差压式孔板流量计在电解锌蒸汽流量计量中的应用
本文介绍了差压式流量计（以孔板为例）的工作原理及组成，并且阐述了各组成部分的作用、分类及特点，分析了流体的基本实用质量流量方程。并以绝对压力的饱和蒸汽为例，推导出带压力补偿的蒸汽流量实用公式。叙述了差压式流量计的选用原则、安装方法、注意事项及一般的维护知识，最后以差压式孔板流量计在电解锌蒸汽流量计量中的应用为例，从设计、造型到实际应用做一介绍。
随着我国大中型企业的不断深化改革，企业内部各分厂（车间）的经济效益独立核算，蒸汽计量工作已被越来越多的企业所重视。蒸汽计量关系到能源水泵的统计和考核，直接关系到产汽单位和用汽单位的经济效益，同时，用汽单位正确控制蒸汽计量的多少，对生产工艺有很大的帮助。因此，流量仪表的正确选用尤为重要。目前工业上使用的流量计品种很多，由于差压流量计结构简单、通用性强、使用寿命长、信号便于远传等特点，已被广泛应用。本文就差压式流量计在蒸汽计量应用中的若干问题进行分析。
2 差压式流量计的测量原理及组成
2.1 测量原理
充满管里的流体经直线管道进入节流装置，流束将在节流件处收缩，使流速加快，静压力降低，导致节流件前后产生差压。流速增大，差压也随之增大，因此，通过测量差压，可以确定流量，见图1。
图1 角接取压法孔板装置
2.2 组成
差压式流量计由节流装置、引压导管、三阀组、差压变送器和二次仪表组成。见图2。
图2 差压式流量计组成
（1）节流装置。节流装置由节流和取压装置构成。
标准节流件有三种类型，即：孔板、喷嘴、文丘利管。其中流体流过孔板所产生的压力损失最大，且孔板具有制造简单、适用性广、使用寿命长等特点，工业生产中广泛采用标准孔板，精度可达±0.5%～±1%，公称径为50～1200mm。
取压装置有两个取压口，一个是上游取压口，一个是下流取压口，上游取压口引出流体的正压力，下游取压口引出流体的负压力。
⑵差压变送器。差压变送器是差压式流量计中的重要组成部分，它将节流装置的差压信号转变成电流信号，以便于二次仪表处理和运算。早期使用的差压变送器DDZ—Ⅱ（输出0～10mA）和DDZ-Ⅲ（输出4～20mA）型，其准确度均为±0.5%，基本能满足工业计量的要求。目前，国内有两种系列产品，一种是西安仪表厂生产的1151±0.5%系列差压变送器，另一种是北京远东仪表公司生产的1751系列，其准确度可达±0.25%。
⑶显示仪表。显示仪表将有效期压变送气产生的标准电流信号及其它装置产生的补偿信号进行开方并积算，显示瞬时流量、累计流量及其它参量。对于压力、温度波动范围较大的测量介质，如过热蒸汽等，必须进行温度、压力补偿，对于饱和蒸汽，应进行压力（或温度）补偿。
常用的显示仪表有电磁计数式的开方积算器和智能数显式的流量积算仪。智能流量积算仪是采用单片微处理机组成快速修正系统，能与差压、压力、温度变送器或与热电偶、热电阻配合，对被测介质由于压力、温度偏离设计工况引起的流量测量误差及累计积算等，通过软件实现自动补偿和积算，从而提高测量精度及可靠性。
3 流量方程
由于气体具有可压缩性质，测量蒸汽应采用质量流量。
根据经典的伯努利定律、节流装置的基本实用流量方程为：
式中：qm-质量流量kg/h；α-流量系数；ε-流体流束的膨胀系数（对不可压缩流体ε=1，对可压缩流体ε<1）；Ad-工作状态下的节流件开孔面积；△P-节流件上、下流侧规定的取压孔位置上的表压差，MPa；ρ1-工作状态下的流体密度kg/m3。
由于影响的因素很多，通常利用经验公式，直接实验测定或查阅表格和曲线得到。
在实际生产中，由于锅炉内压力的变动，使蒸汽密度偏离设计时所采用的ρ值，从而导致测量误差，因此实际流量的表示式为：
将式⑵除以式⑴得
连续测量实际密度较困难，对于饱和蒸汽，与压力或温度成一定关系。对过热蒸汽，与压力、温度成一定关系，因此，通过测量压力、温度得到ρ2。
以绝对压力≤2MPa的饱和蒸汽为例：
根据经验公式P=（1/1.7235）P015/16 （4）
将⑷式进行线性化处理得
ρ2=ρ1（15P/16P0+1/16） ⑸
式中：P0-孔板设计时采用的绝对压力MPa；P-工作压力MPa。
将⑴与⑸代入⑶，得到：
式中：△P=K1×Iλ1，P-0.1033=K2×Iλ2（表压）；Iλ1-差压变送器输出电流；K2-压力变送器系数。
将△P与P代入⑹可得：
上式即为带压力补偿的蒸汽流量的实用公式。
4 有效期压式流量计选用、安装和维护
4.1 选用
⑴孔板的计算、加工一般委托仪表厂进行，而孔的准确参数必须由计量部门提供。主要参数包括：测量介质的最大流量（t/h）、测量介质的最小流量（t/h）、平均表压力（MPa）、平均温度（℃）、平均大气压（Pa）、管道内径（mm）、管道材质、测量介质黏度（Pa·s）、测量介质的水份以及管道安装方式等10项。
对于测量范围，选择时应使实际测量的流量落在流量计的测量范围内，常用流量值在测量上限的2/3处，由于差压流量计的量程比是3：1，适用于生产量、消耗量比较稳定，变化幅度小的流量测量。
⑵差压变送器及压力变送器等在订购时应注意如下三点：
①测程必须与孔板的最大差压一致，或可调至孔板的最大差压。
②输出信号必须是0～10mA或4～20mA标准信号，以便于与显示仪表配合使用。
③对于需要温度、压力补偿的测量介质一定要配备温度测量仪表和压力测量仪表。
⑶应注意显示仪表和信号测量仪表配合使用。
4.2 安装
⑴孔板安装时其“+”号应向着流束。对于未标“+”、“-”符号的孔板，安装时应注意孔板上的倒角在出气的一边。
⑵孔板安装处不允许存在泄露现象。
⑶孔板上、下游侧应有足够长的直管段，通常，前直管段长10D，后直管段长5D（D为管道直径），否则，会产生很大误差。
⑷导压管应垂直或倾斜敷设，倾斜度不得小于1：12，导压管长度应尽量短，以减少压力损失，走丝不能太小，以减少摩擦损失。
⑸安装时应注意与测量登记表配套的三阀组的方向，特别对于那些未标明安装方向或高、低压阀手柄装反的更应仔细检查，以免给高度带来不应有的麻烦。
⑹变送器应在外壳密封的情况下工作，必须防潮、防尘。环境条件过于恶劣时，可把变送器放在一小房间，以便于保护和维修。
4.3 维护
⑴差压变送器投入运行时，应正确操作位于它上部的三阀组。首先，应打开平衡阀，然后打开正压阀和负压阀，最后关闭平衡阀，以避免压力单相过载冲击变送器的测量元件，拆除差压变送器也应先打开平衡阀，后关闭正压阀和负压阀。
⑵对于孔板、导压系统及前后管道应定期排污，新装引压导管需排污勤一点（约1个星期排一次），以后时间可长一点。
⑶当工作条件改变或孔板开孔直角入口边缘的锐利度和垂直度、孔板端面平行度、光洁度等参数超差时，应及时对孔板进行修正和予以更换。
⑷引压管中应保持冷凝水，以防蒸汽进入变送器正负压容室，引起测量误差。
⑸当变送器因误操作，而受到单向工作压力时，应尽快使高低压室无压力，并调整零点，使输出电流变化不大于0.1mA。
⑹差压变送器容室“O”形密封圈拆装时，必须清除密封槽内垃圾，并用洗涤剂润滑。
⑺变送器、显示仪表应定期校验。
5 孔板式流量计在我厂的应用
最大流量：qmax=90t/h；常用流量：qcom=72t/h；最小流量：qmin=30t/h；绝对压力：P=0.5MPa；工作温度：t=240℃；流体密度：ρ=2.152kg/m3；管道内径：D=509mm；差压上限：△Pmax=6000Pa；流体粘度：μ=0.01774MPa·s；等熵指数：K=1.3027；管道相对粗糙度：K=0.075m；管道线膨胀系数λ0=1.72×10-6mm/mm℃；管节流件线膨胀系数：λ0=1.72×10-6mm/mm℃；20℃时节流体开孔直径d20℃=312.93+0.16mm。
由以上有关工艺条件得出：
直径比：β=0.61479；流出系数；C=0.60413；可膨胀系数：ε=0.97288；最大雷诺数：REDMAX=3512667；常用雷诺数：REDCOM=2810134；最小雷诺数：REDMIN=1170889；常用差压：△P=38400Pa；压力损失△W=36778Pa；计算误差：E=0.0009%；流量不确定度：e=+0.88%；前直管段：L1=9.8mm；后直管段L2=3.6mm。
因该水蒸汽是过热蒸汽，故应进行压力温度补偿，目前智能型仪表对流体密度采用两种不同方法，有的仪表是预先给定的密度值，再通过所测得的温度，有些仪表在软件中采用查表法或补偿法得到每一瞬间的液体密度值，此准确度高，鉴于此两种情况，我厂选用的二次仪表为大华仪表厂生产的智能型通用流量过热蒸汽质量流量（带压力、温度补偿）。其数字模型。
测量过热蒸汽质量流量（带压力、温度补偿）：
式中：F2-仪表显示的经压力或温度补偿后的瞬时质量流量；QFS-流量量程设定值，即组态表中单元“08F”；I-对应于瞬时流量输入电流；Imax-当输入信号为4～20mA，△I=（20-4）mA=16mA；ρP·t-对应的压力（Pa）、温度（℃）状态下过热蒸汽的密度kg/m3；Ks2--第二流量补偿系数、参数设置表中“17F”单元。
ρ0为参考状态下的蒸汽密度kg/m3。