蒸汽重度的变化对孔板式蒸汽流量计测量影响
摘要：目前孔板式蒸汽流量计在使用中经常会出现测量不准确的现象。本文据此从理论上分析可能造成测量误差的原因，并通过定量分析和研究，指出蒸汽重度的变化是引起孔板式蒸汽流量计测量误差的主要原因，并给出了测量相对误差的近似计算公式，供有关企业参考。
1、前言
内蒙古林区某刨花板厂没有自建的锅炉房，生产刨花板所需的蒸汽是靠买当地林业电厂产的高温高压蒸汽，经一段800m的保温管道送至本厂动力站，再经过降温降压进到刨花板热压机，供其热压时使用。刨花板厂和电厂都设有孔板式流量计进行蒸汽的计量，但使用中发现电厂的计量值经常会高于刨花板厂动力站的计量值(经检查，没有发现输送管道有泄漏现象)。为此，刨花板厂和电厂在结算蒸汽费用时经常发生经济纠纷。
与上述情况正好相反，东北林区某纤维板厂锅炉房所产蒸汽不仅自用，而且还出售一部分给邻近的企业，所用的计量仪表仍是孔板式流量计。使用中也发现计量不准确，而且计量值偏小。由于计量值偏小，给本企业带来的经济损失无法让买方企业给予补偿。
为此，本文对孔板式蒸汽流量计所出现的计量问题进行了研究，分析了造成计量不准确的原因，并对计量的相对误差进行近似的计算。
2、孔板式流量计的工作原理及其安装使用
孔板式流量计是属于节流变压降式流量计，其工作原理简单地说就是采用差压式测量方法，即在管道内装入一个节流元件一孔板，当流体流过孔板时，流体流束发生收缩，于是在孔板的前后产生差压。对具有一定形状和一定尺寸的孔板、一定的测压位置和一定参数的流体，在保证孔板的前后有足够的直管段等条件下，孔板前后所产生的差压值将随流量变化而变化，而且两者有确定的关系。因此可通过测量差压，得到流体流量。
工程上，孔板式流量计的流量q和孔板前后的差压△P有下面的关系式：
式中 q一流体流量，m³/h；
a一孔板式流量计的流量系数，由实验确定；
ε一流体膨胀系数，当流体为不可压缩性流体时ε=l；
dt、Dt一孔板孔径和管道内径在所测流体温度t下的尺寸，mm；
β一在流体温度t下的孔板孔径与管道内径之比，β=dt/Dt；
△p一孔板前后的差压，kgf/cm²；
γ1一流体节流前的重度，kgf/m³。
孔板式流量计主要由孔板、差压信号传输管路和差压计等三个部分组成。在安装使用中，应保证孔板与管道同心，且应与管道轴线直，偏差不得超过±1°；孔板的前后应有足够的直管段；孔板上游8D(D为管道的内径)内的管道内壁圆度误差应小于±0.3％，孔板下游5D内的圆度误差应小于±2％；对于差压信号传输管路，首先应保证无泄漏，其次应对称、平行敷设，且应按最短距离敷设，一般总长度不得超过50m；两差压信号管敷设时的弯曲半径应不小于信号管直径的lO倍；与差压计相连接的两盖压信号管还应保证在水平位置上的高度相一致。
3、造成孔板式流量计测量误差的原因
由于孔板式流量计的组成较之其它仪表要复杂，且它的测量特点又与别的仪表不同，其测量的准确性不仅取决于仪表本身的精度，而且还与测量管道和管路内流体的流动状况有关，特别是流体流动状况对测量精度影响较大．所以造成孔板式流量计测量误差的原因较多．通常有下列一些原因。
(1)流量计本身误差
因流量计本身原因所能造成的测量不准确性通常出现在下列情况下：
①孔板式流量计使用时间过长，造成孔板入口边缘变钝；
②使用了非标准的孔板，由于制造原因没能保证其精度，或因试验数据少投能获得准确的流量系数；
③显示仪表零点不对，投有及时进行调整。
在这些原因中，第一种情况特别容易出现，使用单位应对其引起特别的注意。孔板式流量计在长时间使用以后，由于流体的高速冲刷，孔板入口边缘会变钝，这会影响到测量的准确性。所以，孔板式流量计一般在连续使用一年后，应送生产厂家或计量检验机构进行标定；有困难的，最起码应在锅炉大修时，拆卸孔板，检查孔板的入口边缘是否尖锐。对已明显变钝的孔板，应进行更换。否则无法估计由此带来的测量误差，在选择孔板时，应首选标准孔板，非特殊情况应尽量避免向生产厂家定购非标准孔板。在停炉或锅炉检修时，亦应注意检查显示仪表的零点是否正确。
(2)流量计安装使用不当
在安装孔板时，除了要注意孔板应与管道同心、垂直和其前后管道内壁圆度等应满足要求以外，还应特别注意：
①孔板的前后是西保证有足够的直管段；
②安装孔板法兰时，所用的垫片是否会突起；
③压力信号管路是否有泄漏，两个信号管安装的水平位置是否一致。
由于孔板式流量计的测量准确性与流体的流动状态有很大的关系，它要求流体在流经孔板前的流动状态应达到层流或紊流；流体流束与管道轴线应平，不得有旋转流。所以，对孔板式流量计前后直管段的要求，一般要比其它类型的流量计严格很多，通常至少应保证孔板上游有(10～l5)D、下游有(5～10)D的直管段。对于检掺或更换孔板时，则应注意法兰垫片问题。如果垫片凸入管道内，那么由其引起的误差亦将无法估计，而且通常是很大的．平时在检查和维护设备时，还应注意压力信号管路有无损伤，特别是接头处有无松动，防止压力信号管路泄漏，影响差压的测量。在安装信号管时，应注意两个信号管的水平位置一致，否则将引起一定的附加差压，造成流量计的计量误差。
在生产实际中，如果注意了上述这些因素，则由其造成流量计的测量误差通常是可以避免的。如果孔扳式溉量计的安装是专业施工人员进行，而且在平时检修或设备大修更换部件时加以注意，那么出现这些误差的可能性就更小了。实际上，除了上面讨论的这些因素外，最容易引起现场操作和订购孔板式蒸汽流量计人员忽视的却是流体重度的影响。因流体重度变化所造成的测量误差往往是较大的。
4、流体重度的变化是造成测量误差的主要原因
蒸汽是属于可压缩性流体，当其压力变化时，其重度亦将发生变化，通过流量计算公式
(1)可以知道孔板式流量计的流量与流体重度有着很密切的关系，当其它条件不变的情况下，若流体重度发生变化，则流体流量将与流体重度的平方根成反比例变化。
在实际中，一般很难保证蒸汽的压力始终保持不变，亦即重度常会发生变化，而孔板式流量计中的测量准确性除与其安装使用有关外，还与其设计参数有直接的关系。当实际流体重度与设计流量计所采用的流体重度不一致时，则将会带来流量测量误差，这是因为孔板式流量计一旦设计完成，一般其显示值(即显示仪表的分度值)只与孔板前后差压有关，但这一显示分度值是在某一确定的流体重度(设计时所用的某一设计压力下的流体重度，常称为设计重度γ)下进行分度的，所以，在实际测量中；如果孔板前后的差压不变，但若蒸汽压力发生变化造成重度变化，那么虽然孔板式流量计的显示值不变(若差压没变)，但实际流量却会因重度变化而发生变化，这时显然会出现流量测量误差，试举例说明。
某术材加工厂的锅炉房需要测量饱和蒸汽流量，选用的是标准孔板，配CWD一282双波纹管差压计显示流量。订购时向某仪表厂提供需要计量的饱和蒸汽参数为：蒸汽流量qmin=4t/h、qmax=8t/h，平均绝对压力P设=lOkgf/cm²。设备到货后，按产品说明书进行了安装，但随后使用中发现流量计经常出现较大的测量误差，经标定最大误差达到-31％，现场检查后，除发现因生产原因造成实际蒸汽压办会在3～9kgf/cm²范围内波动(正常时压力为P实=5kgf/cm²)外，没有发现流量计在安装和使用上有何不当，是什么原因造成流量计计量不准确，一直困扰着现场操作人员。
通常仪表厂是根据用户提供的流量和压力参数，来设计生产孔板式流量计，查有关的热工手册或资料，可知：P=10kgf/cm²的饱和蒸汽所对应的重度为5.139kgf/m³，此重度即为设计重度γ设；P实=5kgf/cm²对应的重度为2.669kgf/m³，此重度为实际流体重度γ实。根据孔板式流量计的流量公式(1)得：
孔板设计的指示流量
实际计量流量
如果忽略其它因索影响，只讨论因重度的影响所造成的误差，那么可认为△p实=△p设，a≈a，ε≈ε，d1≈d1，这时因实际蒸汽压力与流量计设计时所用压力不符引起重度不符所造成的测量相对误差r为：
如果还考虑a、ε、d1的影响，那么计量的相对误差还会进一步增大，这一计算值接近于此流量计的最大误差。
通过上面的计算，可以得出两个结论：
(1)因蒸汽重度的变化所造成的测量误差可能是很大的，蒸汽的实际压力偏离孔板流量计设计压力越严重，所引起的误差就越大；
(2)一般情况下，误差是负值，即流量计显示的流量偏小于实际流量，这是因为孔板流量计设计压力常会高于蒸汽的实际压力。显然，若实际压力大于设计压力，则计量值偏大，这时的误差是正的；当然实际测量时的误差不会始终这么大；随着蒸汽的实际压力接近设计压力，误差就会变小。上例中的流量计之所以会出现这么大的误差，主要原因就是实际的蒸汽压力偏离设计压力值太大，使得蒸汽重度变化的影响增大所造成的，这也提醒用户，在订购孔饭式蒸汽流量计时，所提供的蒸汽参数(特别是压力参数)一定要接近于实际蒸汽参数。
总之，企业在选择孔板式蒸汽流量计时，一定要根据实际的蒸汽压力来相应选择流量计的额定压力。如果需要考虑压力的富裕量，也不能偏离太多，否则将会带来较大的计量误差，在设备经费较充足时，应优先考虑选择具有温度和压力补偿的蒸汽流量计，这可以在一定程度上消除因压力或温度(对过热蒸汽，温度也会影响重度)变化引起重度变化所带来的测量误差。