仪表
精确蒸汽流量测量的设备，包括差压变送器和数据采集与分析设备。还涵盖了压力变化、蒸汽干度过热等特殊注意事项。
****蒸汽流量计由两部分组成：
- “一次”装置或管道单元，例如安装在蒸汽流中的孔板。
- “二次”装置，例如差压变送器，将信号转换为可用形式。 此外，还会存在某种形式的电子处理器，用于接收、处理和显示信息。该处理器还可能接收压力和/或温度的附加信号，以进行密度补偿计算。
图 4.4.1 显示了一个典型系统。
差压变送器（DP 变送器）
如果管道单元是差压测量装置，例如孔板流量计或皮托管，并且需要电子信号，则二次装置将是差压（DP 或 ΔP）变送器。它将压力信号转换为电信号。然后可以将该信号中继到能够接收、存储和处理这些信号的电子处理器，以满足用户的要求。
典型的 DP 变送器是一种电容式设备，其工作原理是将差压施加到浸入介电油中的金属隔膜的两侧。隔膜形成电容器的一个极板，变送器本体的两侧形成固定极板。差压产生的隔膜运动改变了极板之间的间距，从而改变了变送器的电容，进而导致输出电信号的变化。
隔膜运动的程度与压差成正比。
测量单元的输出信号被馈送到电子电路中，在那里被放大和整流为与负载相关的 4-20 mA 直流模拟信号。然后可以将该信号发送到各种设备以：
- 提供流量指示。
- 与其他数据结合形成控制信号的一部分。 该设备的复杂程度取决于用户希望收集的数据类型。 高级 DP 变送器 ****微电子技术的进步以及日益复杂的控制系统的追求，推动了更先进差压变送器的发展。除了测量差压的基本功能外，现在可以获得具有以下功能的变送器：
- 可以指示实际（而非差压）压力。
- 具有通信能力，例如 HART(R) 或现场总线。
- 具有自我监测或诊断功能。
- 具有”内置”智能，允许进行计算并在本地显示。
- 可以接受额外的输入，如温度和压力。 数据采集 ****收集和处理这些数据有许多不同的方法，包括：
- 专用计算机。
- 独立式 PLC（可编程逻辑控制器系统）。
- 集中式 DCS（分布式控制系统）。
- SCADA（监督控制和数据采集系统）。 数据采集、存储和显示的较简便方法之一是专用计算机。随着微处理器的出现，现在可以获得功能极为丰富的流量监测计算机。 这些设备提供的显示和监测功能包括：
- 当前流量。
- 蒸汽总用量。
- 蒸汽温度/压力。
- 特定时间段内的蒸汽用量。
- 异常流量、压力或温度，并触发远程报警。
- 补偿密度变化。
- 与记录仪连接。
- 与能源管理系统连接。 一些设备可以更准确地称为能源流量计，因为除了上述变量外，它们还可以使用时间、蒸汽表和其他变量来计算和显示功率（kW 或 Btu/h）和热能用量（kJ 或 Btu）。 除了计算机单元外，有时在现场设置流量读数也是有益的。 数据分析 ****数据采集，无论是手动、半自动还是全自动，最终都将用作监测和控制能源成本的管理工具。数据可能需要在一段时间内收集，以便对工艺成本和趋势给出准确的描述。一些生产工艺将需要每天的数据，尽管工业用户通常首选的周期是生产周。配备能够处理统计计算和图形软件的微型计算机通常用于分析数据。一旦测量系统到位，首要目标是确定工艺（例如每小时吨产品）与能源消耗（例如每小时公斤蒸汽）之间的关系。实现这一目标的常用方法是绘制消耗量（或单位消耗量）与产量的关系图，并建立相关性。然而，在解释这种关系的确切性质时需要一些谨慎。主要有两个原因：
- 次要因素可能影响能源消耗水平。
- 主要能源使用的控制可能较差，模糊了任何清晰的关系。 统计技术可用于帮助识别多个因素的影响。应注意的是，使用此类方法时应谨慎，因为在完全独立的两个或多个变量之间建立统计关系是很容易的。
一旦这些因素被识别并考虑在内，就可以确定标准能源消耗量。这是当前工厂和操作方式下可实现的最低能源消耗量。
图 4.4.3 中的图表绘制了产量与消耗量之间的典型关系。
一旦建立了蒸汽消耗量与工厂产量之间的关系，它就成为衡量所有未来生产的基础/标准。
使用该标准，各部门的管理者可以定期收到其能源消耗量及其与标准比较情况的报告。然后个别管理者可以通过以下问题分析其工厂性能：
- 消耗量与标准相比如何？
- 消耗量是高于还是低于标准，偏差多少？
- 消耗量是否有任何趋势？ 如果消耗量存在变化，可能是由多种原因造成的，包括：
- 能源消耗控制不善。
- 设备故障或需要维护的设备。
- 季节性变化。 为了隔离原因，首先需要检查过去的记录，以确定变化是消耗量增加的趋势还是孤立情况。在后者的情况下，应在工厂周围进行检查，查找泄漏或有缺陷的设备。然后根据需要进行维修。
标准消耗量必须是工厂管理者可实现的目标，一种常见的方法是使用基于平均值而非可实现的最佳性能的最佳拟合线（见图 4.4.4）。
一旦确定了标准，这将成为新的能源消耗基准线。
能源意识的这种提高将不可避免地导致能源成本和工厂整体运行成本的降低，从而使系统更加节能。
精确蒸汽流量测量的特殊要求 ****如前面在模块 4 中所述，流量计测量速度；需要截面积（A）和密度（P）的附加值来计算质量流量（qm）。对于任何安装，截面积将保持恒定，但密度（P）会随压力和干度变化。 接下来的两个部分考察压力和干度变化对蒸汽流量计安装精度的影响。 压力变化 在理想情况下，工艺蒸汽管线中的压力将保持绝对恒定。不幸的是，现实情况很少如此，变化的负荷、锅炉压力控制死区、摩擦压降和工艺参数都会导致蒸汽主管中的压力变化。
图 4.4.5 显示了饱和蒸汽应用的负荷周期。启动后，系统压力逐渐升至标称 5 bar g，但由于工艺负荷需求，全天压力都在变化。使用无压力补偿的流量计时，累积误差可能很显著。
一些蒸汽流量计量系统没有内置密度补偿，被指定在单一、固定的管线压力下运行。如果管线压力确实恒定，这是可以接受的。然而，即使是相对较小的压力变化也会影响流量计精度。此时可能值得注意的是，不同类型的流量计可能受到不同的影响。
速度型流量计
涡街流量计的输出信号仅是流速的函数。它与所监测流体的密度、压力和温度无关。在相同的流速下，无论测量的是 3 bar g 蒸汽、17 bar g 蒸汽还是水，涡街流量计的未补偿输出都是相同的。
因此，流量误差是密度误差的函数，可以如公式 4.4.1 所示表达。
示例 4.4.1
****作为以下示例的基础，确定 4.2 bar g 和 5.0 bar g 下干饱和蒸汽的密度（ρ）。
示例 4.4.2
一台指定用于 5 bar g 的涡街蒸汽流量计在 4.2 bar g 下使用。使用公式 4.4.1 和示例 4.4.1 的数据确定产生的误差（ε）。
因此，未补偿的涡街流量计将多读 14.42%。
由于饱和蒸汽的一个特性（特别是在低至约 6 bar g 的低压下）是密度随压力的微小变化而大幅变化，因此密度补偿对于确保精确读数至关重要。
公式 4.4.1 可用于生成图表，显示压力误差引起的预期流量误差，如图 4.4.6 所示。
差压流量计
孔板和变送器的输出信号以差压信号的形式出现。测得的质量流量是孔口形状和尺寸、差压的平方根和流体密度的平方根的函数。在相同的观测孔板差压下，推导出的质量流量将随密度的平方根变化。
对于涡街流量计，在非指定压力下运行孔板流量计也会产生误差。
百分比误差可使用公式 4.4.2 计算。
示例 4.4.3.
一台指定用于 5 bar g 的孔板蒸汽流量计在 4.2 bar g 下使用。使用公式 4.4.2 确定产生的百分比误差（ε）。
正误差意味着流量计多读，在此例中，每通过 100 kg 蒸汽，流量计显示 106.96 kg。
公式 4.4.2 可用于生成图表，显示压力误差引起的预期流量误差，如图 4.4.7 所示。
比较图 4.4.6 和图 4.4.7 可以看出，涡街流量计因缺乏密度补偿而产生的百分比误差大约是孔板流量计百分比误差的两倍。因此，如果要精确测量蒸汽流量，密度补偿是必不可少的。如果蒸汽流量计不包括内置密度补偿功能，则必须提供额外的压力和/或温度传感器，并连接回仪表系统。
干度变化
一立方米湿蒸汽的密度高于一立方米干蒸汽的密度。如果在蒸汽通过流量计时不考虑蒸汽的质量，那么指示的流量将低于实际值。
干度（χ）已在模块 2.2 中讨论过，但重申一下：干度是饱和蒸汽和饱和水比例的表达。例如，干度为 0.95 的一公斤蒸汽包含 0.95 公斤蒸汽和 0.05 公斤水。
示例 4.4.4
作为以下示例的基础，确定 10 bar g 下干度分别为 1.0 和 0.95 的干饱和蒸汽的密度（ρ）。
干度对差压测量流量计的影响
重申前面关于差压流量计误差的评论，质量流量（qm）将与密度（ρ）的平方根成正比，而密度与干度相关。干度的变化将影响流量计指示的流量。 公式 4.4.4 可用于确定实际流量与指示流量之间的关系：
所有蒸汽流量计都将在预定干度（）下校准读数，通常值为 1。一些蒸汽流量计可以重新校准以适应实际工况。
示例 4.4.5
使用示例 4.4.4 的数据，确定如果实际干度为 0.95 而非校准值 1.0，且蒸汽流量计指示流量为 1 kg/s 时的百分比误差。
因此，负号表示流量计少读 2.46%。公式 4.4.4 用于编制图 4.4.8 所示的图表。
干度对涡街流量计的影响
可以认为，在合理的限制范围内，干度并不重要，因为：
- 涡街流量计测量速度。
- 干度为例如 0.95 的蒸汽中，水的体积相对于蒸汽非常小。
- 需要测量的是干蒸汽的冷凝。 然而，独立研究表明，水滴冲击钝体会造成误差，而且由于涡街流量计倾向于在较高速度下使用，水滴的侵蚀也是可以预期的。遗憾的是，无法量化这些误差。 结论 精确的蒸汽流量计量取决于：
- 考虑压力变化——任何蒸汽系统中压力都会变化，如果仅压力变化就可能产生 ±10% 的误差，那么指定精度为 ±2% 的流量计显然是徒劳的。蒸汽流量计量套件必须包括密度补偿。
- 可预测的干度——干度的测量非常复杂；更简单且更好的选择是在任何蒸汽流量计之前安装汽水分离器。这将确保干度始终接近 1.0，无论供应蒸汽的状况如何。 过热蒸汽 对于饱和蒸汽，蒸汽压力和蒸汽温度之间存在固定的关系。蒸汽表提供了关于这种关系的详细信息。要对饱和蒸汽进行密度补偿，只需感测蒸汽温度或蒸汽压力即可确定密度（）。然后可以将该信号与流量信号一起馈送到流量计算机中，假设计算机包含蒸汽表算法，它将计算质量流量。
然而，过热蒸汽接近气体，温度和压力之间不存在明显的关系。当测量过热蒸汽流量时，必须同时感测和传输蒸汽压力和蒸汽温度信号。流量计仪表还必须包含必要的蒸汽表软件，以使其能够计算过热蒸汽工况并指示正确的值。
如果安装了没有这些仪表的差压型蒸汽流量计，在存在过热的情况下将始终显示流量测量误差。
最好以示例来说明。 示例 4.4.6 考虑一台配备压力读数设备但没有温度读数设备的差压流量计。流量计认为它正在读取 10 bar g 的饱和蒸汽，对应温度为 184°C。但实际被测量的蒸汽是过热蒸汽，温度为 220°C。
使用公式 4.4.2，可以基于过热蒸汽低于预期密度计算读数误差。
在此情况下，流量计将多读 5%。
使用与示例 4.4.6 相同的参数，确定如果流量计显示流量为 250 kg/h 时的实际流量。
公式 4.4.5 可用于从显示的数值计算实际值。
