标准节流装置蒸汽流量计量补偿的分析

摘 要：本文针对过热蒸汽的流量计量，对其温度、压力等补偿进行了分析。计算机环节的加入，实现了带温、压补偿的流量检测系统的计算机辅助分析和计算，进一步消除了系统误差，从而将计量精度提高到一个新水平。

关键词：蒸汽流量 温 压补偿 密度计算 微机全参数补偿

1引言

标准节流装置按额定参数设计，因此对测量蒸汽和气体流量而言，当被测流体参数变化时，即流体的温度、压力和流量偏离节流装置的设计点时，流量公式中的流出系数、膨胀系数、流体密度等参数均偏离设计值，因而使节流装置产生附加误差。为了消除该附加误差，应对流量公式中全部参数进行补偿。本文以过热蒸汽流量测量为例，通过误差分析和数据处理获得了一个准确度为0.2%的过热蒸汽密度公式和一个准确度为0.1%的实现除密度外其他各参数补偿的公式，由这两个公式组成一个流量的全补偿公式。

2标准节流装置变工况的误差分析

在设计节流装置时式中流出系数c、膨胀系数ε、开孔比β、节流件孔径d、流体密度ρ和差压Δp由被测流体额定工况下的温度t、压力p和流量q等因素确定。对于蒸汽和气体流量测量，当流体参数变化时，上述c、ε、β、d、ρ和Δp均偏离设计值，使节流装置产生附加误差，其中密度ρ的影响最大。由于气体的可压缩性，决定了它的流量测量比液体复杂，仪表的输出信号除了与输入信号有关，还与气体密度有关，而气体的密度又是温度和压力（简称温压）的函数。所以，气体的流量测量普遍存在温压补偿问题。

但水蒸汽不是理想气体，其密度不宜简单地用理想气体状态方程来表示，当温度压力变化范围较大时，用式（4）的公式计算补偿会引入较大误差，而使用IFC1967公式又过于复杂（见附录）。建议使用分段的多项式密度补偿公式，公式的形式如下：

式中b0、b1、b2、b3――由分段区域所决定的系数。例如当过热蒸汽参数变化范围为t＝300～550℃，p＝2～17.5MPa和过热度大于50℃时，将参数分成6个区，可使式(2)最大误差为0.2%。下面仅列出其中一个区的系数值：当t＝420～550℃，p=7～14MPa时，b0＝4.4661×10-4，b1＝4.43838×10-4，b2＝0.136672，b3＝-884.031。这样可使因密度变化产生的流量附加误差降到0.1%(不含变送器误差)。

当运行参数偏离设计值时，系数K随之改变，如果将K作为常数，则产生流量的附加误差。举例说明附加误差的变化规律：某机组过热蒸汽流量用长径喷嘴测量，其主要设计值如下：t＝540℃、p＝16.773MPa，常用流量q＝142.5kg/s，管道内径Dt＝281.15mm，开孔比βt＝0.75168，常用差压Δp＝0.11405MPa，当实际运行参数t、p和q变化时，取密度ρ为准确值，可算出如图1～3所示仅因系数K变化产生的流量附加误差δq/q，其中最大误差达6%。由此可见，须对系数K进行关于t、p和Δp(即q)的补偿。选取适当的补偿公式可使K的附加误差下降到0.1%左右。这样，全补偿流量公式可写成

式中fK(t，p，Δp)――系数K关于t、p和Δp的补偿公式。

因此，全补偿流量公式的最大附加误差仅为0.2%。这大大提高了节流装置在大量程和非设计工况条件下测量流量的准确度。

3补偿系数K数学模型的选择

通过分析计算表明，当温度和压力在设计值T。和P。的基础上变化20％，ReD变化60％时，如果我们只补偿密度变化的影响，那么，即使密度变化可能引入的误差为零，即认为已实现了对密度的完全补偿，其它各余留参数变化累加后的最大误差仍可达6％左右。其中，ε引入的误差最为明显。对于常规仪表来说，这些余留误差没有可能得到补偿。而对于微机补偿系统来说，补偿这些余留参数的变化已成为可能。首先分析一下系数K与运行参数t、p和Δp的关系。按照上例式(3)中c和ε分别为

式(6)中雷诺数

上面三式中蒸汽的粘度μ和等熵指数κ均为t和p的函数，且函数关系复杂。若按通常含迭代计算的流量计算方法来求补偿式K＝fK(t，p，Δp)，计算过于复杂，不宜用于实时计算。然而当允许K有0.1%左右的误差时，K的计算可简化。为此，从上述实例取三个工况(表1)进行分析。表1表示了当t、p、Δp分别变化-1%时，产生ε、c和d2/1-β4的相对变化量。由表1和图1～3的数据分析表明，补偿式fK(t，p，Δp)的数学模型可取为

式中a0、a1和a2――由节流件形式、尺寸、流体性质及其t、p、q变化范围所确定的系数。

虽然这一数学模型仅来源于一个实例。但从节流装置的工作原理以及可压缩性流体的性质来看，这一形式简单的数学模型有代表性。各种形式和尺寸的标准节流装置对于可压缩性流体，系数K的补偿式均可采用这一数学模型，仅仅是其中系数ai有所不同。根据上述实例计算得ai如下：a0＝5.85811×10-2，a1＝2.19694×10-6，a2＝-5.49141×10-2。经验算，式(9)的精度达0.1%，这已能满足工业应用的要求。如果增加式(12)的复杂程度，K的精度还可以提高一些，但其实际意义不大。

4全补偿流量公式的应用

由于全补偿流量公式大幅度提高了节流装置在变工况下测量流量的准确度，这可使节流装置的量程比由4∶1扩大到8∶1。

上述全补偿的流量公式形式简单、补偿范围大、准确度高，这为变工况的蒸汽和气体流量进行在线和实时测量提供了便利。节流装置的全补偿可应用于下列两个场合：

(1)计算机网络。利用大型设备上原有的监控用的计算机网络，其中无需增加任何硬件设备的投资，仅利用现成的节流装置和温度、压力、差压变送器输出的信号。具体操作可通过网络工作站调出t、p和Δp信号，根据全补偿公式将这三个信号进行重新组态或编程，计算机网络即可在线、实时给出经全补偿的高准确度的被测流量值。

(2)全补偿微机化流量仪。对于无计算机监控的设备，或者具有计算机还需另外增加流量监视手段，可设计制造出带单片机的全补偿流量表。并且还可以进行多通道和多参数测量，即可构成带单片机的全补偿多功能流量巡测仪。

参考文献：

[1]. 孙淮清. 蒸汽技术高级研讨班讲义.北京：2002.5

[2]. 孙淮清，王建中. 流量测量节流装置设计手册.北京:化学工业出版社，2000.6

[3]. 蔡武昌，孙淮清. 流量测量方法和仪表的选用.北京:化学工业出版社，2001.4

[4]. 苏彦勋，盛健. 流量计量与测试. 北京:中国计量出版社，1993.1

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