江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
提高差壓式蒸汽流量計測量精度的探討
引言
目前，上海地區(qū)的供熱公司對蒸汽計量儀表基本上都采用了集中管理的模式，且智能化程度在不斷提高。上海桃浦熱力公司采用江蘇金鼎自動化儀表有限公司的蒸汽計量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)從管道的取樣到控制室的管理，基本上可分為3個部分：即安裝在蒸汽供熱管道上的現(xiàn)場測量儀表（IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀）、熱網(wǎng)監(jiān)控中心的計算機(jī)管理平臺（IAS—智能化熱網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心）以及連接這兩部分的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（IAS-8010D2GPRS———移動適配器）。在這3部分中，對計量儀表精度影響zui大的是IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀，下面僅就此儀表與其他儀表的不同之處作一探討。
熱工計量儀表主要有4大類：溫度、壓力、流量和物位。蒸汽計量，尤其是過熱蒸汽的計量，就涵蓋了前3類。用于貿(mào)易結(jié)算的蒸汽計量儀表和用于其他用途（比如用于過程控制）的蒸汽計量儀表相比，有其特殊性，zui明顯的區(qū)別是：用于貿(mào)易結(jié)算的蒸汽計量儀表的誤差是根據(jù)相對誤差來定義的，而用于過程控制的蒸汽計量儀表的誤差是用引用誤差來定義的，兩者的區(qū)別在量程的起始階段即小量程時表現(xiàn)尤為明顯，顯然，前者的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者。
為了進(jìn)一步完善和改進(jìn)貿(mào)易結(jié)算用蒸汽計量儀的功能、精度和穩(wěn)定性，協(xié)助華明智能儀器有限公司研發(fā)和推廣應(yīng)用了IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀。該流量計是嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T2624-93的要求設(shè)計，集夾持孔板、差壓變送器、壓力變送器、測溫元件、顯示及運算儀表為一體的全動態(tài)補償?shù)亩鄥?shù)差壓式孔板質(zhì)量流量計，該蒸汽流量儀不僅具有上述所敘智能化流量計的全部功能，還具有本身的一些特點，以求改善和提高流量計的精度及穩(wěn)定性。本文僅就這些特點進(jìn)行探討，與其他智能化流量計相同的功能部分就不再涉及。
1 流量測量的全工況動態(tài)補償
根據(jù)能量守恒定律和流動連續(xù)性方程可知，在被測介質(zhì)的輸送管道上安裝一節(jié)流件，流束將在節(jié)流間處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差。根據(jù)介質(zhì)的流速和節(jié)流件上下游兩側(cè)差壓之間的一一對應(yīng)關(guān)系，測出介質(zhì)的流速，然后根據(jù)管徑得出流體流量，再對時間積分得出總量。
根據(jù)國標(biāo)GB/T2624-93，流體的質(zhì)量流量和差壓的關(guān)系由下式確定：
式中：qm為質(zhì)量流量；C為流出系數(shù)；β為直徑比；ε為可膨脹性系數(shù)；d為工況條件下節(jié)流件節(jié)流孔直徑；ΔP為差壓；ρ為流體密度。
然而，迄今為止，絕大多數(shù)的孔板流量計都采用簡化的計算公式來進(jìn)行流量計算，即：
qm=常數(shù)（ΔP×ρ）1/2
在這個被簡化的計算公式中，使用常數(shù)來表達(dá)流出系數(shù)、漸近流束系數(shù)、氣體膨脹系數(shù)、流量系數(shù)等，流體流量只與差壓值和密度有關(guān)。雖然這種方法能滿足測量的一般要求，但是在實際工況下這些系數(shù)都是過程變量函數(shù)，隨工況的變化而變化，這種變化將影響測量的精度，并導(dǎo)致其測量范圍的減小，特別是下限的測量范圍僅為量程的1/3處。因此，傳統(tǒng)的計算方法不能真正表達(dá)流體的實際流量，特別是在較大的流量變化范圍內(nèi)，造成一定的誤差。
為了提高測量精度，實現(xiàn)寬范圍內(nèi)高精度的測量，IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀對流量測量實現(xiàn)全工況動態(tài)補償，對雷諾數(shù)進(jìn)行線性修正，根據(jù)國標(biāo)GB/T2624-93對流量的計算公式的定義，將實際工況下的各類參數(shù)通過測量后進(jìn)行重新計算，然后再代入標(biāo)準(zhǔn)流量計算公式，現(xiàn)場完成被測流體的質(zhì)量流量計算，這種計算方法可以大大提高測量的范圍并能確保一定的精度。
2 溫度補償
在IAS-8660中，從兩方面對溫度作了補償：節(jié)流件節(jié)流孔直徑的溫度補償和差壓變送器的溫度補償。（1）節(jié)流件節(jié)流孔直徑的溫度補償由上所述，在式（1）中，節(jié)流件節(jié)流孔直徑d應(yīng)為工作條件下的數(shù)值，而在孔板的設(shè)計、加工、檢測中，均以常溫狀態(tài)下的數(shù)值為依據(jù)。顯然，與工況條件相比，是有一定誤差的，主要是溫度系數(shù)造成在不同溫度下兩者的直徑有一些不同，在常規(guī)儀表中是忽略這種影響的。但孔板的孔徑對測量的影響是比較大的，為了提高測量精度，就不能忽視這一因數(shù)，而且在計算機(jī)高度發(fā)展的今天，*有可能來解決這一問題。IAS-8660就是利用計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)測得的孔板實際溫度，按照孔板材料的溫度系數(shù)曲線進(jìn)行實時修正，從而進(jìn)一步提高了測量精度。
在公式中，直徑比β（β=d/D）值也受溫度的影響，但由于節(jié)流件的材料和管道的材料具有幾乎相近的溫度系數(shù)曲線，因此β值對溫度變化來說可以認(rèn)為是一常數(shù)，為了適當(dāng)?shù)暮喕\算，此處就不再進(jìn)行修正。
?。?）差壓變送器的溫度補償為了進(jìn)一步提高測量精度，以適應(yīng)不同條件下的使用環(huán)境，IAS-8660還對差壓變送器實現(xiàn)寬溫度補償。
電容式差壓傳感器是由一個可變電容組成的傳感部件，稱之為δ室，δ室是由兩側(cè)的隔離膜片、灌充液和一個張緊的彈性元件———中心膜片組成。它的工作原理是：過程壓力通過傳感組件作用在δ室上，作用在δ室兩側(cè)的壓力差使中心膜片產(chǎn)生相應(yīng)的變形位移，位移量與差壓成正比。這種位移進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動電容，差動電容量和過程差壓的關(guān)系可由下式表達(dá)：
式中：K為常數(shù)；CH為高壓側(cè)極板和傳感膜片之間的電容量；CL為低壓側(cè)極板和傳感膜片之間的電容量。
然而，*，由彈性金屬做成的中心膜片其彈性系數(shù)是受溫度變化影響的，位移量與差壓在不同的溫度情況下并非成線性正比關(guān)系。雖然在一定的溫度變化范圍內(nèi)其彈性系數(shù)的變化是很小的，但由于流量的測量對差壓的變化十分敏感，差壓的微小變化會影響測量的精度，尤其是在小信號下影響更為明顯。
為了提高測量的精度，尤其是提高小信號下的測量精度，減小在不同溫度變化情況下的零位漂移，IAS-8660在差壓傳感器上還增加了溫度測點，以測出差壓傳感器在工作狀況下的實際溫度，通過計算機(jī)運算，對彈性系數(shù)進(jìn)行實時修正，在-40℃～120℃范圍內(nèi)實現(xiàn)零溫度系數(shù)，從而提高測量精度，向下拓展了下限測量范圍，并擴(kuò)大了工作溫度的適應(yīng)范圍。
3 小信號切除功能
這里所說的小信號切除與其他智能化儀表的小信號切除不一樣。傳統(tǒng)的用差壓法測量流量的智能化儀表為了克服其在小流量或無流量情況下，由于各種擾動造成差壓信號的變化或零點漂移造成的信號輸出導(dǎo)致儀表失真，通常將1%滿量程下的信號切除（一般被切除信號的大小可根據(jù)實際需要加以調(diào)節(jié)），以保證儀表精度或平息供需雙方的矛盾。本文所指的是除了這一功能（IAS-8660也具備這一功能）以外的另外一種功能。
蒸汽流量計測量的介質(zhì)雖然是過熱水蒸氣，但與傳感器接觸的被測介質(zhì)一般是過熱水蒸氣經(jīng)冷卻后形成的冷凝水。顯然，在這種信號傳遞過程中，被測介質(zhì)發(fā)生了相變，這種相變對測量的準(zhǔn)確性帶來很大的影響。在實際的測量過程中，差壓變送器兩端所接收到的差壓信號ΔS，實際上是由兩部分組成的，即：
ΔS=ΔP+Δh
ΔP這一部分是由測量孔板上下游兩個端面因流體流過所產(chǎn)生的差壓，這是一種我們所需要的、反映流體流量的真實信號；Δh是由蒸汽冷卻后形成的冷凝水在測量管道上因各種因素造成冷凝水位高度不一致所產(chǎn)生的靜壓差，這是一種附加的壓差，影響測量精度的壓差，這種壓差在正常的測量過程中一般是一個相對固定的量，可以通過零位校正加以消除。但同時這種壓差又是一種很不穩(wěn)定的、隨機(jī)的、易受外界影響而變化的量，尤其是在儀表正常工作到供汽臨時中止和從中止供汽到恢復(fù)供汽的過程中，冷凝水位將會發(fā)生一些不可預(yù)計的變化。
在儀表的實際使用過程中，用戶往往會以為只要關(guān)閉了蒸汽主管道計量儀表前的閥門，由于沒有蒸氣流過計量儀表，儀表就會自動出零。殊不知，儀表測量管道內(nèi)的冷凝水水位是一個動態(tài)平衡過程，在正常使用情況下，由于某種原因造成冷凝水水位波動時，高于取壓口的水會從取壓口流回蒸汽主管道；低于取壓口時會從蒸汽中的冷凝水中得到補償，使水位自動維持在取壓口上，并保持上下游兩取壓口的水位一致，以保證測量的精度。然而，一旦用戶關(guān)閉了儀表上游側(cè)的主閥門，經(jīng)過一段時間，主管道內(nèi)的蒸汽流盡，就沒有了補充冷凝水，一旦當(dāng)儀表高、低壓側(cè)測量管道內(nèi)的冷凝水水位由于某些原因不能保持一致時，在缺乏冷凝水補充的情況下，就會產(chǎn)生一個附加壓差，這個隨機(jī)產(chǎn)生的壓差的極性可正可負(fù)。一旦極性為正時，就給儀表一個計量信號，造成儀表在沒有流量的情況下也走字計量，IAS-8660采取了壓力控制措施來消除這一影響。用主管道上的壓力來判別蒸汽管道是否出于投運狀態(tài)，一旦當(dāng)蒸汽主管道上的壓力低于某一定值時（比如0.1MPa），就認(rèn)為管道處于停運狀態(tài)，此時不管差壓值如何，一律將瞬時流量值作為零來看待。
4 安裝形式的改進(jìn)
根據(jù)以上所述可知，一方面，在小流量時，差壓的微小變化會引起流量的較大的變動（流量和差壓成平方根關(guān)系，在零點附近時，dQ/dΔP趨向于無窮）；另一方面，測量管道內(nèi)水位的不平衡也會導(dǎo)致測量的偏差。這兩方面因素疊加時影響更甚。為了減小或消除這種因隨機(jī)因素造成的誤差，能否在安裝工藝上作些改進(jìn)呢?IAS-8660在這一方面也做了些嘗試。
在一個完成了安裝和調(diào)試并已經(jīng)投運的測量系統(tǒng)中，系統(tǒng)誤差已經(jīng)確定，影響測量準(zhǔn)確性的隨機(jī)誤差主要來自于管路。管道越長，誤差發(fā)生的機(jī)率越大，誤差產(chǎn)生的數(shù)值也越大。根據(jù)誤差理論，系統(tǒng)誤差可以通過系統(tǒng)的修正值來加以消除或減小，而隨機(jī)誤差一般是不能通過系統(tǒng)本身的修正來加以消除的。但是一個實際測量系統(tǒng)的誤差正是由這兩種誤差疊加而成的，如果一個系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差很小而隨機(jī)誤差較大，則在實際運行中就達(dá)不到一定的精度。
為了提高系統(tǒng)的整體精度，IAS-8660對安裝工藝作了一些改進(jìn)。首先，將孔板節(jié)流件、差壓和壓力變送器以及溫度變送器、二次儀表這3部分集成在一起，采用一體化的安裝方式，直接安裝在蒸汽主管道上，因此大大縮短了測量管路，既解決了傳統(tǒng)測量方法所帶來的一系列弊端，有效的減小了隨機(jī)誤差，同時也縮短了因測量管道所引起的測量信號的延遲問題。其次，將差壓變送器的差壓信號輸入端與孔板節(jié)流件上、下游端的差壓信號輸出端處于同一水平面上，有效地解決了冷凝水水位不平衡的問題。第三，整個孔板節(jié)流裝置包括引壓管全采用不銹鋼材料，避免了管道銹蝕問題。通過這一系列改進(jìn)，不僅縮小了整個裝置的體積，還減少了現(xiàn)場安裝的工作量，特別是有效地減小了系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，對提升整個系統(tǒng)的測量精度起了不小的作用。由于整套裝置的裝配是在制造廠完成的，且出廠時經(jīng)過嚴(yán)格測試，安裝質(zhì)量有了較大的保證，減少了在運行過程中的日常維修保養(yǎng)的工作量，減輕了勞動強(qiáng)度。
綜上所述，IAS-8660流量多參數(shù)智能變送顯示儀由于采用了上述的一些特殊技術(shù)，使它的測量精度大為提高，在上海市技術(shù)*多次檢測中一直保持很高的合格率，并得到上海市經(jīng)委節(jié)能辦的推薦，其測量技術(shù)在差壓式流量計系列中處于地位。
