蒸汽流量计的温度压力补偿

一、蒸汽流量计理论流量公式
在管道中流动的流体同时具有动能和势能。在一定条件下这两种不同形式的能量可以相互转换，在转换过程中能量和守恒。
蒸汽流量计就是根据管道中流体动能和势能互相转换的原理来测量流量。
假设不可压缩理想浇体在水平管道中沿轴向作稳定流动，且流体与外界无能量交换。由流体伯努利方程有：P/ρ+v/2=常数，其中P、V和ρ分别为流体在同一管道截面上的静压力、平均流速和密度。
上式告诉我们，在管道的任一截面上，流体的动能和势能之和是守恒的，流速和静压力之间的转换依循确定的数量关系。所以，我们可以在管道中插入一个流通面积较小的节流元件，使流体通过节流元件时改变流速，从而产生静压力差(简称差压)，并通过测量差压，间接测出流量。

如图1，设管遭截面H处直径为D，流速为V1，静压力为P1；再设节流元件截面Ⅱ-Ⅱ处直径为d流速为V，静压力为P2。
由流体伯努利方程有：

由流体连续性方程有：

因为是不可压缩理想流体，有ρ1=ρ2；更令β=d/D，△P=P1-P2。于是很容易由联列方程(1-1式)和(1-2式)推导出不可压缩理想流体通过节流元件时的理论质量流量公式

二、蒸汽流量计实甩流量公式
理论流量公式(1—3式)是在不可压缩理想流体作稳定流动，且在节流过程中祀外界无能量交换的前提下推导出来的。
所以，还必须赴一步考虑实际流体的粘度和可压缩性，节流元件的结构形式对节流过程的影响，取压位置及方式不同对差压测量的影响，节流过程能量损耗等各方面因素，通过反复实验、测定和研究，由它推导出实用流量公式，方能柱工程中应用。
以节流元件——角接取压标准孔板为例。实际流体流经孔板时的流速和管壁静压力分布如图2。由图可见，流束截面积在孔板上游侧约一个D(D为管道直径)处开始收缩，并在孔板下游侧约1/2个D处达到小，而后又逐渐恢复到管道截面。在节流过程中，由管壁各处测出的流体静压力分布也如图所示。其中，P1、P2为孔顿上、下游侧角接取压测得前静压力，而P1-P2=△P即为差压。另外，由于在节流过程中流体有能量损耗，所以流经孔板后流体静压力只能回复到P3，有个δp=P1-P3的压头损失。

经过科研人员反复实验、测定和研究，标准GB2624—81所确认的角接取压标准孔板实用流量公式如下：

式中：M为被测流体质量流量(kg/h)；a为流量系数，对于既定的管道和标准孔板，其值太小仅与雷诺数ReD有关，当ReD大于某一个界限值时，a值可认为是个常数；ε为流束膨胀系数，对于不可压缩流体ε=1，对于可压缩流体ε<1；d为标准孔板内孔直径(mm);ρ1为流体介质在测量状态下的密度(kg/m3。)，h2o为用20℃水柱高度表示的差压(mmH2O)。
兰、为什么差压式蒸汽流量计要引入温度压力补偿环节
有了实用流量公式(2-1式)，我们只要严格按照GB2624-81标准设计、制造、安装和使用以角接取压标准孔板为节流元件的差压式流量计，就能够在设计给定的测量状态下相当准确地测出流量。事实上，正因为蒸汽流量计在设计、制造、安装和应用方面已经有比较完善的标准，测量元件加工简单，使用寿命长、无需单独，所以得到了广泛的应用。
但在生产实践中。测量状态并不是始终维持设计状态不变，而往往是随着时间在一定范围内变化。测量状态的变化无疑会引起被测流体密度ρ1的相应变化，结果给流量测量带来很大的附加误差。对于气(汽)体来说，这种影响尤其严重。就拿过热蒸汽来说，若设计给定的测量状态是P1=0.6Mpa、t1=230℃，而实际的测量状态是P1=0．8Mpa、t1=230℃，则被测蒸汽密度ρ1的值就从设计值2．5974kg/m3。变为实际值3．4941kg/m3，仅由此引起的附加测量误差将达到

由此可见，在蒸汽流量计中必须引入温度压力补偿环节，以尽量消除由于蒸汽密度ρ；随温度压力变化而引起的跗加测量误差。
四、如何正确引入温度压力补偿环节
测量状态在一定范围内变化，主要引起被测蒸汽密度ρ1的变化，从而带来流量测量附加误差。所以，引入温度压力补偿环节，就是要通过对测量状态参量(压力P1、温度t1)的连续测定，再通过环节内信号处理，用环节输出信号的相应变化及时反映蒸汽密度ρ1的变化。
关键在于找出蒸汽密度ρ1，与测量状态P1、t1之间的函数关系式。因为只有知道了这一点，我们才可能正确组成补偿环节，正确设定环节中的仪表参数，使补偿环节的传递函数符合此关系式。这样．环节输出信号就能比较准确地反映蒸汽密度ρ1的变化，从而达到消除附加测量误差之目的。
已有充分的实验测定数据证明，蒸汽密度ρ1是压力P1和温度t1的单值函数，可以表述为ρ1=f(P1，t1)。但由于蒸汽不是理想气体，所以ρ1=f(P1，t1)与理想气体状态方程相差甚远。事实上，已有人分别找出了适用于P1、t1不同变化区段的各种ρ1=f(P1，t1)函数表达式。
在工程上，选用蒸汽密度ρ1的函数关系式进行温度压力补偿应遵循如下两个原则：
1．当状态参量P1、t1在预定的补偿范围内变化时，公式ρ1=f(P1，t1)的计算结果应当与“水蒸汽热力性质图表中ρ1的骨架参数基本符台，相对误差不大于±1%
2．公式ρ1=f(P1，t1)应尽可能简单，只用少量的仪表就能组成相应的补偿环节。
否则，仪表数量增多，不但价格昂贵，还会引入过大的传递误差，达不到准确补偿之目的。
五、实倒介绍
有一台蒸汽流量计，框图如下。

其中：被测介质为过热蒸汽；设计状态P15=0.75MPa(压力)、t1s=240℃;设计大流量5t/h。
由于实际测量状态常常变化，使流量计测量误差较大，故决定引入温度压力补偿。
具体步骤如下。
步．通过现场调查，根据测量状态参量P1、t1的实际变化情况，确定温压补偿范围为P1=O.6～O.9Mpa(压力)，t1=190~290℃。
第二步，在P1=O.6～O.9Mpa(压力)和t1=190～29O℃补偿范围内，找出蒸汽密度p的函数关系式为:

从下面图表可看出，在预定补偿范围内，按上式计算的ρ1值和“水蒸汽热力性质图表”中的相应骨架数据很接近。

第三步根据关系式ρ1=1900×P1/206+t1组成补偿环节，并确定仪表参数如下。

第四步，测量精度对比。
设测量工况从设计值P1s=0.75Mpa，t1s=240℃变到实际值P1=0.85Mpa，t1=270℃。这时，过热蒸汽密度也由p1s=3.1959kg/m3。变为ρ1=3.4118kg/m3。
用原来那套不带温度、压力补偿的流量计来流量，相对测量误差为

用加了温度、压力补偿环节的流量计来测量，相对测量误差为
由上可知，正确地加上温度、压力补偿环节后，蒸汽流量计的测量精度提高了一个数量级。
六、蒸汽流量计温度压力补偿在我厂的应用
在整顿我厂能源计量工作中发现，我厂的蒸汽流量表误差普遍很大，能源办公室无法正常开展热平衡工作。
为了提高蒸汽流量计的测量精度，给企业能源管理工作提供可靠的数据，我厂计量仪表科对全厂所有蒸汽流量计进行了普盘夔改。对于原来未加温压补偿环节的流量表，我们都配上了补偿环节；对于采用了错误补偿方法的流量计，我们纠正了补偿环节中的仪表参数。经过普查整改，使我厂的蒸汽流量检测率从百分之六十左右上升到百分之九十以上，为能源办公室做好全厂热平衡工作剖造了有利条件。