蒸汽流量计的类型
4.3.1第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册4.3 蒸汽流量计的类型3654.3.2第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册图4.3.1 孔板图4.3.2 孔板流量计突出手柄测量孔孔板排水孔孔板最小收缩 断面直径下游压力感应孔上游压力感应孔孔板直径差压变送器孔板流量计孔板流量计是差压式流量计的一种。简单的说，流体流经一个收缩截面，测量通过此截面的压差。根据丹尼尔·伯努力在1738年（见4.2节）的研究工作，流体流经孔板的速度和其压力损失的平方根成比例关系。其它差压式流量计有文丘利管和喷嘴等。孔板流量计，通过在管道中插入一块开有小孔的节流元件来限制流动。孔板通常被称为一次元件。为了测量流体流动时产生的差压，在孔板的上下游开有压力感应孔，压力感应孔与二次仪表（差压变送器）相连。蒸汽流量计的类型流量计的类型有很多，适合蒸汽应用的流量计有：孔板流量计透平流量计（包括旁通流量计）变面积流量计弹簧负载变面积流量计直接在线（DIVA）变面积流量计毕托管流量计涡街流量计上述每一种流量计都有其自身的优缺点。为了确保蒸汽流量计的性能和精度，最重要的是流量计要符合所用的工况。本章节将介绍上述各种流量计，讨论它们的特性和各自的优缺点、典型应用和安装。差压变送器产生的信号可以输出至流量显示仪，或者与温度和压力信号一起输入流量计算机，这样可以对流体的密度进行补偿。对于计量蒸汽的水平管道，水（冷凝水）可能会在孔板的上游积聚。为了防止这一现象，孔板的底部可以开一个排水小孔。当然，当孔板的外形确定后，在计算流量时，必须考虑排水小孔的影响。正确选择和安装孔板非常重要，详细信息可参考ISO 5167。3664.3.3第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册图4.3.3 孔板流量计的安装示意图孔板压力感应器 (用于密度补偿)温度感应器 (用于密度补偿)压差变送器流量计算机现场显示脉冲管安装下面介绍在ISO 5167中强调的几点重点内容：压力感应孔 - 通过感应管（也称作脉冲管）连接孔板的上下游压力孔和差压变送器。最常用的压力感应孔位置有：如图4.3.3所示从法兰（或孔板安装件）取压。这是最常见的取压方式，但是当取压口在管道底部时需要特别注意，因为在底部有可能会堵塞。孔板前1倍管径，后0.5倍管径取压。这种方法相对困难一些，但是更准确，因为差压的最大值在流体的收缩断面处，即0.5倍管径处。角接取压 - 在口径较小的孔板上通常采用这种方法。因为空间的限制，在法兰上加工取压孔很困难。角接取压法一般用于管道直径小于等于DN50的场合。差压变送器产生的信号可以输出至流量显示仪，或者与温度和压力信号一起输入流量计算机，这样可以对流体的密度进行补偿。管道 - 在孔板下游的最小直管段要求为5倍管径，以减少由于管道效应引起的流速分布变化。孔板上游的直管段要求受很多因素影响，包括：比，是指孔板直径和管道直径的比（见公式4.3.1），通常的值为0.7。公式4.3.13674.3.4第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册表4.3.1综合了比和管道形状的影响，提出了图4.3.4所示结构的建议上游直管段长度。对于特别恶劣的情况，可以使用流动调整器，在4.5节中会详细介绍。表4.3.1 在各种工况下孔板的上游建议安装直管段见图4.3.4 在不同比值和不同上游布置情况下，推荐的孔板上游直管长度(管径倍数)30m/s)、低品质（潮湿和肮脏）的蒸汽中，容易损坏。弹簧负载变面积流量计的典型应用计量企业内部的蒸汽小型锅炉房图4.3.11 弹簧负载变面积流量计监测挡板位置流向压力感应器弹簧负载挡板(浮子) 位置随流量变化流量 计算机信号处理单元温度感应器挡板位置 感应器3744.3.11第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册截止阀 汽水分离器 过滤器流量计流向疏水阀组3D6D图4.3.12 弹簧负载变面积流量计计量蒸汽的典型安装图 图4.3.13 差压式弹簧负载变面积流量计流向弹簧负载锥体(浮子)差压变送器选择2（图4.3.10），即测量差压。根据此理论可以通过加工浮子的形状使流量和差压成线性关系。图4.3.13是差压式弹簧负载变面积流量计的示意图。图中的锥体即为浮子。弹簧负载变面积流量计的优点：高量程比，最大可到100:1。精度高，±1%读数紧凑，DN100的法兰对夹式面面间距仅为60mm。适合大多数流体弹簧负载变面积流量计的缺点：由于需要很多附件，如差压变送器和流量计算机，价格可能相对较高。弹簧负载变面积流量计的典型应用锅炉房流量计量 大型工厂的流量计量3754.3.12第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册图4.3.14 差压式变面积流量计的典型安装图温度感应器弹簧负载变面积流量计流向压力感应器流量计算机差压变送器直接在线（DIVA）变面积流量计DIVA流量计由弹簧负载变面积原理发展而来（SLVA），精确加工的锥体沿着轴克服弹簧的力连续移动，导致环形小孔的面积连续变化。但是，和SLVA不同的是，DIVA不是通过计量经过流量计的差压来计算流量，而是通过一个高质量的应力仪测量锥体产生的力。流量越大，应力越大。这样就不需要价格昂贵的差压变送器，同时也减低了安装的成本和潜在的问题（见图4.3.15）。DIVA内置温度感应器，可对饱和蒸汽的计量提供密度补偿。流量计量系统可以：检查工厂各部门的能源成本将能源作为原材料计量确定节能的优先点确保系统或制程的效率DIVA流量计系统同样可以： 用于某些应用的制程控制。 监测设备用汽趋势并确定设备老化和蒸汽损 失。传统的流量计系统DIVA流量计系统420 mA输出差压变送器温度感应器截止阀流量 计算机图4.3.15 DIVA和传统差压式流量计的比较流向 流向3764.3.13第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册根据EN ISO/IEC 17025，DIVA蒸汽流量计（见图4.3.16）的系统不确定性如下：在流量范围的10%100%内，精度为±2% 读数，在流量范围的2%10%内，置信度为95%时，精度为±0.2% FSD由于DIVA流量计自成一体，因此上述精度为整个系统的精度。许多流量计都强调管道单元的不确定度，但是，整个系统的不确定度需要考虑系统内的每一个部件，如差压变送器。量程比是指流量计在保证其精度的前提下，所能计量的最大流量和最小流量之比。DIVA流量计的最大量程比为50:1，其测量范围是其最大流量的98%。内置Pt 100温度感应高质量的张力仪测量与 流量成比例的扭力。内置电子元件，将测量 的张力和温度转换为质 量流量。所有与介质接触部件均 为不锈钢或镍铬铁耐热 合金。一体化回路供电结构， 无需其它附加设备。定子设计防止由于流动 脉动或流量过大引起的 损坏。图4.3.16 DIVA流量计流向流动方向DIVA流量计的安装方向对其性能有一定的影响。水平安装时，DIVA的最大蒸汽使用压力为32 bar g，量程比为50:1。如图4.3.17所示，如果DIVA安装在垂直方向上，其所能使用的蒸汽压力和量程比都会受到限制。精确设计的孔和锥体， 使上游速度截面的影响 减至最小。3774.3.14第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册流体流向 垂直向下 量程比： 最大可达50:1 压力限制 7 bar g流体流向 垂直向上 量程比： 最大30:1 压力限制 7 bar g流体流向 水平 量程比： 最大可达50:1 压力限制 32 bar g图4.3.17 流体方向流向流向流向毕托管在大口径的蒸汽管道中，无论是流量计自身的费用，还是安装费用都很高。因此，使用满管流量计的成本非常高。毕托管流量计的成本相对较低。流量计本身比较便宜，且安装费用低，一台流量计可以在多个场合使用。如4.2节中介绍的那样，毕托管流量计，是一种常见的插入式流量计。图4.3.18是毕托管流量计的原理示意图。由于流体的速度在毕托管的来流面产生压力。“速度”压力与管道内参考压力（或静压力）相比较，流体的速度可通过简单的公式来计算。图4.3.18 毕托管流量计的原理静压流向P静压 + 动压压力计3784.3.15第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册图4.3.19的简单毕托管只能对单个点取样，由于管道内流量分布（流速分布）的变化，精确确定取样点的位置非常关键。要注意的是流速同样和压差的平方根成比例关系（见公式4.2.13），这就限制了它的量程比。图4.3.19 简单的毕托管d总压孔静压孔杆8d在实际应用时，同时插入两根管子比较麻烦。简单的毕托管见图4.3.19。从图上可以看出，测量静压和动压的孔在同一个装置上。公式4.2.13式中: u1 = 管道内流体的速度；p = 总压-静压； = 密度。均值毕托管均值毕托管（见图4.3.20）采用了多个感应点克服了简单毕托管的插入位置难以确定的影响。这些取样点感应管道内不同位置的压力，然后将其平均化以获得管道内的平均速度压力。图4.3.20 均值毕托管差压输出总压静压均分环 形流通 面积流向2 Pu1=毕托管的优点：对流体的阻力较小。价格便宜。简单，可以适用不同口径。毕托管流量计的缺点：量程比约为4:1，由于速度和差压的平方根成比例关系。如果蒸汽湿度较大，底部的孔很容易堵塞。为了克服这一点，有些类型的毕托管流量计可以水平安装。易受湍流的影响，因此在安装和维护时需要特别注意。3794.3.16第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册由于测量装置的压降较小，系统的不确定性增加，特别是蒸汽系统。管道内的插入位置非常关键。毕托管的典型应用：通常用来作为流量指示仪量程合适时，可以作为蒸汽流量计使用涡街流量计涡街流量计利用一个非线性的钝体放置在管道内，流体流过钝体时会在其尾部产生有规则的旋涡。这些旋涡可以检测、计算和显示。在一定流量范围内，涡街产生的数量与流体的体积流量成比例，这样就可以测得流体的速度。钝体在管道内对流体的流动产生障碍，强迫流体流过其两侧，钝体改变了流体的流向和速度。靠近钝体表面的流体由于钝体表面的摩擦作用而减速。由于钝体和管道之间面积的减少，远离钝体的流体产生加速并流经上述减小的空间。当流体流过钝体时，它将尽力充满其后侧的空间，这样就会旋转并进一步产生旋涡。钝体两侧的流速并不相等。流速在一侧增加时在另一侧减少，这一点同样适用于压力。在流速较高的一侧，压力较低，流速较低的一侧压力高。由于压力会自动重新分布，高压区的流体会向低压区运动。压力和旋涡的变化在钝体两侧交替进行。当工况条件合适时，旋涡的频率和流体的速度之间存在线性关系。旋涡的发生频率正比于斯特罗哈尔数（Sr）和流体的速度，反比于旋涡发生体（钝体）的直径。可以用公式4.3.2表示。图4.3.21 涡街流量计旋涡发生体旋涡发生体式中: f = 旋涡发生频率 (Hz)；Sr = 斯特罗哈尔数 (无量纲)；u = 平均管道流速；d = 钝体直径 (m)。斯特罗哈尔数是由实验确定的，并且在一定雷诺数范围内为常数，这说明旋涡发生频率不受流体密度的影响，对于一个给定的钝体，只与流体的速度成比例。如：f = k x u式中： k = 对于给定的流量计，为常数。因此:u = fk公式4.3.2Sr u fd3804.3.17第4章流量计量 章节4.3 蒸汽流量计的类型蒸汽和冷凝水系统手册图4.3.22 涡街流量计-典型安装流向上游下游10D5D温度感应点压力感应点1D 至 2D3.5D 至 7.5D上游下游D = 涡街流量计的公称直径这样，管道内的体积流量可以用公式4.3.3计算公式4.3.3式中： A = 流量计的截面积(m2)。涡街流量计的优点不错的量程比（如果可以接受高流速和高压降）。无运动部件。低流阻。涡街流量计的缺点在流速较低时，不产生旋涡，流量计读数偏低甚至为零。最大流量通常指流速为80或100
