摘要: 文章闡述了蒸汽流量計(jì)在集中供熱的園區(qū)企業(yè)能源計(jì)量中的應(yīng)用，通過(guò)分析蒸汽流量計(jì)的工作原理，總結(jié)蒸汽流量計(jì)在不同介質(zhì)的流體使用特性，重點(diǎn)闡述了在氣體和蒸汽流量測(cè)量中注意事項(xiàng)。
嘉興港區(qū)化工園區(qū)在構(gòu)建“外供蒸汽→冷凝水回用→脫鹽水→鍋爐給水”能源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展過(guò)程中，能源計(jì)量發(fā)揮了積*作用，在中低壓蒸汽外供系統(tǒng) ( 0. 8、1. 3、2. 5、3. 5 MPa蒸汽) 、水資源回用系統(tǒng) ( 冷凝水、脫鹽水) 和集中供氣系統(tǒng) ( 壓縮空氣、氮?dú)夂脱鯕? 的流量測(cè)量中廣泛采用了蒸汽流量計(jì)，為貿(mào)易結(jié)算提供了正確可靠的能源計(jì)量數(shù)據(jù)，創(chuàng)造了嘉興港區(qū)化工園區(qū)企業(yè)群 “共生共贏”良好局面，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
1 蒸汽流量計(jì)的工作原理
蒸汽流量計(jì)利用“卡門渦街”原理。在流體中安放旋渦發(fā)生體，流體在旋渦發(fā)生體的下游兩側(cè)交替地分離出兩列有規(guī)律的交錯(cuò)排列的旋渦，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，該旋渦頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于流量，其結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示。

式中: f 為旋渦頻率，Hz; S t 為斯特勞哈爾數(shù); v 1
為發(fā)生體兩側(cè)的平均流速，m/s; d 為發(fā)生體迎流面的寬度，m; v 為管道平均流速，m/s; m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。

式中: D 為管道內(nèi)徑，m; K 為蒸汽流量計(jì)的儀表系數(shù); Ｒ i 為瞬時(shí)流量單位時(shí)間校正系數(shù);若 K 系數(shù)單位是脈沖/升; q v 單位是 m 3 /h，則 Ｒ i =3. 6。從式 ( 3) 可見(jiàn)，對(duì)于不可壓縮流體，表征蒸汽流量計(jì)特性的儀表系數(shù) K 與斯特勞哈爾數(shù) S t 有關(guān)，與漩渦發(fā)生體 ( m，d) 、管道的幾何尺寸( D) 有關(guān)。
對(duì)于可壓縮流體由連續(xù)性方程可推導(dǎo)得到 v 1與管道平均流速 v 的關(guān)系為:

v 1 和 v 關(guān)系不僅與 m 相關(guān)，還和被測(cè)介質(zhì)的等熵指數(shù) Ｋ、壓力 p 1 、密度 ρ 1 相關(guān)。被測(cè)介質(zhì)的流量是由管道平均流速 v 所反映出來(lái)，而蒸汽流量計(jì)所檢測(cè)到的旋渦所表示的流速是旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速 v 1 ，對(duì)由于流體的壓縮性所引起的v 1 的差異性說(shuō)明蒸汽流量計(jì)在氣體 ( 蒸汽) 測(cè)量中流速 ≥35 m/s 時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)會(huì)降低0. 5%。下面重點(diǎn)分析在各種不同流體介質(zhì)條件下K 的影響因素和變化規(guī)律。
2 蒸汽流量計(jì)儀表系數(shù) K 的影響因素和變化規(guī)律
2. 1 管道雷諾數(shù)的影響
就多數(shù)蒸汽流量計(jì)而言，管道雷諾數(shù) Ｒ eD 在2 ×10 4 ～ 7 × 10 6 范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù) S t 可看做常數(shù)，在此區(qū)間可保證測(cè)量精度。斯特勞哈爾數(shù)S t 是蒸汽流量計(jì)的重要系數(shù)。如圖 2 所示，曲線S t ≈0. 17 時(shí)，旋渦頻率與流速成正比。

2. 2 溫度的影響
從式 ( 3) 中可以看出，溫度對(duì)蒸汽流量計(jì) K系數(shù)計(jì)量特性的影響主要有如下 3 個(gè)因素: D、m、d，在不同流體介質(zhì)條件下，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的變化主要是由于溫度的變化帶來(lái)的熱脹冷縮引起，對(duì)圖 1 所示發(fā)生體，得到 m 的計(jì)算公式為:



由此計(jì)算分析可以看出，隨著介質(zhì)溫度升高或降低，蒸汽流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)因熱脹冷縮 ( D、m、d) 尺寸發(fā)生變化，引起儀表系數(shù) K t 隨之變化，因此，蒸汽流量計(jì)使用時(shí)一定要重視 “工況狀態(tài)下的溫度設(shè)定”這個(gè)參數(shù)設(shè)置，設(shè)定溫度越接近測(cè)量介質(zhì)的溫度，測(cè)量誤差越小。
2. 3 氣體 (蒸汽) 壓縮性引起的影響
水為不可壓縮流體，可按照式 ( 1) 計(jì)算得到介質(zhì)為水時(shí)發(fā)生體兩側(cè)的平均流速 v 1w 。空氣和蒸汽為可壓縮流體，由式 ( 5) 可得到工況下的介質(zhì)為空氣和蒸汽時(shí)發(fā)生體兩側(cè)的平均流速 v 1a 、v 1s 與v 1w 比較，可計(jì)算分析得到由于介質(zhì)的可壓縮性帶來(lái)的測(cè)量誤差。
實(shí)驗(yàn)條件下空氣、蒸汽、水為測(cè)試流體介質(zhì)時(shí)，各測(cè)試條件參數(shù)如表 2 所示。

將上述參數(shù)帶入式 ( 4) 中，采用 matlab 對(duì)公式進(jìn)行分析計(jì)算，得到 v 1w 、v 1a 、v 1s 隨 v 變化的數(shù)值，如表 3 所示。

表3 的后2 列分別表示了空氣、蒸汽由于可壓縮性而引入的計(jì)量偏差，由計(jì)算數(shù)據(jù)可以得出，相同管道平均流速 v 的條件下，可壓縮介質(zhì)發(fā)生體兩側(cè)的流速均比不可壓縮流體的流速 v 1 大，并且隨 v 的增大，引起的差值增大，v 1 的相對(duì)偏差也越來(lái)越大，在流速為 50 m/s 時(shí)由于介質(zhì)的可壓縮性可引起接近 0. 5%的偏差，這也是大多數(shù)的蒸汽流量計(jì)在選型資料中提到的蒸汽流量計(jì)在氣體 ( 蒸汽)流量測(cè)量中準(zhǔn)確度等級(jí)是 1. 5 級(jí)，而在液體中準(zhǔn)確度等級(jí)能達(dá)到 1. 0 級(jí)的原因，也有蒸汽流量計(jì)的選型樣本中明確氣體 ( 蒸汽) 流量測(cè)量中在流速低于 35 m/s 時(shí)準(zhǔn)確度等級(jí)是 1. 0 級(jí)，在流速高于 35 m/s 到允許的好大流速測(cè)量范圍內(nèi)準(zhǔn)確度等級(jí)是 1. 5 級(jí)，因此在蒸汽流量測(cè)量應(yīng)用中，常用流量的流速在 ( 20 m/s≤v≤35 m/s) 范圍內(nèi)是比較合理的。
2. 4 蒸汽流量計(jì)在不同介質(zhì)流量測(cè)量中的注意事項(xiàng)
通過(guò)上述蒸汽流量計(jì)的測(cè)量原理和影響因素進(jìn)行全面的分析，蒸汽流量計(jì)在不同介質(zhì)流量測(cè)量中的共性、差異性及安裝應(yīng)用注意事項(xiàng)如表4 所示。

3 蒸汽流量計(jì)選型的計(jì)算舉例
某一單位有一蒸汽計(jì)量，介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，管道: 325 × 10，管道材質(zhì) 15CrMo。設(shè)計(jì)壓力:3. 7 MPa( G) ，設(shè)計(jì)溫度: 400 ℃，設(shè)計(jì)密度 ρ =12. 912 5 kg/m 3 ，操作動(dòng)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。在選擇蒸汽流量計(jì)口徑時(shí)，必須滿足條件:雷諾數(shù)在 2 × 10 4 ～ 7 × 10 6 的范圍內(nèi)，選擇了雷諾數(shù)就確定了流速。選型經(jīng)過(guò)如下。
3. 1 蒸汽流量計(jì)的口徑選擇
根據(jù)公式：

計(jì)算得到流速，若蒸汽流量計(jì)的說(shuō)明書提供口徑和標(biāo)準(zhǔn)值 ( K 系數(shù)和標(biāo)稱脈沖頻率 f 標(biāo)稱 = f/v) ，還可以計(jì)算得到相應(yīng)流速下的旋渦頻率 f。
計(jì)算得到 DN200 ～ DN300 口徑的蒸汽流量計(jì)可保證精度的流量范圍，流速與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 5 所示。
從表 5 可以看出，采用口徑為 DN250 蒸汽流量計(jì)常用流量下的流速為 30. 87 m/s，好小流速和好大流量時(shí)的流速也是滿足要求的，因此該管道蒸汽測(cè)量采用 DN250、高溫型、分離型蒸汽流量計(jì)是比較合理的。
3. 2 選定口徑下的好大流量和好小流量時(shí)雷諾數(shù)



式中: q m 為工作狀態(tài)下的質(zhì)量流量，kg/h;D 為蒸汽流量計(jì)內(nèi)徑，mm; η 為工作條件下的粘度，MPa( cP) 。
雷諾數(shù)滿足蒸汽流量計(jì)規(guī)定的范圍。因此，口徑選用 DN250 是適合的。
4 溫度壓力補(bǔ)償
由于蒸汽流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，流體流量測(cè)量所得的是工作狀態(tài)下的體積流量，而蒸汽貿(mào)易結(jié)算通常采用質(zhì)量流量，氣體貿(mào)易結(jié)算通常采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，因此需要采用溫壓補(bǔ)償測(cè)得溫度和壓力輸入 DCS 或流量結(jié)算儀得到補(bǔ)償系數(shù)，溫壓補(bǔ)償后獲得質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量。
5 檢定校準(zhǔn)
貿(mào)易結(jié)算的蒸汽流量計(jì)依法定期送**法定計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制檢定，按 JJG 1029-2007 《蒸汽流量計(jì)》檢定規(guī)程要求，檢定周期一般不超過(guò) 2年。與蒸汽流量計(jì)配套的流量積算儀按 JJG 1003-2016 《流量積算儀》檢定規(guī)程要求，檢定周期一般不超過(guò) 1 年。
6 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)全面考慮影響蒸汽流量計(jì)測(cè)量精度的所有因素，正確選型、合理安裝和使用，選好儀表，用好儀表，充分發(fā)揮蒸汽流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，為園區(qū)企業(yè)間的貿(mào)易結(jié)算提供準(zhǔn)確可靠的能源計(jì)量數(shù)據(jù)，從而不斷提高能源計(jì)量和能源管理水平。