所以平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管理，盡量減小測(cè)量誤差的產(chǎn)生。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 韓玉蓮 降低水蒸氣流量測(cè)量誤差的應(yīng)用方法研究 ［J］山西建筑，2006,32(16）：147-148