蒸汽流量计类型

不同类型蒸汽流量计的工作原理、优点和局限性，包括孔板、转子流量计和涡街装置。

流量计有多种类型，适用于蒸汽和冷凝水应用的包括：

孔板流量计。
涡轮流量计（包括分流型或旁路型）。
转子流量计。
弹簧加载转子流量计。
直接在线转子流量计（TVA）。
超声波流量计。
涡街流量计。每种流量计类型都有其自身的优点和局限性。为确保蒸汽或冷凝水流量计的精确和一致性能，正确匹配预期应用至关重要。本模块将审查上述流量计类型，并讨论其特性、优缺点、典型应用和典型安装。

孔板流量计 孔板属于称为压头损失装置或差压流量计的一组设备。简单来说，管道流体通过一个节流件，测量该节流件两侧的压差。基于丹尼尔·伯努利在 1738 年的工作（见模块 4.2），

通过孔板的流体速度与压降的平方根成正比。差压组中的其他流量计包括文丘里管和喷嘴。

对于孔板流量计，节流件是一个板状物，其中心孔与管道同心。这被称为一次元件。

当流体流动时，通过上下游取压口连接到称为 DP（差压）变送器的二次装置来测量差压。

来自 DP 变送器的信息可以馈送到简单的流量指示器，或与温度和/或压力数据一起馈送到流量计算机，使系统能够补偿流体密度的变化。

在输送蒸汽的水平管道中，水（或冷凝水）可能在孔板上游面积聚。为防止这种情况，可以在管道底部的板上钻一个排泄孔。显然，在确定孔板尺寸时必须考虑其影响。孔板的正确选型和安装至关重要，并在国际标准 ISO 5167 中有详细记录。安装以下讨论了 ISO 5167 中几个最重要的要点：

取压口——小口径管道（称为脉冲管）将孔板的上下游取压口连接到差压或 DP 变送器。

取压口的位置可以变化。最常见的位置是：

从包含孔板的法兰（或载体）上取压，如图 4.3.3 所示。这很方便，但需要注意管道底部的取压口，因为它们可能被堵塞。
上游侧一个管径处和下游侧 0.5 个管径处。这不太方便，但可能更精确，因为所测量的差压在缩脉处最大，而缩脉恰好发生在此位置。角接取压——通常用于较小的孔板，因为空间限制使得法兰取压难以制造。通常用于包括 DN50 或以下的管径。

来自 DP 变送器的信息可以馈送到流量指示器，或与温度和/或压力数据一起馈送到流量计算机，以提供密度补偿。

管道——在孔板下游至少需要五个直管径长度，以减少管道造成的扰动影响。

然而，孔板上游所需的直管段长度受多种因素影响，包括：

ß 比值；这是孔板直径与管道直径之间的关系（见公式 4.3.1），通常值为 0.7。
前置障碍物的性质和几何形状。图 4.3.4 显示了一些障碍物示例：表 4.3.1 将 ß 比值和管道几何形状结合起来，为图 4.3.4 中所示的配置推荐所需的直管段管径数量。

在特别恶劣的情况下，可以使用整流器。这些在模块 4.5 中有更详细的讨论。 孔板蒸汽流量计的优点：

结构简单、坚固。
精度良好。
成本低。
只要计算、公差和安装符合 ISO 5167，无需校准或重新校准。 孔板蒸汽流量计的缺点：
由于流量与压降之间的平方根关系，量程比仅限于 4:1 到 5:1 之间。
孔板可能因水锤而弯曲，在设计或安装不良的系统中可能堵塞。
孔板的锐边会随时间侵蚀，特别是如果蒸汽是湿的或脏的。这将改变孔板的特性，精度将受到影响。因此需要定期检查和更换，以确保可靠性和精度。
孔板流量计系统的安装长度可能相当大；为确保精度，上游可能需要至少 10 个、下游 5 个直的无障碍管径长度。在紧凑型工厂中这可能难以实现。考虑一个使用 100 mm 管道的系统，ß 比值为 0.7，布局类似于图 4.3.4(b)：

所需的上游管道长度 = 36 x 0.1 m = 3.6 m

所需的下游管道长度 = 5 x 0.1 m = 0.5 m

所需的总直管段 = 3.6 + 0.5 m = 4.1 m

孔板蒸汽流量计的典型应用：

****任何流量保持在 4:1 到 5:1 之间有限量程比范围内的场合。这包括锅炉房以及蒸汽供应给多台设备、部分在线、部分离线但总流量在范围内的应用。

涡轮流量计 ****涡轮流量计的一次元件由一个多叶片转子组成，该转子安装在与流向成直角的方向上，通过自由转动的轴承悬浮在流体流中。涡轮的转速与被测流体的速度成正比，因此也与体积流量成正比。通过了解流体的密度，如果需要可以计算质量流量。

涡轮的转速可以使用安装在管道外部的电子接近开关来确定，该开关计数脉冲，如图 4.3.5 所示。 液体（冷凝水）用涡轮流量计 液体用涡轮流量计（如冷凝水用），其转子直径通常设计为略小于流量计量腔的内径。

在较大管道中，为降低成本，涡轮元件可以安装在管道旁路中，甚至流量计本体可以包含旁路或分流器，如图 4.3.6 所示。

旁路流量计由孔板组成，其尺寸设定为对主管流量的一部分提供足够的限制，使其通过并联回路。虽然涡轮的转速仍可以如前所述的方式确定，但仍存在许多具有图 4.3.6 所示机械输出的老式设备。

显然，在这种机械装置中，涡轮轴与填料密封之间的摩擦可能是显著的。 插入式涡轮流量计用于蒸汽、气体和液体： 插入式涡轮流量计正变得越来越受欢迎：其主要优点是可以在满负荷工艺条件下安装，无需关停工艺管线。这是通过”带压开孔”实现的。其工作原理与液体涡轮流量计相同，使用磁拾取传感器测量转子叶片的旋转频率。插入式涡轮流量计测量管道中的”点速度”，然后微处理器电子设备使用分布系数将点速度与管道中的平均速度关联。流量计算机根据点速度和管道直径持续更新此分布系数。一旦知道平均速度，就可以使用管道的流通面积计算体积流量。添加温度或压力传感器可使流量计测量流体密度并计算质量流量。

插入式涡轮流量计的优点：

可在满负荷工艺条件下安装。
在较大管道上相对便宜。
可用于所有介质。
由于流量阻碍最小，诱导压降低。
中等精度，通常为读数的 ±2%（蒸汽）和 ±1.5%（冷凝水）。
可精确测量高达 25:1 的量程比范围内的流量。
安装长度相对紧凑，通常仅需流量计上游 10D 和下游 5D 的直管段。可在大口径管道（> DN400）中测量流量。

插入式涡轮流量计的缺点：

在较小管道上使用时相对昂贵。
运动部件需要定期维护。
湿蒸汽可能损坏涡轮并影响精度。 插入式涡轮流量计的典型应用：
干饱和蒸汽。
过热蒸汽。
冷凝水回水管线，但需注意在计量前去除空气和闪蒸蒸汽。
气体和空气应用。 转子流量计 转子流量计（图 4.3.8），通常称为 rotameter，由一个垂直的锥形管组成，小口径端在下端，以及一个可在流体中自由移动的浮子。当流体通过管子时，浮子的位置与以下力平衡：
流体向上的动力。
浮子质量产生的向下的力。
因此，浮子的位置是流量的指示。 在实际中，这种类型的流量计将是以下的组合：
选择提供一定重量和对流体化学耐受性的浮子。最常见的浮子材料是 316 级不锈钢，但对于特殊应用也使用其他材料，如 Hastalloy C、铝或 PVC。

在小型流量计上，浮子就是一个简单的球，但在大型流量计上使用特殊形状的浮子以提高稳定性。

锥形管，在设计流量范围内通常提供 40 mm 到 250 mm 之间的测量标尺。管子通常由玻璃或塑料制成。然而，如果管子破裂可能造成危险，则可以在玻璃周围安装保护罩，或使用金属管。

使用透明管时，通过观察浮子与标尺的位置来读取流量。对于管材不透明的高温应用，使用磁性装置指示浮子的位置。

由于浮子周围的环形面积随流量增大，差压保持几乎恒定。 转子流量计的优点：

线性输出。
量程比约为 10:1。
结构简单、坚固。
压降最小且相当恒定。 转子流量计的缺点：
管子必须垂直安装（见图 4.3.9）。
由于读数通常通过目视观察，且浮子倾向于移动，精度仅为中等。在较高流量下，由于浮子与标尺有一定距离，视差误差使精度更差。
透明锥形管限制了压力和温度。 转子流量计的典型应用：
气体计量。
小口径空气流量计量——在这些应用中，管子由玻璃制成，标尺刻在外面。通过目视读取。
实验室应用。
转子流量计有时用作流量指示装置而非流量测量装置。 弹簧加载转子流量计 弹簧加载转子流量计（转子流量计的扩展型）使用弹簧作为平衡力。这使流量计不受重力影响，可以在任何平面上使用，甚至倒置使用。然而，在其基本配置中（如图 4.3.10 所示），也存在一个限制：运动范围受弹簧的线性范围和弹簧变形的限制。然而，另一个重要特性也显现出来：如果通过面积（浮子与管子之间的面积）以适当的速率增加，那么弹簧加载转子流量计两端的差压可以与流量成正比。

回顾之前的一些陈述 对于孔板流量计：

随着流量增加，差压也增加。
通过测量这个压差，可以计算通过流量计的流量。
通过面积（例如，孔板中孔的大小）保持恒定。对于任何类型的转子流量计：
随着流量变化，差压保持几乎恒定。
流量由浮子的位置确定。
通过面积（浮子与管子之间的面积）随流量增加而增大。图 4.3.11 比较了这两种原理。弹簧加载转子原理是这两种装置之间的混合体，可以使用：
浮子的位移——选项 1 或
差压——选项 2 …来确定通过流量计的流量。

在选项 1（确定浮子或”翻板”的位移）中。可以通过以下方式为蒸汽系统开发：

使用扭簧以获得更好的工作范围。
使用线圈系统精确确定蒸汽流过流量计时被位移的”翻板”角度。在选项 2（图 4.3.13）中，即确定差压，可以通过将浮子成型以在差压和流量之间给出线性关系来进一步发展此概念。参见图 4.3.13 了解测量差压的弹簧加载转子流量计的示例。由于其形状，浮子被称为锥体。 弹簧加载转子流量计（SLVA）的优点：
高量程比，最高达 100:1。
良好精度，管道单元读数的 ±1%。
结构紧凑——DN100 夹持式单元仅需法兰间 60 mm。
适用于多种流体。 弹簧加载转子流量计的缺点：
由于需要的附件（如 DP 变送器和流量计算机），成本可能较高。弹簧加载转子流量计的典型应用：
锅炉房流量计量。
大型工厂的流量计量。为确保流量计实现最佳性能，正确的安装至关重要。

图 4.3.14 说明了使用 SLVA 流量计的典型蒸汽流量计量站，并确定了实现最佳性能所需的其他推荐组件部分。值得注意的是，每个应用都是不同的，其他流量计可能需要与图 4.3.14 所示不同的组件部分。 靶式转子流量计（TVA） TVA 流量计基于成熟的弹簧加载转子（SLVA）原理工作，其中环形孔的面积由精密成型的运动锥体连续变化。

该锥体可以沿轴向自由移动，抵抗弹簧的阻力。

然而，与其他 SLVA 流量计不同，TVA 不依赖于测量流量计两端的差压来计算流量，而是通过一系列极高品质的应变片测量锥体偏转产生的力。蒸汽流量越大，力越大。这消除了对昂贵的差压变送器的需求，降低了安装成本和潜在问题（图 4.3.15）。

TVA 具有内置温度传感器，为饱和蒸汽应用提供完整的密度补偿。 TVA 蒸汽流量计（图 4.3.15）的系统不确定度（精度）符合 EN ISO / IEC 17025，为：

• 在最大额定流量的 10% 到 100% 范围内，实际流量的 ±2%，置信度 95%。

• 在最大额定流量的 2% 到 10% 范围内，FSD 的 ±0.2%，置信度 95%。

由于 TVA 是自成一体的单元，所引用的不确定度是整个系统的。许多流量计声称管道单元的不确定度，但对于整个系统，需要考虑任何相关设备（如 DP 变送器）的各个不确定度值。

流量计的量程比是在其能够满足指定性能的最大与最小流量之比，或其操作范围。TVA 流量计具有高达 50:1 的高量程比，操作范围可达其最大流量的 98%。流向 TVA 流量计的安装方向会影响运行性能。安装在水平管道中时，TVA 的蒸汽压力限制为 32 bar g，量程比为 50:1。如图 4.3.17 所示，如果 TVA 安装在垂直流向中，则由于保护电子设备免受蒸汽温度影响的水封损失，压力限制会降低。

此外，如果流向垂直向上，量程比将降低。这是因为锥体的重量使其在较低流量下贴靠在孔板上。一旦锥体到达该位置，传感器就无法准确检测流量的进一步降低。 超声波流量计 “传播时间法”超声波流量计的工作原理基于测量超声波脉冲在附着在被监测流体管道上的两个换能器之间传递所需的时间（图 4.3.18）。每个换能器交替发射超声波脉冲，每个脉冲到达另一个换能器所需的时间受流经管道的流体速度影响。通过了解这些信息，可以计算流速，从而得到被监测流体的体积和质量流量。这在模块 4.2”流量计量原理”中有更详细的介绍。超声波流量计的一个典型应用是能量监测，其中电阻温度检测器（RTD）构成换能器组件的一部分。RTD 测量流动液体的温度，允许使用以下公式计算流经管道的能量速率：超声波流量计的最大好处之一是换能器或 RTD 是外部安装的。这意味着不需要侵入式安装，不需要管道开孔或管道停机。此外，由于被测流量中没有运动部件或组件，不存在腐蚀和侵蚀问题，从而最大限度地减少了维护需求。任何需要的维护都可以在不停止管道运行的情况下进行。

超声波流量计最适合监测液体，如测量冷凝水回水。被测管道中流过的流体必须是单相的，换句话说，管道必须充满液体。超声波流量计无法精确测量水和蒸汽或空气的混合物。 超声波流量计的优点：

安装快速简便，无需工厂停机，因为所有组件都是外部安装的。
双向流量测量。
高精度（高达流量的 1%）。
可用于测量能量流量。
流体电导率不是问题。
腐蚀性流体不是问题。
在正确安装的情况下可达 30:1 的量程比。
单元成本与管道尺寸无关，使其在较大管道上具有商业吸引力。 超声波流量计的缺点：
仅适用于单相液体。
需要 10-30D 的直管段长度。
不如在线流量计精确。
如果管道中气体或蒸汽含量超过 5% 则不可靠。 超声波流量计的典型应用：
液体流量计量：与所有液体一样，在计量前必须注意去除空气和气体。如果装置用于冷凝水流量计量，重要的是管线充满液体且不存在闪蒸蒸汽。
供暖和制冷应用的能量监测。每台超声波流量计都在最小和最大信号强度范围内运行，以提供精确的测量读数。如果信号强度太弱，流量计将无法检测流量；如果信号强度超出指定的最大信号强度，管道将变得”过载”，接收到的信号将导致不准确的流量测量。为获得最佳结果，信号强度应在制造商指定的范围内。 涡街流量计 这些流量计利用当一个非流线型或”钝”体放置在流体流中时，会从该体的后部规则地脱落旋涡这一事实。这些旋涡可以被检测、计数和显示。在一定流量范围内，旋涡脱落频率与流量成正比，从而可以测量速度。

钝体造成阻塞，流体必须绕其流动。通过迫使流体绕其流动，该体引起流体方向和速度的变化。最靠近该体的流体因体表面的摩擦而减速。由于钝体与管道直径之间的面积减小，距体较远的流体被迫加速以将必要的流体体积通过缩小的空间输送过去。一旦流体通过了钝体，它就会试图填充其后面产生的空间，这反过来又在流体中产生旋转运动，形成旋转的旋涡。

由节流产生的流体速度在钝体的两侧不是恒定的。随着一侧速度的增加，另一侧的速度会减小。这也适用于压力。

在高速侧压力较低，在低速侧压力较高。

当压力试图重新分配自身时，高压区域向低压区域移动，压力区域交换位置，在体的交替两侧产生不同强度的旋涡。

当满足正确条件时，脱落频率与流速之间存在近似线性关系。

脱落频率与斯特劳哈尔数（Sr）、流速和钝体直径的倒数成正比。这些因素在公式 4.3.3 中总结。斯特劳哈尔数通过实验确定，在很宽的雷诺数范围内通常保持恒定；这表明脱落频率不受流体密度变化的影响，并且对于任何给定的钝体直径，它与速度直接成正比。例如：然后管道中的体积流量 qv 可以如公式 4.3.4 所示计算： 涡街流量计的优点：

合理的量程比（前提是可接受高速度和高压力降）。
无运动部件。
对流量阻力小。 涡街流量计的缺点：
在低流量下，不产生脉冲，流量计可能读数偏低甚至为零。
最大流量通常以 80 或 100 m/s 的速度标示，这在蒸汽系统中会造成严重问题，特别是当蒸汽是湿的和/或脏的时。蒸汽管道中较低的速度将降低涡街流量计的能力。
振动可能导致精度误差。
正确安装至关重要，因为突出的垫片或焊缝可能导致旋涡形成，导致不准确。
与孔板流量计一样，必须提供长且清洁的直管段上游管道。 涡街流量计的典型应用：
锅炉和使用点位置的直接蒸汽测量。
锅炉燃料流量的天然气测量。