蒸汽流量计的工作原理与仪表系数K的影响因素和变化规律

摘要: 文章阐述了蒸汽流量计在集中供热的园区企业能源计量中的应用，通过分析蒸汽流量计的工作原理，总结蒸汽流量计在不同介质的流体使用特性，重点阐述了在气体和蒸汽流量测量中注意事项。
嘉兴港区化工园区在构建“外供蒸汽→冷凝水回用→脱盐水→锅炉给水”能源循环利用产业链的发展过程中，能源计量发挥了积*作用，在中低压蒸汽外供系统 ( 0. 8、1. 3、2. 5、3. 5 MPa蒸汽) 、水资源回用系统 ( 冷凝水、脱盐水) 和集中供气系统 ( 压缩空气、氮气和氧气) 的流量测量中广泛采用了蒸汽流量计，为贸易结算提供了正确可靠的能源计量数据，创造了嘉兴港区化工园区企业群 “共生共赢”良好局面，取得了良好的经济效益和社会效益。
1 蒸汽流量计的工作原理
蒸汽流量计利用“卡门涡街”原理。在流体中安放旋涡发生体，流体在旋涡发生体的下游两侧交替地分离出两列有规律的交错排列的旋涡，在一定雷诺数范围内，该旋涡频率与旋涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关，旋涡的频率正比于流量，其结构原理如图 1 所示。

式中: f 为旋涡频率，Hz; S t 为斯特劳哈尔数; v 1
为发生体两侧的平均流速，m/s; d 为发生体迎流面的宽度，m; v 为管道平均流速，m/s; m 为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。

式中: D 为管道内径，m; K 为蒸汽流量计的仪表系数; Ｒ i 为瞬时流量单位时间校正系数;若 K 系数单位是脉冲/升; q v 单位是 m 3 /h，则 Ｒ i =3. 6。从式 ( 3) 可见，对于不可压缩流体，表征蒸汽流量计特性的仪表系数 K 与斯特劳哈尔数 S t 有关，与漩涡发生体 ( m，d) 、管道的几何尺寸( D) 有关。
对于可压缩流体由连续性方程可推导得到 v 1与管道平均流速 v 的关系为:

v 1 和 v 关系不仅与 m 相关，还和被测介质的等熵指数 Ｋ、压力 p 1 、密度 ρ 1 相关。被测介质的流量是由管道平均流速 v 所反映出来，而蒸汽流量计所检测到的旋涡所表示的流速是旋涡发生体两侧的平均流速 v 1 ，对由于流体的压缩性所引起的v 1 的差异性说明蒸汽流量计在气体 ( 蒸汽) 测量中流速 ≥35 m/s 时，测量准确度等级会降低0. 5%。下面重点分析在各种不同流体介质条件下K 的影响因素和变化规律。
2 蒸汽流量计仪表系数 K 的影响因素和变化规律
2. 1 管道雷诺数的影响
就多数蒸汽流量计而言，管道雷诺数 Ｒ eD 在2 ×10 4 ～ 7 × 10 6 范围内，斯特劳哈尔数 S t 可看做常数，在此区间可保证测量精度。斯特劳哈尔数S t 是蒸汽流量计的重要系数。如图 2 所示，曲线S t ≈0. 17 时，旋涡频率与流速成正比。

2. 2 温度的影响
从式 ( 3) 中可以看出，温度对蒸汽流量计 K系数计量特性的影响主要有如下 3 个因素: D、m、d，在不同流体介质条件下，机械结构尺寸的变化主要是由于温度的变化带来的热胀冷缩引起，对图 1 所示发生体，得到 m 的计算公式为:



由此计算分析可以看出，随着介质温度升高或降低，蒸汽流量计机械结构因热胀冷缩 ( D、m、d) 尺寸发生变化，引起仪表系数 K t 随之变化，因此，蒸汽流量计使用时一定要重视 “工况状态下的温度设定”这个参数设置，设定温度越接近测量介质的温度，测量误差越小。
2. 3 气体 (蒸汽) 压缩性引起的影响
水为不可压缩流体，可按照式 ( 1) 计算得到介质为水时发生体两侧的平均流速 v 1w 。空气和蒸汽为可压缩流体，由式 ( 5) 可得到工况下的介质为空气和蒸汽时发生体两侧的平均流速 v 1a 、v 1s 与v 1w 比较，可计算分析得到由于介质的可压缩性带来的测量误差。
实验条件下空气、蒸汽、水为测试流体介质时，各测试条件参数如表 2 所示。

将上述参数带入式 ( 4) 中，采用 matlab 对公式进行分析计算，得到 v 1w 、v 1a 、v 1s 随 v 变化的数值，如表 3 所示。

表3 的后2 列分别表示了空气、蒸汽由于可压缩性而引入的计量偏差，由计算数据可以得出，相同管道平均流速 v 的条件下，可压缩介质发生体两侧的流速均比不可压缩流体的流速 v 1 大，并且随 v 的增大，引起的差值增大，v 1 的相对偏差也越来越大，在流速为 50 m/s 时由于介质的可压缩性可引起接近 0. 5%的偏差，这也是大多数的蒸汽流量计在选型资料中提到的蒸汽流量计在气体 ( 蒸汽)流量测量中准确度等级是 1. 5 级，而在液体中准确度等级能达到 1. 0 级的原因，也有蒸汽流量计的选型样本中明确气体 ( 蒸汽) 流量测量中在流速低于 35 m/s 时准确度等级是 1. 0 级，在流速高于 35 m/s 到允许的好大流速测量范围内准确度等级是 1. 5 级，因此在蒸汽流量测量应用中，常用流量的流速在 ( 20 m/s≤v≤35 m/s) 范围内是比较合理的。
2. 4 蒸汽流量计在不同介质流量测量中的注意事项
通过上述蒸汽流量计的测量原理和影响因素进行全面的分析，蒸汽流量计在不同介质流量测量中的共性、差异性及安装应用注意事项如表4 所示。

3 蒸汽流量计选型的计算举例
某一单位有一蒸汽计量，介质为过热蒸汽，管道: 325 × 10，管道材质 15CrMo。设计压力:3. 7 MPa( G) ，设计温度: 400 ℃，设计密度 ρ =12. 912 5 kg/m 3 ，操作动力粘度 η = 0. 024 79 cP，好大流量 80 000 kg/h，常用流量: 60 000 kg/h，好小流量 10 000 kg/h。在选择蒸汽流量计口径时，必须满足条件:雷诺数在 2 × 10 4 ～ 7 × 10 6 的范围内，选择了雷诺数就确定了流速。选型经过如下。
3. 1 蒸汽流量计的口径选择
根据公式：

计算得到流速，若蒸汽流量计的说明书提供口径和标准值 ( K 系数和标称脉冲频率 f 标称 = f/v) ，还可以计算得到相应流速下的旋涡频率 f。
计算得到 DN200 ～ DN300 口径的蒸汽流量计可保证精度的流量范围，流速与流量的对应关系如表 5 所示。
从表 5 可以看出，采用口径为 DN250 蒸汽流量计常用流量下的流速为 30. 87 m/s，好小流速和好大流量时的流速也是满足要求的，因此该管道蒸汽测量采用 DN250、高温型、分离型蒸汽流量计是比较合理的。
3. 2 选定口径下的好大流量和好小流量时雷诺数



式中: q m 为工作状态下的质量流量，kg/h;D 为蒸汽流量计内径，mm; η 为工作条件下的粘度，MPa( cP) 。
雷诺数满足蒸汽流量计规定的范围。因此，口径选用 DN250 是适合的。
4 温度压力补偿
由于蒸汽流量计属于速度式流量计，流体流量测量所得的是工作状态下的体积流量，而蒸汽贸易结算通常采用质量流量，气体贸易结算通常采用标准状态体积流量，因此需要采用温压补偿测得温度和压力输入 DCS 或流量结算仪得到补偿系数，温压补偿后获得质量流量或标准状态体积流量。
5 检定校准
贸易结算的蒸汽流量计依法定期送**法定计量机构进行强制检定，按 JJG 1029-2007 《蒸汽流量计》检定规程要求，检定周期一般不超过 2年。与蒸汽流量计配套的流量积算仪按 JJG 1003-2016 《流量积算仪》检定规程要求，检定周期一般不超过 1 年。
6 结束语
通过全面考虑影响蒸汽流量计测量精度的所有因素，正确选型、合理安装和使用，选好仪表，用好仪表，充分发挥蒸汽流量计的优点，为园区企业间的贸易结算提供准确可靠的能源计量数据，从而不断提高能源计量和能源管理水平。