在过热和饱和蒸汽流量检测中温压补偿的方法

摘要：蒸汽流量检测在工业生产过程中较为常见，随着蒸汽流量检测精度要求的提高温度压力补偿尤为重要。通过分析涡街流量计用于蒸汽流量测量的原理提出涡街流量计在饱和蒸汽和过热蒸汽流量检测中的温度和压力补偿的方法，为工程设计、实际应用提供参考。
1、引言
涡街流量计在蒸汽流量检测领域的应用越来越广泛；但是蒸汽流量计检测值为蒸汽的体积流量。工业过程往往要求测量其质量流量，饱和蒸汽和过热蒸汽在计算质量流量的过程中需要补偿计算。本文分别对饱和蒸汽和过热蒸汽的补偿原理进行说明，并根据工程实际应用列举出补偿的方法。
2、饱和蒸汽和过热蒸汽的区别
水在一定的压力下加热，水的温度随着不断加热而上升，当水温升高到某一温度时，水就开始沸腾，这时水的温度称为沸腾温度。如继续加热，水温保持不变，水即开始汽化，而逐步变为蒸汽。这时蒸汽的温度也就等于饱和温度。这种状态的蒸汽就称为饱和蒸汽。如果把饱和蒸汽继续进行加热，其温度将继续升高，并超过该压力下的饱和温度，这种超过饱和温度的蒸汽就称为过热蒸汽。
水的沸腾温度与其所受压力有关，压力愈大，则沸腾温度也就越高；反之，压力小，则沸腾温度也低。所以对于饱和蒸汽而言，温度与压力存在一一对应关系。而过热蒸汽的温度与压力是两个独立参数，之间不存在直接的关系。
3、涡街流量计用于蒸汽流量的测量
孔板流量计在蒸汽流量的检测中应用由来已久，但是经过几十年的实践总结，孔板流量计存在多方面的缺陷，如孔板流量计安装及日常拆洗维护的工作量较大；由于孔板流量计的压损较大所以运营成本很高；此外孔板流量计还需配合差压计或差压变送器方可测量管道中各种流体的流量。综合考虑以上因素，选择涡街流量计作为蒸汽流量检测仪表更为方便、经济。
涡街流量计自上世纪70年代投放市场以来，深受广大用户欢迎。目前在各领域中得到广泛应用。尤其是在对蒸汽流量检测的应用上，蒸汽流量计正在逐渐取代孔板流量计成为蒸汽流量检测的重要仪表。涡街流量计是根据卡曼涡街原理制成。流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质流速为v，旋涡发生体迎面宽度为d，则有：

其中，s称为斯特拉哈尔数，无量纲，由漩涡发生体的形状决定，在一定的雷诺系数范围内为常数。

通过检测旋涡频率即可计算出流体流速，从而计算出流体的体积流量。目前涡街流量计流量检测的方法有电容检测法、热敏检测法、超声检测法、电磁检测法以及压电检测法等。蒸汽流量计用于流体流量检测具有以下优点：
（1）量程比宽，不受流体温度、压力、成分、粘度及密度的影响；
（2）结构简单，与孔板相比无需配合其它仪表；
（3）压损小，约为孔板流量计的四分之一。
4、涡街流量计用于蒸汽流量测量系统
根据蒸汽流量计的测量原理可知，涡街流量计测量的是流体的体积流量。但是实际中往往要求测量蒸汽的质量流量。根据M=ρ×Q可由体积流量求出质量流量。
对于饱和蒸汽，其密度ρ只与压力有关。对应公式为：
ρ=AP+B
其中：P为饱和蒸汽绝对压力；单位MPa。对于过热蒸汽，其密度和温度、压力均有关系。对应关系为：

其中：P为过热蒸汽绝对压力，单位MPa；T为过热蒸汽温度，单位℃。
因此在检测饱和蒸汽的质量流量时要选择压力或是温度进行补偿；而测量过热蒸汽质量流量时要同时选择压力和温度进行补偿。下面以过热蒸汽质量流量检测为例介绍温度、压力补偿方法。
4.1智能积算仪补偿方法
目前，过热蒸汽质量流量的检测可以使用智能积算仪。智能流量积算仪采用单片机技术，其补偿演算功能可在预先编制好的软件中完成，计算所需要的工况补偿公式、表格数据都存放在积算仪的存储器中，在测量气体蒸汽流量时，可以通过压力、温度值的输人信号进行蒸汽密度的自动补偿。并且智能流量积算仪还可以实现压力、温度值异常时的自动补偿。该功能可以在压力变送器、温度元件及变送器发生故障时，自动转为压力、温度的设计值进行补偿。此外，流量积算仪还具有就地显示、报警以及RS-485通讯等多种功能。智能积算仪补偿原理如图2所示。采用智能积算仪的优点在于方便现场观测蒸汽的流量、压力、温度参数。
对于过热蒸气，在低压区（如小于1MPa）的压缩系数都接近于l。在该区域内，只要温度不是太低，即使不对压缩系数进行修正，也不会引起明显的误差，完全可以满足工程上的要求。但在高压区，则必须考虑压缩系数的影响，否则将会造成明显的误差。而采用智能积算仪补偿的方法不具有对于其压缩系数进行修正的功能，采用DCS模块补偿方法则可以克服以上缺点。
4.2 DCS模块补偿方法
DCS控制系统具有COMPENSATE和EXHSTEAM专用模块，用于对过热蒸汽进行温度、压力补偿。
其中COMPENSATE模块适用于温度为260～800℃，压力（绝压）为0.5～32MPa的工况；而EXHSTEAM模块适用于温度为140～560℃，压力（表压）为98.6777～15898.6777kPa的工况。假设过热蒸汽的设计压力为4MPa（表压），设计温度为400℃；过热蒸汽的实测压力为PI-101：0～6MPa（表压），实测温度为TI-101：0～600℃，流量为FI-101，补偿后的流量为FI_101，经EXHSTEAM过热蒸汽特性计算得出设计密度为13.92817951832kg/m³，则DCS图形化编程如图3所示。

5、结论
涡街流量计在蒸汽测量系统中具有较好的应用前景，而涡街流量计的温度压力补偿系统是提高饱和蒸汽和过热蒸汽测量精度的重要手段，本文列举的两种补偿方法在实际工程应用中具有指导意义。