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蒸汽作為重要的工藝介質(zhì)和二次能源，在煉化生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)直接參與生產(chǎn)過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)，但通常是利用其提供的熱能。隨著石化裝置規(guī)模的大型化和超大型化，蒸汽用量與日俱增，蒸汽的消耗量成為生產(chǎn)裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)考核的重要指標(biāo)，所以蒸汽的準(zhǔn)確計(jì)量至關(guān)重要。由于蒸汽不能看作理想氣體，因而其測(cè)量時(shí)的密度補(bǔ)償有著特殊的方法和步驟。
１．蒸汽的分類
蒸汽流量的測(cè)量根據(jù)測(cè)量介質(zhì)的物理屬性的不同分為二類：過(guò)熱蒸汽與高干度（干度０．９以上）飽和蒸汽；低干度飽和蒸汽。在煉化生產(chǎn)裝置中，進(jìn)入界區(qū)的蒸汽絕大多數(shù)均為過(guò)熱蒸汽或高干度飽和蒸汽。低干度飽和蒸汽由于極易變?yōu)楹芨叩臐裾羝?，進(jìn)而變成同時(shí)存在氣、液兩相的流體，不但不適合長(zhǎng)距離輸送，而且測(cè)量困難，在石化裝置中很少使用，故不在本文的討論之列，下述蒸汽僅指過(guò)熱蒸汽與高干度飽和蒸汽（簡(jiǎn)稱飽和蒸汽）。
２ 蒸汽流量的主要檢測(cè)方法
２．１ 差壓式流量計(jì)
該類流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)石油化工領(lǐng)域應(yīng)用較廣。其中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件尤其是標(biāo)準(zhǔn)孔板由于無(wú)需實(shí)流標(biāo)定，因而應(yīng)用zui多。該類流量計(jì)也存在以下弱點(diǎn)：
１）量程比較小，一般為３∶１～５∶１。對(duì)于流量測(cè)量范圍變化的工況無(wú)法保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。
２）孔板和變送器之間的引壓管線易堵、易漏、易凍結(jié)，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性和精度，需要維修、維護(hù)的工作量和費(fèi)用較大。
３）安裝的不確定因素較多。如安裝時(shí)的前后直管段、孔板的垂直度、同心度等都將影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，而這些因素在實(shí)際安裝過(guò)程中很難嚴(yán)格滿足。
４）長(zhǎng)期運(yùn)行造成的偏差?？装逶谶\(yùn)行過(guò)程中由于銳角變鈍或者各種原因造成孔板變形或堵塞而引起測(cè)量精度的降低。
可以采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴代替標(biāo)準(zhǔn)孔板，噴嘴與孔板相比具有流出系數(shù)穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)檫吘変J角變鈍使流出系數(shù)發(fā)生變化，在同樣流量及β值時(shí)壓損約為孔板的３０％～５０％。
２．２ 渦街流量計(jì)
與傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)相比，渦街流量計(jì)有一些明顯的優(yōu)勢(shì)：量程比寬，能達(dá)到２０∶１；安裝方便，不需要引壓管線和伴熱；壓力損失比孔板小；精度比差壓式流量計(jì)高。同樣，渦街流量計(jì)也有以下不足：
１）口徑一般為ＤＮ２５～３００，口徑過(guò)大，性價(jià)比顯著降低。
２）通常應(yīng)用于介質(zhì)溫度２００℃以下的場(chǎng)合，當(dāng)介質(zhì)溫度為２００～４００℃時(shí)，需要確認(rèn)檢測(cè)方法（如電容式）及適用的溫度范圍。
３）測(cè)量要求的雷諾系數(shù)比孔板高出一倍。
４）抗振性差，對(duì)于振動(dòng)要求苛刻，無(wú)法測(cè)量脈動(dòng)流。
２．３ 浮子流量計(jì)
浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方式多限制于垂直管道安裝，且一般只適用于小管徑、低流速下的測(cè)量，因此在石油化工裝置中應(yīng)用不多。
２．４ 超聲流量計(jì)
超聲流量計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，無(wú)額外的壓力損失。超聲流量計(jì)的檢測(cè)方法主要分為傳播時(shí)間法和多普勒法。其中傳播時(shí)間法多用于清潔、單相液體和氣體的測(cè)量；多普勒法可適用于測(cè)量包含一定數(shù)量氣泡或顆粒的液體。雖然國(guó)外市場(chǎng)已推出了用于測(cè)量蒸汽的該類儀表，但是目前在國(guó)內(nèi)使用不多。
２．５ 分流旋翼式蒸汽流量計(jì)
主要用于低壓力、小口徑的就地直讀蒸汽流量及總量測(cè)量，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、價(jià)格低廉、精度適中（±２．５％Ｒ），但翼輪部件軸承為易損件，需要定期更換維修。由于壓力受限，因而在石油化工裝置中很少應(yīng)用。
３ 過(guò)熱蒸汽流量的密度補(bǔ)償
３．１ 差壓式流量計(jì)的密度補(bǔ)償
差壓流量計(jì)流量計(jì)算如下式：
式中：ｑｍ———質(zhì)量流量；Ｃ———流出系數(shù)；ε———可膨脹系數(shù)；β ———直徑比；Ａ０———節(jié)流孔面積；Δｐ———差壓；ρ———密度。
由式（１）可知，ρ與Δｐ 處于同等重要的地位，它對(duì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確性有直接的影響，因而要求該數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能準(zhǔn)確。對(duì)于可壓縮流體，其密度值不能視為常數(shù)，一定要經(jīng)過(guò)某種測(cè)量或者計(jì)算才能得到一個(gè)相對(duì)可靠的流量值。密度補(bǔ)償分為兩種：查表法；公式計(jì)算法。
３．１．１ 查表法
１９６３年公式化委員會(huì)（Ｉ．Ｆ．Ｃ）為了統(tǒng)一上水蒸氣熱力性質(zhì)的數(shù)據(jù)，經(jīng)會(huì)議研究協(xié)商，制定了水蒸氣熱力性質(zhì)的骨架表，提出了“工業(yè)用１９６７年Ｉ．Ｆ．Ｃ公式"?，F(xiàn)在各國(guó)使用的水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表，是根據(jù)上述公式計(jì)算而編制的。由于該公式十分復(fù)雜，有大量的迭代及超越函數(shù)計(jì)算，一般使用者很難直接使用它，研究者根據(jù)該公式經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證編制了蒸汽性質(zhì)表格。該表格有飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽密度表（比容表）。
由于過(guò)熱蒸汽密度與溫度、壓力均有關(guān)，可以將過(guò)熱蒸汽密度表導(dǎo)入計(jì)算機(jī)的特定存儲(chǔ)空間，根據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓力查出對(duì)應(yīng)的密度值。對(duì)于兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)內(nèi)插值處理獲得。該種方法能夠得到一個(gè)度較高的密度值，但需要注意以下事項(xiàng)：
１）由于需要測(cè)量的蒸汽溫度和壓力都在一個(gè)可以預(yù)測(cè)的特定范圍內(nèi)波動(dòng)，需提前人工判斷所測(cè)量蒸汽為過(guò)熱蒸汽還是飽和蒸汽。如需要檢測(cè)的流量可能兩種情況兼而有之，則需分別導(dǎo)入過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽的密度表，并有相應(yīng)的判斷條件。
２）對(duì)于不在需要測(cè)量工況內(nèi)的密度表可以不導(dǎo)入，不需要測(cè)量數(shù)據(jù)的工況（如開(kāi)停車或事故工況）不導(dǎo)入，這樣能極大地減輕控制系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷。
３）核對(duì)開(kāi)平方是由現(xiàn)場(chǎng)流量差壓變送器實(shí)現(xiàn)還是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
４）核對(duì)測(cè)量壓力是表壓還是絕壓。
３．１．２ 公式計(jì)算法
過(guò)熱蒸汽的密度為溫度、壓力的二元函數(shù)，即ρ＝ｆ（ｐ，Ｔ），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，當(dāng)前工程上常用的過(guò)熱蒸汽密度計(jì)算公式主要如下。
３．１．２．１ 烏卡諾維奇狀態(tài)方程
式中：ｐ———絕壓，Ｐａ；Ｔ———溫度，Ｋ；ρ———密度，ｋｇ／ｍ３；Ｒ———?dú)怏w常數(shù)，Ｒ＝４６１Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；＝１０３／Ｔ；ａｉ，ｂｉ，ｃｉ，ｄｉ均為常數(shù)。
３．１．２．２ 莫里爾狀態(tài)方程
式中：ｐ———絕壓，０．１ＭＰａ；Ｔ———溫度，Ｋ；ρ———密度，ｋｇ／ｍ３。
３．１．２．３ ＩＡＰＷＳ－ＩＦ９７公式
１９９７年，水和水蒸汽性質(zhì)委員會(huì)（ＩＡＰＷＳ）在工業(yè)應(yīng)用上采用了一種新的水和水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)公式，即工業(yè)用的ＩＡＰＷＳ－ＩＦ９７公式，簡(jiǎn)稱ＩＦ９７公式。它的適用范圍更為廣泛，在ＩＦＣ６７公式上增加了低溫高壓區(qū)。ＩＦＣ６７公式的適用范圍：２７３．１５Ｋ≤Ｔ≤１ ０７３．１５Ｋ，０≤ｐ≤１００ＭＰａ，ＩＦ９７公式的適用范圍：２７３．１５Ｋ≤Ｔ ≤２?。玻罚常保担?，０≤ｐ ≤１００ＭＰａ。ＩＦ９７公式擴(kuò)大了適用范圍，簡(jiǎn)化了區(qū)域劃分，計(jì)算公式形式簡(jiǎn)單，便于實(shí)際應(yīng)用和編程計(jì)算。
ＩＦ９７公式雖然計(jì)算比ＩＦＣ６７公式簡(jiǎn)化了很多，但由于大量的邊界條件及導(dǎo)出方程的計(jì)算仍然需要專門的計(jì)算軟件或模塊，加之在工業(yè)蒸汽流量計(jì)量常用的范圍內(nèi)（溫度：０～６００ ℃；壓力：０．１～５ＭＰａ），兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果偏差非常小，因此在蒸汽流量計(jì)量方面，人們?nèi)匀黄毡槭褂么蠹冶容^熟悉的蒸汽密度表。
３．１．２．４ 其他方程
該部分方程多由蒸汽密度表經(jīng)過(guò)zui小二乘法進(jìn)行曲線擬合得來(lái)，但進(jìn)行曲線擬合有一定難度，且一定要注意其適用的范圍并作回歸檢驗(yàn)。
３．２ 幾種密度補(bǔ)償方法的比較
對(duì)于上述方法，取部分點(diǎn)進(jìn)行比較驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表１所列。
由表１ 可得到，在溫度為２１０ ℃，壓力為４ＭＰａ時(shí)，烏卡諾維奇狀態(tài)方程和莫里爾狀態(tài)方程得到的密度結(jié)果出現(xiàn)了偏差，之后偏差越來(lái)越大。
事實(shí)上，對(duì)于不同溫度范圍，烏卡諾維奇狀態(tài)方程和莫里爾狀態(tài)方程隨著壓力增大，偏差也越來(lái)越大，所以在使用這兩個(gè)方程進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)一定要對(duì)介質(zhì)的工況進(jìn)行分析，不可盲目地使用。
３．３ 渦街流量計(jì)的密度補(bǔ)償
旋渦流量計(jì)旋渦發(fā)生的頻率與平均流速成正比，其流量公式為
ｑｖ ＝ｆ/Ｋ
ｑｍ ＝ρｑｖ
式中：Ｋ———流量計(jì)的儀表系數(shù)，Ｋ 的值不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響；ｆ———渦街發(fā)生的頻率。
從式（４）～（５）中可以看到，渦街流量計(jì)的密度補(bǔ)償與差壓流量計(jì)一樣，是通過(guò)計(jì)算密度ρ來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是有以下幾點(diǎn)需要注意：
１）渦街流量計(jì)的輸出有頻率信號(hào)和模擬信號(hào)兩種，模擬輸出是在頻率輸出的基礎(chǔ)上經(jīng)Ｄ／Ａ 轉(zhuǎn)換得到的。該轉(zhuǎn)換約損失０．１％度，所以測(cè)量蒸汽流量時(shí)，優(yōu)先選擇頻率輸出。
２）渦街流量計(jì)測(cè)量值為體積流量，在測(cè)量氣體的質(zhì)量流量時(shí)，一定需要進(jìn)行補(bǔ)償。有的智能型渦街流量計(jì)自帶溫度或壓力補(bǔ)償，但測(cè)量需要溫度、壓力雙補(bǔ)償?shù)慕橘|(zhì)時(shí)（如過(guò)熱蒸汽），需要關(guān)閉流量計(jì)自帶的補(bǔ)償功能。
４ 飽和蒸汽流量的密度補(bǔ)償
飽和蒸汽的密度補(bǔ)償要比過(guò)熱蒸汽簡(jiǎn)單，通常認(rèn)為飽和水蒸氣密度是溫度或壓力的一元函數(shù)，即ρ＝ｆ（Ｔ）或ρ＝ｆ（Ｐ），所以只需要知道飽和蒸汽的壓力或者溫度，通過(guò)查表法或者公式法就能知道飽和蒸汽的密度。在目前的智能儀表中通常根據(jù)量程和精度的需要，借助飽和水蒸氣密度表進(jìn)行分段函數(shù)擬合，得到符合精度要求的解析式來(lái)計(jì)算飽和水
蒸氣的密度，此時(shí)一定要注意分段函數(shù)的邊界條件。
通過(guò)上述比較可以看出，盡管查表法需要導(dǎo)入蒸汽密度表，查詢及內(nèi)插值法的計(jì)算會(huì)增加計(jì)算負(fù)荷，但其在準(zhǔn)確性上有著*的優(yōu)點(diǎn)。公式法雖然更直觀且簡(jiǎn)化了計(jì)算負(fù)荷，但運(yùn)用過(guò)程中一定要注意使用的邊界條件，否則有可能對(duì)于補(bǔ)償計(jì)算產(chǎn)生重大影響。雖然蒸汽流量的密度補(bǔ)償十分繁瑣，但蒸汽密度補(bǔ)償?shù)睦碚摵陀?jì)算已經(jīng)相當(dāng)完備，只要設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員足夠重視，一定能找到符合裝置要求的密度補(bǔ)償方法。
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