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，整個系統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場測量儀表（IAS-8660流量多參數智能變送顯示儀）、熱網監控中心的計算機管理平臺（IAS—智能化熱網數據處理中心）以及連接這兩部分的數據傳輸系統（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。用于貿易結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明顯的區別是：用于貿易結算的蒸汽計量儀表的誤差是根據相對誤差來定義的，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，兩者的區別在量程的起始階段即小量程時表現尤為明顯，顯然，前者的要求遠遠高于后者。
為了進一步完善和改進貿易結算用蒸汽計量儀的功能、精度和穩定性，協助華明智能儀器有限公司研發和推廣應用了IAS-8660流量多參數智能變送顯示儀。該流量計是嚴格按照國標GB/T2624-93的要求設計，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補償的多參數差壓式孔板質量流量計，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定性。本文僅就這些特點進行探討，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補償
根據能量守恒定律和流動連續性方程可知，在被測介質的輸送管道上安裝一節流件，流束將在節流間處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓降低，在節流件前后產生靜壓差。根據介質的流速和節流件上下游兩側差壓之間的一一對應關系，測出介質的流速，然后根據管徑得出流體流量，再對時間積分得出總量。
根據國標GB/T2624-93，流體的質量流量和差壓的關系由下式確定：
式中：qm為質量流量；C為流出系數；β為直徑比；ε為可膨脹性系數；d為工況條件下節流件節流孔直徑；ΔP為差壓；ρ為流體密度。
然而，迄今為止，絕大多數的孔板流量計都采用簡化的計算公式來進行流量計算，即：
qm=常數（ΔP×ρ）1/2
在這個被簡化的計算公式中，使用常數來表達流出系數、漸近流束系數、氣體膨脹系數、流量系數等，流體流量只與差壓值和密度有關。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都是過程變量函數，隨工況的變化而變化，這種變化將影響測量的精度，并導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，傳統的計算方法不能真正表達流體的實際流量，特別是在較大的流量變化范圍內，造成一定的誤差。
為了提高測量精度，實現寬范圍內高精度的測量，IAS-8660流量多參數智能變送顯示儀對流量測量實現全工況動態補償，對雷諾數進行線性修正，根據國標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通過測量后進行重新計算，然后再代入標準流量計算公式，現場完成被測流體的質量流量計算，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：節流件節流孔直徑的溫度補償和差壓變送器的溫度補償。（1）節流件節流孔直徑的溫度補償由上所述，在式（1）中，節流件節流孔直徑d應為工作條件下的數值，而在孔板的設計、加工、檢測中，均以常溫狀態下的數值為依據。顯然，與工況條件相比，是有一定誤差的，主要是溫度系數造成在不同溫度下兩者的直徑有一些不同，在常規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，而且在計算機高度發展的今天，*有可能來解決這一問題。IAS-8660就是利用計算機技術，根據測得的孔板實際溫度，按照孔板材料的溫度系數曲線進行實時修正，從而進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，但由于節流件的材料和管道的材料具有幾乎相近的溫度系數曲線，因此β值對溫度變化來說可以認為是一常數，為了適當的簡化運算，此處就不再進行修正。
（2）差壓變送器的溫度補償為了進一步提高測量精度，以適應不同條件下的使用環境，IAS-8660還對差壓變送器實現寬溫度補償。
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室兩側的壓力差使中心膜片產生相應的變形位移，位移量與差壓成正比。這種位移進而轉變為電容極板上形成的差動電容，差動電容量和過程差壓的關系可由下式表達：
式中：K為常數；CH為高壓側極板和傳感膜片之間的電容量；CL為低壓側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系。雖然在一定的溫度變化范圍內其彈性系數的變化是很小的，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，通過計算機運算，對彈性系數進行實時修正，在-40℃～120℃范圍內實現零溫度系數，從而提高測量精度，向下拓展了下限測量范圍，并擴大了工作溫度的適應范圍。
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實際需要加以調節），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雖然是過熱水蒸氣，但與傳感器接觸的被測介質一般是過熱水蒸氣經冷卻后形成的冷凝水。顯然，在這種信號傳遞過程中，被測介質發生了相變，這種相變對測量的準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定的、隨機的、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供汽的過程中，冷凝水位將會發生一些不可預計的變化。
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，儀表測量管道內的冷凝水水位是一個動態平衡過程，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，一旦用戶關閉了儀表上游側的主閥門，經過一段時間，主管道內的蒸汽流盡，就沒有了補充冷凝水，一旦當儀表高、低壓側測量管道內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，就會產生一個附加壓差，這個隨機產生的壓差的極性可正可負。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，一旦當蒸汽主管道上的壓力低于某一定值時（比如0.1MPa），就認為管道處于停運狀態，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
根據以上所述可知，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系，在零點附近時，dQ/dΔP趨向于無窮）；另一方面，測量管道內水位的不平衡也會導致測量的偏差。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因素造成的誤差，能否在安裝工藝上作些改進呢?IAS-8660在這一方面也做了些嘗試。
在一個完成了安裝和調試并已經投運的測量系統中，系統誤差已經確定，影響測量準確性的隨機誤差主要來自于管路。管道越長，誤差發生的機率越大，誤差產生的數值也越大。根據誤差理論，系統誤差可以通過系統的修正值來加以消除或減小，而隨機誤差一般是不能通過系統本身的修正來加以消除的。但是一個實際測量系統的誤差正是由這兩種誤差疊加而成的，如果一個系統的系統誤差很小而隨機誤差較大，則在實際運行中就達不到一定的精度。
為了提高系統的整體精度，IAS-8660對安裝工藝作了一些改進。首先，將孔板節流件、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，既解決了傳統測量方法所帶來的一系列弊端，有效的減小了隨機誤差，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，不僅縮小了整個裝置的體積，還減少了現場安裝的工作量，特別是有效地減小了系統的隨機誤差，對提升整個系統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，且出廠時經過嚴格測試，安裝質量有了較大的保證，減少了在運行過程中的日常維修保養的工作量，減輕了勞動強度。
綜上所述，IAS-8660流量多參數智能變送顯示儀由于采用了上述的一些特殊技術，使它的測量精度大為提高，在上海市技術*多次檢測中一直保持很高的合格率，并得到上海市經委節能辦的推薦，其測量技術在差壓式流量計系列中處于地位。
