涡街流量计在集中供热系统中的蒸汽计量

      集中供热应用主要是工业和民用建筑的采暖、通风、空调和热水供应以及各种生产过程中的加热、烘干、蒸煮、清洗、溶化、致冷、汽锤和汽泵等操作，城市集中供热对为于节约能源，改善环境，提高人民群众的生活水平，以及降低相关行业的生产成本与提高生产率有着重要的意义，随着城市集中供热的发展和大批热电厂的建立，我国的集中供热已经有了相当的规模。根据使用的热媒不同，集中供热分为热水供热系统和蒸汽供热系统。其中，蒸汽供热系统中的蒸汽计量由于事关热力公司于用户双方经济利益，又是衡量热力公司管网效率，管网维护水平的直接依据。因而蒸汽计量的准确与否是一个十分重要的问题。本文简述了涡街流量计等相关测量仪表在集中供热中蒸汽计量中的原理、系统及管路安装状况，分析了系统在计量、测量过程中产生误差的原因，以及解决这些问题的方法。
　　一、蒸汽计量的原理及系统
　　1、流量
　　流体在单位时间内流过管道或设备某横截面的数量称为流量。该数量可以用容积，重量和质量来表示。因此，流量可分别用容积流量（用Q表示，单位为立方米/秒、升/分、立方米/时）重量流量（用G表示，单位为公斤/秒、公斤/时或吨/时）质量流量（用M表示，单位为克/秒、千克/时）
　　三者的关系是：
　　M=ρQ
　　G=γQ
　　G=gM
　　其中：ρ——流量密度
　　γ——流体的重度（单位流体的重量）；γ=pg
　　g——单地重力加速度
　　在生产和科研中，有时需要知道某一段时间内流过流体的总量，称为累积流量，它等于该时间内流量对时间的积分。与累积流量相对应的流量又称瞬时流量。
　　2、涡街流量计
　　随着科学技术的发展，人们对流量检测精度的要求也越来越高，自1969年日本横河电机株式会社和美国Easteen公司几乎同时推出世界上*批涡街流量计以来，它就以适用流体种类多（液体，汽体，蒸汽），精度高，量程比大（100/1），安装简单方便，压力损失小，使用寿命长，几乎不受温度、压力等变化的影响等优点而受到大家的青睐，并且得到了**的使用。其工作原理如下：
　　旋涡流量计是利用流体力学中卡门涡街的原理制作的一种仪表，把一个非流线型的对称形状的物体（如图：柱体、三角柱体、矩形柱体、六角柱体等，以下简称旋涡发生体）垂直插入管道中，流体绕过发生体时，出现了分离，在旋涡发生体的左右两侧后方会交替产生旋涡，形成涡列，如图（1）所示，左右两侧的旋涡旋转方向相反，这种旋涡通常称为卡门涡街列，也称卡门涡街。卡门涡街的释放频率与流体的流动速度及柱状物的宽度有关系，可用下式表示
　　f=stv/d
　　f——卡门涡街的释放频率；
　　st——系数（称为卡特罗哈数；）
　　v——流速；
　　d——柱状物的宽度；



　　图1
　　卡门涡街释放频率f和流速v成正比。因此，通过测量卡门涡街释放频率就可算出瞬时流量。卡特罗哈数是无因次未知数，是旋涡流量计的重要系数。
　　转换器是把涡街道办事处检测的电荷转换成脉冲信号输出。现使用的是脉冲信号输出。
　　电路图下：
　　图2
　　从压元件输出的分变电荷经过转换变成与电荷量成正比的电压。通过加法器，把两个电荷转换器输出的相位差180度的电压相加。可以得到信噪比大的电压输出信号输出。通过AC放大器，低通滤波器进行信号放大和消除噪声。史密特整形器能防止由噪声产生的震荡。从史密特整形器输出的信号，通过脉冲输出放大器，使之转换成与接收装置输入端相适应的脉冲信号。NB（噪声平衡）的调整是借调整2片压电元件输出中的噪声分的比，使受到噪声影响小，得到信噪比大的信号，对TLA（触发输出电平）的调整，起到抑制振动等干扰作用。
　　3、蒸汽计量系统的介绍
　　如图3所示为目前较为合理的计量系统框图
　　图3
　　图中通过热电阻，压力变送器测出蒸汽的温度、压力，然后与转换器输出的脉冲信号一起送到智能型蒸汽流量表，由仪表中单片微机，计算瞬时流量、累积流量及蒸汽温度、压力和旋涡发生体的频率值。当外供电源停电时，图中的逆变电源可以自动向计量系统供电，防止停电时蒸汽无法计量。加入记录仪是为了计录用户一个月中每小时的瞬时用汽量，便于供热单位随时了解用户的负荷情况，便于计量收费。同时流量表通过电话线与上位机相连，一天24小时不间断地把用户用汽的压力、温度、瞬时流量、累计流量传送到上位机上，以便热力公司对这些参数进行监控，以便及时发现问题。
　　4、系统管路安装情况
　　图4为蒸汽计量系统管路示意图。图中1为用户进汽阀；2旋涡发生体；3为转换器；4为压力变送器；5为压力取样点；6为温度取样点；7为阀门；8为除污器；9为阀门；10为减压阀；11为安全门。目前涡街蒸汽流量测量系统大多采用如此步置。
　　图4
　　流量计在设计上已经考虑到恶劣条件下工作，但为了长期保持它的精确度和稳定性，必须考虑下列因素：环境温度，环境空气，机械振动与冲击。
　　在涡街流量计安装时，应在其上游侧配置20D（D为流量计的公称通径）以上的直管段和下游侧配置长度为5D以上的直管段。测压点设置在下游距离旋涡发生体（流量计中心线）3.5D～5.5D位置。当需要测量温度时测温点设置在下游侧距离旋涡发生体6D～8D的位置。
　　二、蒸汽流量的误差分析
　　1、两相流引起的误差
由涡街流量计的原理可得知，目前**使用的卡门涡街流量计在测量蒸汽时，如果供热公司输送到用户的是过热蒸汽，则由质量M=ρQ，其中，Q为体积，与卡门涡街的频率有关；ρ为蒸汽密度，与蒸汽的压力、温度有关，由公式进行查表补偿可以求出瞬时质量流量和累积质量流量。但是，从目前的情况看，很多时候，供热公司输送到用户的汽、液两相共存的湿饱和蒸汽。这是因为，蒸汽在沿管路流动时，因克服摩擦阻力和局部阻力，压力逐渐下降，管壁散热，热焓逐渐降低，从而使蒸汽中含水。如果准确测量质量流量，应将湿蒸汽的干度值参与质量流量的计算。但由卡门涡街流量表的原理分析可知，在汽、液两相共存的情况下，智能型蒸汽流量表仍按蒸汽的体积流量来计算质量，水与蒸汽的密度比相差悬殊，故使测量的质量流量下降。这是造成供热公司管网损失的重要原因。
　2、流量计不当造成误差 
　　在测量高压蒸汽时，如果流量计上游安装截流阀，且直管段20D以内，阀门接近关闭，而低压侧与大气相通，那就不可能进行精确测量。另外，安装流量计的配管內径一般应等于或略大于流量仪表的內径。如果配管的实际内径略小于流量仪表内径（3%以內），虽然不会对仪表本身所固有的k值造成影响，但却因流通面积突变引起观流速变化而可能产生附加测量误差。 
　　3、温度变化引起的误差 
　　仪表系数k通常是在常温（20℃）左右标定的，如果被测流体的温度较高或较低，与常温相差较大，由于热胀冷缩会使仪表表体和旋涡发生体的几何尺寸发生变化，造成流通面积变化而引起附加误差。正确的解决方法是对仪表系数进行补偿修正。 
　　此外，由于发生体使用时间过长而引起迎流面堆积，或者发生体两棱边受到磨损，均会引起附加误差。 
　　4、计量仪表选型不合理引起的误差 
　　我国现有涡街流量计厂家近40家，这其中不乏粗制滥造的产品，同时，压力变送器、流量表及热电阻的选型都对整个系统的测量精度产生影响。另外，涡街流量计的口径选择要依靠用户的负荷。温度压力差别不能太大，要综合考虑。否则会造成计量不准确。从而引起误差。 
　　5、蒸汽仪表中涡街流量计的检定问题 
　　根据国家技术监察局的有关规定，对于供热部门与用户参与贸易结算的仪表，每年要进行强检，对于没有检定或检定不和格的计量器具，不准予以使用。目前，多数厂家出厂检定设备非常简陋，远远不能满足生产要求。具有法律效力的国家蒸汽计量检定所还为数不多，这就大大制约了蒸汽计量的发展。其结果，使大多数蒸汽贸易结算计量仪表得不到定期检定，使得相当一部分计量仪表超差运行。 
　　三、蒸汽计量目前还存在的问题 
　　1、由于涡街流量计的检定单位太少，造成个别单位涡街流量计多年未检定或根本不知道到哪儿检定，这样客观造成了蒸汽和热水计量的不准确，解决的办法是国家在各地应尽量多建立蒸汽计量检定站，以利于蒸汽计量仪表的检定。 
　　2、多年来，大部分热力公司对用户蒸汽计量仪表采取每日到用户检查，抄表一次的比较被动的管理方式，这也是造成个别用户偷汽的主要原因。因而及时掌握热用户负荷信息和热工仪表的运行情况，实现热网运行的动态跟踪、监督和集中调度、控制是我们的当务之急。为了解决这一问题，目前，大多数热力公司采用现代计算机监控制系统技术来实现热网集中测控和科学化管理，通过微机联网能及时发现问题、处理问题，保证了蒸汽计量的安全、可靠，并提高了现代化管理程度。

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