流量計(jì)通常針對穩(wěn)定工況條件設(shè)計(jì)，當(dāng)運(yùn)行工況為非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其測量精度會受到較大影響。針對非穩(wěn)定運(yùn)行的工作條件，分析了影響孔板式蒸汽流量計(jì)測量的各項(xiàng)因素。通過對穩(wěn)定測量條件下的計(jì)算公式進(jìn)行修正，獲得非穩(wěn)態(tài)條件下的計(jì)算公式，并通過實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行質(zhì)量平衡標(biāo)定。結(jié)果表明: 當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生偏離時(shí)，蒸汽的膨脹性系數(shù)會偏離設(shè)計(jì)值，進(jìn)而影響測量結(jié)果。修正后的流量計(jì)，可以適用于非穩(wěn)定條件下的蒸汽測量，計(jì)算精度有了明顯提高。水蒸氣是工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的重要介質(zhì)，許多蒸汽流量計(jì)的使用和分析人員對蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)行了研究，并積累了一些經(jīng)驗(yàn) 。目前*常用的蒸汽流量計(jì)為差壓式流量計(jì)和渦街流量計(jì)，并配以蒸汽密度補(bǔ)償。而蒸汽密度補(bǔ)償一般采用蒸汽壓力、溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，分別由安裝在管道上的壓力變送器和溫度變送器來實(shí)現(xiàn) 。通常工業(yè)使用蒸汽流量測量用于穩(wěn)態(tài)測量，工作狀態(tài)變化較小，流量計(jì)的設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際使用狀態(tài)差別較小，若按照正確合理的方式選擇、安裝流量計(jì)，并進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，則基本可以滿足測量要求。

然而對于利用蒸汽進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程，很多情況下要求在不同工作條件下進(jìn)行工作，工作狀態(tài)跨度較大，且經(jīng)常需要瞬態(tài)測量。例如: 在縮比例模擬核電站大破口狀態(tài)下蒸汽噴放整個質(zhì)能釋放過程時(shí)，流量要求可能在1～100t/h范圍內(nèi)變化。這種跨度很大的蒸汽流量測量，在實(shí)現(xiàn)時(shí)會通過幾條支路分別供應(yīng)，但也只能分成有限的大小支路提供，難以滿足蒸汽流動參數(shù)**變化條件下的蒸汽流量測量。本文從孔板式流量計(jì)基本計(jì)算公式出發(fā)，分析公式中各參數(shù)對變狀態(tài)流量測量的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合獲得能夠適應(yīng)變工況參數(shù)的蒸汽流量測量公式，提高蒸汽流量在不穩(wěn)定狀態(tài)條件下的測量精度。

1、孔板質(zhì)量流量計(jì)計(jì)算公式

1.1理論計(jì)算公式

差壓式流量計(jì)的理論依據(jù)是伯努利方程和流動連續(xù)性方程。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置，部分壓力能轉(zhuǎn)換為動能，同時(shí)產(chǎn)生差壓信號。該差壓值與流量的平方成正比，其數(shù)學(xué)模型對于孔板式差壓流量計(jì)質(zhì)量流量基本計(jì)算公式為：

2、測量影響因素分析

影響質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果的因素有很多，包括孔板結(jié)構(gòu)、取壓形式及孔位置、流量計(jì)安裝、工作介質(zhì)、差壓表精度以及工作狀態(tài)對應(yīng)的流體物性參數(shù)等。本文主要針對穩(wěn)態(tài)測量和非穩(wěn)態(tài)測量工作狀態(tài)可能造成差異的幾個因素進(jìn)行分析，如流出系數(shù)、膨脹性系數(shù)、蒸汽溫度、壓力及流量等。

2.1流出系數(shù)

流出系數(shù)主要受孔板結(jié)構(gòu)即孔徑比β和雷諾數(shù)影響。對于特定流量計(jì)β基本不變?？装辶髁坑?jì)流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可見，在低、中雷諾數(shù)時(shí)，C值隨雷諾數(shù)而變化，而在高雷諾數(shù)(大于10000，紊流區(qū))區(qū)域，C值變化較小。本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)根據(jù)出廠報(bào)告可知實(shí)際工況均遠(yuǎn)大于10000，所以實(shí)驗(yàn)工況基本處在紊流區(qū)，不同工況下流出系數(shù)變化較小。

2.2膨脹系數(shù)

膨脹系數(shù)是對流出系數(shù)在可壓縮性流體中密度變化的修正。對于孔板流量計(jì)，由于流量計(jì)膨脹既是軸向的又是徑向的，目前主要按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。按照ISO5167，孔板的三種取壓方式采用同一可膨脹性系數(shù)公式，適用于空氣、蒸汽及天然氣等介質(zhì)，如下式所示。

式中：β為孔徑與管徑比，是結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，正常使用時(shí)可認(rèn)為不變；k為物性參數(shù)，跟工質(zhì)有關(guān)。

因此，膨脹系數(shù)大小主要受孔板上下游的壓力影響。設(shè)計(jì)*大流量時(shí)膨脹系數(shù)為*大流量下的對應(yīng)值。如在0.8MPa(表壓)、流量10t/h時(shí)膨脹系數(shù)約為0.88左右。實(shí)際蒸汽噴放時(shí)，如果工作上下游壓力沒有處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況，實(shí)際膨脹系數(shù)與設(shè)計(jì)膨脹系數(shù)不符，從而影響流量測量。

2.3工作壓力、溫度影響

當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，流量計(jì)的工作壓力基本恒定，給定工作壓力和流量下均有對應(yīng)的膨脹性系數(shù)，而在瞬態(tài)測試或者背壓變化較大時(shí)工作壓力會發(fā)生較大變化。不同溫度和工作壓力下膨脹性系數(shù)的數(shù)值如表1所示。本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件背壓可能會從0( 表壓)逐漸增加至約1.0MPa(隨背壓變化而變化)。

從表1給出的膨脹系數(shù)數(shù)值可以看出，相同流量下，工作溫度和壓力越低，膨脹系數(shù)越小。

2.4流量影響

如表1所示，在相同工作壓力下，流量越小，相應(yīng)的膨脹系數(shù)越大，即更接近于1。在非穩(wěn)定瞬態(tài)測量時(shí)，溫度壓力直接的作用可通過測得的溫度及壓力數(shù)值進(jìn)行溫壓補(bǔ)償處理，不會影響瞬態(tài)測量。當(dāng)對于蒸汽工質(zhì)，溫度和壓力的變化會影響綜合壓力和流量對膨脹系數(shù)的作用。以蒸汽1.5t/h噴放為例，工作壓力0.1MPa時(shí)為0.9523；0.2MPa時(shí)為0.9778。0.5MPa下、流量2t/h時(shí)，膨脹系數(shù)為0.9894。當(dāng)流量上升到6t/h時(shí)，膨脹系數(shù)降為0.9063，相差10%左右。整個實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)工作壓力從0變化為0.8MPa左右。如果采用固定的膨脹系數(shù)計(jì)算質(zhì)量流量會導(dǎo)致10%以上的計(jì)算誤差。

3、流量計(jì)測量修正方案

依據(jù)上述分析，對于蒸汽質(zhì)量流量計(jì)，目前流量計(jì)測量主要誤差主要源于膨脹系數(shù)的偏離。水蒸氣膨脹系數(shù)ε常用計(jì)算公式為：

式中：P1、P2分別為流量計(jì)上游壓力及下游壓*低點(diǎn)的壓力。

嘗試采用流量計(jì)采集的差壓信號作為(P1－P2)的壓差帶入計(jì)算后發(fā)現(xiàn)ε數(shù)值變化很小，基本接近于1，而這與流量計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算給出的ε也相差較大。從壓力定義看，P2為孔板下游流速*大、壓力*低點(diǎn)的壓力值，這與流量計(jì)取壓孔獲取壓力有一定的區(qū)別。這里在取信流量計(jì)設(shè)計(jì)提供的ε的基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)提供的不同條件下的ε值擬合出P2與流量計(jì)差壓信號的關(guān)系，結(jié)果如下：

4、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較

4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

蒸汽流量計(jì)使用的系統(tǒng)圖如圖2所示，圖2中蒸汽經(jīng)過孔板質(zhì)量流量計(jì)后進(jìn)入罐體，罐體外表面有環(huán)形通風(fēng)，可用于冷卻罐體。流量計(jì)前后布置有溫度、壓力補(bǔ)償測點(diǎn)，同時(shí)將流量計(jì)的實(shí)時(shí)測量結(jié)果進(jìn)行采集匯總。蒸汽進(jìn)入罐體后會提升關(guān)內(nèi)壓力，同時(shí)會在罐內(nèi)冷凝，冷凝的熱量通過罐外部冷卻帶走。進(jìn)入罐內(nèi)的蒸汽完全冷卻后可由下部出口將冷凝水排出稱重，將稱重結(jié)果與流量計(jì)實(shí)時(shí)測量結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證質(zhì)量流量計(jì)變工況測量準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)過程中，隨著蒸汽進(jìn)入罐體，罐內(nèi)蒸汽難以及時(shí)完全冷凝，壓力會逐漸上升，這會導(dǎo)致上游流量計(jì)附近蒸汽狀態(tài)也會隨之變化，即流量計(jì)工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)值相比在不斷變化，這種變化會隨著蒸汽流量的增大而逐漸增大。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較分析

通過實(shí)驗(yàn)獲得蒸汽流動過程中測得的各項(xiàng)參數(shù)，并使用通用公式及修正后的公式進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算處理，獲得所需數(shù)據(jù)。如圖3所示為修正前后膨脹性系數(shù)**間變化的關(guān)系。

從圖3可以看出，隨著時(shí)間的變化，膨脹性系數(shù)逐漸增大，6000s后流量計(jì)工作狀態(tài)保持穩(wěn)定，膨脹性系數(shù)基本保持不變。比較修正前后的膨脹性系數(shù)，修正后的膨脹性系數(shù)明顯小于修正前，與表1中數(shù)值更加接近。對膨脹性系數(shù)修正的結(jié)果可以代入式(1)中進(jìn)行相應(yīng)的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。在經(jīng)歷了一小段增長段后，質(zhì)量流量基本保持穩(wěn)定，變化很小。相比于膨脹系數(shù)的逐漸減小過程，修正前后的孔板流量差距在整個過程中保持穩(wěn)中有升的狀態(tài)。

對圖4中蒸汽質(zhì)量流量數(shù)值進(jìn)行時(shí)間積分，可獲得對應(yīng)條件下的蒸汽輸入總質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)完成，冷卻后通過實(shí)驗(yàn)殼下端收集稱重裝置稱量獲得輸出的冷凝水的總質(zhì)量，通過對比兩者差異來評價(jià)修正前后質(zhì)量流量計(jì)測量的精度。結(jié)果如表2所示，實(shí)驗(yàn)編號1為圖4中所示質(zhì)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)，編號2和3為另外兩次測試結(jié)果。質(zhì)量平衡結(jié)果表明，修正之后的質(zhì)量流量計(jì)公式可以明顯提高測量精度。

5、結(jié)束語

針對工作狀態(tài)發(fā)生變化的質(zhì)量流量計(jì)工作環(huán)境，分析可能影響因素，并根據(jù)不同穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果擬合獲得適合非穩(wěn)定狀態(tài)下的流量計(jì)修正計(jì)算公式，結(jié)論如下：(1)當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)條件發(fā)生偏離時(shí)，孔板流量計(jì)的測量準(zhǔn)確性會降低；(2)蒸汽質(zhì)量流量測量時(shí)，蒸汽的膨脹性系數(shù)對測量結(jié)果影響很大；

(3)質(zhì)量平衡結(jié)果表明，修正后的孔板流量計(jì)，可以適用于變工況條件的蒸汽測量，計(jì)算精度有了明顯提高。