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1.密度補(bǔ)償混亂
蒸汽應(yīng)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zui為合理，但受限于計量水平和傳統(tǒng)的以質(zhì)量為結(jié)算單位的習(xí)慣，目前在實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(bǔ)償?shù)膯栴}，到目前為止，ISO 標(biāo)準(zhǔn)委員會和我國計量機(jī)構(gòu)沒有確定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的密度補(bǔ)償模型，導(dǎo)致實際使用中各種密度補(bǔ)償方式并存。由此導(dǎo)致的第1 個計量問題就是蒸汽密度補(bǔ)償混亂。
參照其他氣體介質(zhì)，水蒸氣的各熱力學(xué)參數(shù)之間應(yīng)存有簡單、規(guī)律性的相互的關(guān)系，這樣在具有部分測量參數(shù)的條件下，可通過簡單的參數(shù)關(guān)系求解出其他參數(shù)。但在實際測量研究中發(fā)現(xiàn)，水蒸氣的各個熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系非常復(fù)雜，很難用簡單的線性關(guān)系式來表達(dá)，其關(guān)系式是非線性的，且計算量非常大。針對不同溫度范圍和使用要求，研究者開發(fā)出了眾多的密度補(bǔ)償模型。公式化委員會( IFC) 于1967 年，在第6 屆水蒸氣性質(zhì)會議上，研究公布了水蒸氣的標(biāo)準(zhǔn)公式IFC－67 。后來為了解決IFC－ 67 公式在某些狀態(tài)臨界區(qū)域精度比較低和狀態(tài)臨界區(qū)域邊界上按照不同方式求解存在不一致性的問題，1997 年水和水蒸氣協(xié)會提出用IAPWS－ IF97 水蒸氣數(shù)學(xué)模型取代IFC － 67。與IFC －67 相比，這一模型具有度高、計算速度快等優(yōu)點(diǎn)。此外基于狀態(tài)方程法的密度補(bǔ)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)中的公式之一，其在250 ℃以內(nèi)的過熱蒸汽與數(shù)表有很好的符合程度，然而其線性化處理后作飽和蒸汽計算時存在較大的原理誤差，需采用zui小二乘法進(jìn)行修正。而莫里爾狀態(tài)方程公式簡單，同時在壓力不很高的時候具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度。
2.蒸汽計量干度補(bǔ)償精度低
蒸汽流量計量的第2 個問題是目前蒸汽儀表計量時的蒸汽狀態(tài)只能為過熱蒸汽或者飽和蒸汽，一旦蒸汽轉(zhuǎn)換為氣液兩相流就束手無策。在實際的蒸汽傳送中，經(jīng)過長距離的輸送，由于熱量的散失，飽和蒸汽不可避免地會轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)用于測量蒸汽干度; 英國GEC 研制了基于凝結(jié)法的凝結(jié)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，目前還沒有較為實用的兩相流蒸汽計量儀表。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)實施動態(tài)監(jiān)控，確保蒸汽儀表測量介質(zhì)處于過熱或者飽和狀態(tài)。
3.蒸汽流量儀表量值溯源難
目前，用于蒸汽流量計量值溯源和檢定測試的實流標(biāo)準(zhǔn)裝置按照介質(zhì)分類主要有3 類，第1 類是以蒸汽為檢測介質(zhì)的蒸汽實流計量標(biāo)準(zhǔn)裝置，這種裝置的檢測條件雖然與使用工況條件zui為相近，但由于裝置設(shè)計要求高、實現(xiàn)難度大、檢測成本高等特點(diǎn)，所以很少使用。目前國內(nèi)僅國家蒸汽流量計量站有一套在用。第2 類是以水為介質(zhì)的液體流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置，此類裝置精度高，但是與蒸汽的工況條件相差甚遠(yuǎn)。第3 類是以空氣為介質(zhì)的氣體流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置。由于蒸汽介質(zhì)裝置難以實現(xiàn)，目前國內(nèi)外允許用水流量和空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置替代蒸汽實流裝置對蒸汽流量儀表進(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(biāo)準(zhǔn)裝置和空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置以及水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了大量的對比實驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)以空氣或水代替蒸汽進(jìn)行量值溯源存在兩大問題: 一是無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(xiàn)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(fù)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的儀表系數(shù)存在較大差異。具體差異以下述一個實驗事例說明: 將DN50 mm 口徑渦街流量計分別在水、空氣、蒸汽三種流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行標(biāo)定實驗，保證前直管段20D ( D 為管道直徑) 、后直管段10D，依次選取zui小流量( qmin) 到zui大流量( qmax) 的20%、40%、60%、80% 和 共計6 個流量點(diǎn)，每個流量點(diǎn)重復(fù)檢定3 次，分別計算其儀表系數(shù)、重復(fù)性等相關(guān)數(shù)據(jù)。水、空氣、蒸汽三種介質(zhì)的實驗工況條件如表1 所示。實驗得到的水、空氣、蒸汽三種介質(zhì)下的儀表系數(shù)對比圖如圖1 所示。
結(jié)合圖1 數(shù)據(jù)并綜合國家蒸汽流量計量站幾年來積累的不同規(guī)格型號的渦街流量計的實驗數(shù)據(jù)看，以空氣為介質(zhì)檢定得到的儀表系數(shù)K 值比以水為介質(zhì)檢定得到的儀表系數(shù)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(shù)K 值偏大1. 5% ～ 3%，儀表系數(shù)K 值偏差的大小因儀表廠家和規(guī)格型號的不同而略有變化，但從定性分析上看，偏差的正負(fù)基本趨勢相同。由此可見，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的誤差不容忽視。
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，蒸汽流量計量面臨的密度補(bǔ)償混亂的局面必將由國家制定統(tǒng)一規(guī)范的密度補(bǔ)償方法來打破; 蒸汽干度測量方面也將會隨著氯根法、熱力學(xué)法、光學(xué)法、微波法以及超聲波法等技術(shù)的不斷完善而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的高精度計量; 蒸汽儀表溯源方面一是積極推廣蒸汽實流標(biāo)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(xù)進(jìn)行深入實驗研究，以期建立一套用空氣和水作為替代介質(zhì)檢定時的儀表系數(shù)數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型，來提高低檢定成本時的計量精度。
