蒸汽流量計量現狀及存在問(wèn)題

水蒸氣是煤、天然氣、石油、核能等轉化能量的一種媒介，是一種重要的二次清潔能源，主要是利用其所載之熱能或其做功能力。由于水蒸氣具有清潔環(huán)保、能效高等特點(diǎn)，因而被廣泛應用于電廠(chǎng)、石油化工、食品、機械加工等工業(yè)生產(chǎn)和人民的日常生活中。據統計，我國每年產(chǎn)蒸汽20億t（不含電廠(chǎng)發(fā)電用汽），產(chǎn)值達4000多億元；在美國45%燃料用于制造業(yè)中加熱產(chǎn)生蒸汽，用于生產(chǎn)。

目前世界能源日益枯竭，節能降耗已成為能源利用的一致訴求。對在能源領(lǐng)域占有重大比重的水蒸氣的準確計量對于促進(jìn)節能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)能源管理水平起著(zhù)關(guān)鍵的作用。然而蒸汽性質(zhì)比較復雜，蒸汽流量在計量的過(guò)程中受蒸汽性質(zhì)狀態(tài)以及蒸汽流量計的設計、安裝和使用等各種因素的影響，導致其計量精度相對于液體和其他氣體流量的計量精度要低。本文結合國家蒸汽流量計量站多年的工作經(jīng)驗，對目前的蒸汽流量計量現狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行歸納梳理。

1 蒸汽計量現狀

從國內外的研究報道來(lái)看，蒸汽流量計量現存在著(zhù)諸多問(wèn)題。英國國家工程研究所（NEL）在一份“蒸汽流量測量技術(shù)現狀”的報告中指出蒸汽流量計量由于受蒸汽狀態(tài)多變影響，所以精度普遍不高，有的計量偏差甚至在百分之十幾以上，報告還指出人們普遍將精力投放在如何提高蒸汽的利用率，而忽視了蒸汽流量的準確計量。

長(cháng)期以來(lái)，蒸汽在工業(yè)生產(chǎn)、輸送、使用和損耗上以質(zhì)量流量作為結算單位，這樣對主要以熱能為利用目的的蒸汽在計量方案、檢測手段和收費政策等方面造成了諸多不便。在國內，研究者和工程技術(shù)人員對蒸汽流量計量現狀反映的問(wèn)題也比較多。王云紅指出公司內部蒸汽的計量管網(wǎng)偏差達到了16%，認為蒸汽的性質(zhì)、儀表的選型安裝、儀表的檢定是出現計量問(wèn)題的主要因素。雖然通過(guò)改進(jìn)儀表的選型安裝，蒸汽的管網(wǎng)計量偏差會(huì )降低，但受蒸汽性質(zhì)及采用氣體介質(zhì)進(jìn)行儀表檢定方式的影響，還會(huì )存在大約5%的計量偏差。王京安指出蒸汽計量存在的問(wèn)題較多，認為我國在蒸汽計量上存在無(wú)統一的標準，蒸汽的計量無(wú)干度的修正、缺乏儀表的選型與安裝規范等問(wèn)題，導致蒸汽計量精度比較低。鄭燦亭指出，目前在我國石油石化系統是蒸汽的使用大戶(hù)，其內部蒸汽計量問(wèn)題比較多。蒸汽計量精度低，供需雙方偏差最高可達45%，偏差在20%以上是經(jīng)常的事。

2 蒸汽流量計量存在問(wèn)題的分析

2.1 密度補償混亂

蒸汽應用是利用其所載之熱能或做功能力，因此蒸汽流量的計量采用熱能計量最為合理，但受限于計量水平和傳統的以質(zhì)量為結算單位的習慣，目前在實(shí)際操作中仍然采用質(zhì)量進(jìn)行計量。涉及到質(zhì)量計量就需要面對密度補償的問(wèn)題，到目前為止，ISO國際標準委員會(huì )和我國計量機構沒(méi)有確定統一標準的密度補償模型，導致實(shí)際使用中各種密度補償方式并存。由此導致的第1個(gè)計量問(wèn)題就是蒸汽密度補償混亂。

參照其他氣體介質(zhì)，水蒸氣的各熱力學(xué)參數之間應存有簡(jiǎn)單、規律性的相互聯(lián)系的關(guān)系，這樣在具有部分測量參數的條件下，可通過(guò)簡(jiǎn)單的參數關(guān)系求解出其他參數。但在實(shí)際測量研究中發(fā)現，水蒸氣的各個(gè)熱力學(xué)參數之間的關(guān)系非常復雜，很難用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系式來(lái)表達，其關(guān)系式是非線(xiàn)性的，且計算量非常大。針對不同溫度范圍和使用要求，研究者開(kāi)發(fā)出了眾多的密度補償模型。國際公式化委員會(huì )（IFC）于1967年，在第6屆水蒸氣性質(zhì)國際會(huì )議上，研究公布了水蒸氣的國際標準公式IFC－67。后來(lái)為了解決IFC－67公式在某些狀態(tài)臨界區域精度比較低和狀態(tài)臨界區域邊界上按照不同方式求解存在不一致性的問(wèn)題，1997年國際水和水蒸氣協(xié)會(huì )提出用IAP-WS－IF97水蒸氣數學(xué)模型取代IFC－67。與IFC－67相比，這一模型具有精確度高、計算速度快等優(yōu)點(diǎn)。此外基于狀態(tài)方程法的密度補償公式有烏卡諾維奇方程和莫里爾方程。烏卡諾維奇方程是工程熱力學(xué)中著(zhù)名的公式之一，其在250℃以?xún)鹊倪^(guò)熱蒸汽與數表有很好的符合程度，然而其線(xiàn)性化處理后作飽和蒸汽計算時(shí)存在較大的原理誤差，需采用最小二乘法進(jìn)行修正。而莫里爾狀態(tài)方程公式簡(jiǎn)單，同時(shí)在壓力不很高的時(shí)候具有相當的準確度。

2.2 蒸汽計量干度補償精度低

蒸汽流量計量的第2個(gè)問(wèn)題是目前蒸汽儀表計量時(shí)的蒸汽狀態(tài)只能為過(guò)熱蒸汽或者飽和蒸汽，一旦蒸汽轉換為氣液兩相流就束手無(wú)策。在實(shí)際的蒸汽傳送中，經(jīng)過(guò)長(cháng)距離的輸送，由于熱量的散失，飽和蒸汽不可避免地會(huì )轉換為濕蒸汽。對于濕蒸汽的計量也有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，西安交通大學(xué)的李炎峰研制了基于加熱法的雙層套管結構用于測量蒸汽干度；英國GEC研制了基于凝結法的凝結式量熱計；韓中合、張淑娥等研究了一種基于微波諧振腔微擾的快速無(wú)接觸蒸汽干度測量方法，但是這些方法的測量精度和適用范圍都有較大局限性，目前還沒(méi)有較為實(shí)用的兩相流蒸汽計量?jì)x表。在蒸汽干度測量技術(shù)成熟之前為了保證蒸汽流量計量精度需要對蒸汽品質(zhì)實(shí)施動(dòng)態(tài)監控，確保蒸汽儀表測量介質(zhì)處于過(guò)熱或者飽和狀態(tài)。

2.3 蒸汽流量?jì)x表量值溯源難

目前，用于蒸汽流量計量值溯源和檢定測試的實(shí)流標準裝置按照介質(zhì)分類(lèi)主要有3類(lèi)，第1類(lèi)是以蒸汽為檢測介質(zhì)的蒸汽實(shí)流計量標準裝置，這種裝置的檢測條件雖然與使用工況條件最為相近，但由于裝置設計要求高、實(shí)現難度大、檢測成本高等特點(diǎn)，所以很少使用。目前國內僅國家蒸汽流量計量站有一套在用。第2類(lèi)是以水為介質(zhì)的液體流量計量標準裝置，此類(lèi)裝置精度高，但是與蒸汽的工況條件相差甚遠。第3類(lèi)是以空氣為介質(zhì)的氣體流量計量標準裝置。由于蒸汽介質(zhì)裝置難以實(shí)現，目前國內外允許用水流量和空氣流量標準裝置替代蒸汽實(shí)流裝置對蒸汽流量?jì)x表進(jìn)行檢測。為了驗證用空氣和水作為替代介質(zhì)進(jìn)行檢定是否可行，由此引入的計量誤差到底有多大，國家蒸汽流量計量站利用本站的蒸汽流量標準裝置和空氣標準裝置以及水流量標準裝置進(jìn)行了大量的對比實(shí)驗，通過(guò)實(shí)驗發(fā)現以空氣或水代替蒸汽進(jìn)行量值溯源存在兩大問(wèn)題：一是無(wú)法檢驗蒸汽儀表測量部件的耐高溫高壓特性；多年的蒸汽計量工作中發(fā)現大量蒸汽儀表特別是國產(chǎn)儀表的耐高溫高壓特性較差，在高溫高壓下失去儀表特性，降至室溫后重新放置到空氣裝置上又恢復了良好的計量精度。二是在蒸汽、空氣和水介質(zhì)中都能保持良好計量特性的蒸汽儀表檢測出來(lái)的儀表系數存在較大差異。具體差異以下述一個(gè)實(shí)驗事例說(shuō)明：將DN50mm口徑渦街流量計分別在水、空氣、蒸汽三種流量標準裝置上進(jìn)行標定實(shí)驗，保證前直管段20D（D為管道直徑）、后直管段10D，依次選取最小流量（qmin）到最大流量（qmax）的20%、40%、60%、80%和100%共計6個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)重復檢定3次，分別計算其儀表系數、重復性等相關(guān)數據。水、空氣、蒸汽三種介質(zhì)的實(shí)驗工況條件如表1所示。實(shí)驗得到的水、空氣、蒸汽三種介質(zhì)下的儀表系數對比圖如圖1所示。

表1 實(shí)驗工況條件

圖1 DN50mm口徑空氣、水、蒸汽介質(zhì)下的儀表系數比較

結合圖1數據并綜合國家蒸汽流量計量站幾年來(lái)積累的不同規格型號的渦街流量計的實(shí)驗數據看，以空氣為介質(zhì)檢定得到的儀表系數K值比以水為介質(zhì)檢定得到的儀表系數K值偏大0.3%～0.7%，比以蒸汽為介質(zhì)檢定得到的儀表系數K值偏大1.5%～3%，儀表系數K值偏差的大小因儀表廠(chǎng)家和規格型號的不同而略有變化，但從定性分析上看，偏差的正負基本趨勢相同。由此可見(jiàn)，蒸汽儀表用空氣和水作為替代介質(zhì)進(jìn)行量值溯源對蒸汽流量計量精度帶來(lái)的誤差不容忽視。

3 結束語(yǔ)

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，蒸汽流量計量面臨的密度補償混亂的局面必將由國家制定統一規范的密度補償方法來(lái)打破；蒸汽干度測量方面也將會(huì )隨著(zhù)氯根法、熱力學(xué)法、光學(xué)法、微波法以及超聲波法等技術(shù)的不斷完善而實(shí)現快速準確的高精度計量；蒸汽儀表溯源方面一是積極推廣蒸汽實(shí)流標定提高測量精度，另一方面國家蒸汽流量計量站也將利用自身的有利條件繼續進(jìn)行深入實(shí)驗研究，以期建立一套用空氣和水作為替代介質(zhì)檢定時(shí)的儀表系數數學(xué)補償模型，來(lái)提高低檢定成本時(shí)的計量精度。