1、前言

    蒸汽作為重要的二次能源，廣泛用于采暖、制冷、生產(chǎn)工藝用熱中作載熱工質(zhì)，所以提高蒸汽的生產(chǎn)、輸送及使用效率可以節(jié)約大量的能源。準(zhǔn)確的計(jì)量是提高能源管理水平的關(guān)鍵。由于蒸汽的特殊性，在計(jì)量方面存在諸多困難，長(zhǎng)期以來(lái)一直是流量測(cè)量中的老大難問(wèn)題。2007年1月1日國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17167-2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》已經(jīng)正式實(shí)施，在通則的指導(dǎo)之下，逐步建立一套適合我國(guó)生產(chǎn)企業(yè)特點(diǎn)，具有科學(xué)性，經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性的蒸汽計(jì)量?jī)x表的配備方案，是當(dāng)前能源計(jì)量管理的緊迫課題。

    2、蒸汽流量計(jì)量面臨的問(wèn)題

    為便于討論，我們先列出以下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量方程：

                  （1）

    式中：q_m——蒸汽質(zhì)量流量，單位kg/s ；
          C ——流出系數(shù)；
          d——工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔或喉部直徑，單位 mm；
          ε——可膨脹性系數(shù)；
          β——直徑比（ β=d/D ）；
          Δp——差壓，單位 P_a；
          ρ——工作條件下蒸汽的密度，單位kg/m³

    2.1 關(guān)于蒸汽密度問(wèn)題

    對(duì)于蒸汽的流量測(cè)量，人們都知道要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償，但是由于對(duì)蒸汽性質(zhì)的復(fù)雜程度了解不夠，在整個(gè)一套測(cè)量系統(tǒng)中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號(hào)的準(zhǔn)確與否，并肯花大力氣盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測(cè)量中的重要地位。其實(shí)這個(gè)問(wèn)題只要看一看節(jié)流裝置流量方程就非常清楚。

    從式（1）中可以看出差壓與密度在測(cè)量中是處于同等地位的，然而在實(shí)際使用中由于忽視了密度對(duì)流量測(cè)量的影響，因此往往不重視對(duì)密度的認(rèn)真研究和分析。目前流量類二次顯示儀表（系統(tǒng)）中，蒸汽流量密度的計(jì)算，大多數(shù)采用的是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式或查表法，它們的計(jì)算精度是值得懷疑的。

    工程上應(yīng)用的水蒸汽大多處于剛剛脫離液態(tài)或離液態(tài)較近，它的性質(zhì)與理想氣體大不相同，應(yīng)視為實(shí)際氣體。水蒸汽的物理性質(zhì)較理想氣體要復(fù)雜的多，故不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式子加以描述。我國(guó)沒(méi)有制定“水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而是采用國(guó)外出版物的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表。第六屆國(guó)際水蒸汽性質(zhì)會(huì)議成立的國(guó)際公式化委員會(huì)IFC（International Formulation Committee）制定了用于計(jì)算水和水蒸汽熱力性質(zhì)的IFC公式，并在此基礎(chǔ)上不斷制定新的計(jì)算公式，為大家所熟悉的就是“工業(yè)用1967年IFC公式”（簡(jiǎn)稱IFC-67公式）。我國(guó)曾翻譯過(guò)美國(guó)的、前蘇聯(lián)的、西德的水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)表，不管是哪個(gè)國(guó)家的水蒸汽性質(zhì)表，凡符合IFC1967公式的數(shù)表，都是正確的。目前我國(guó)有關(guān)的規(guī)程已引用了該公式。

    隨著工程技術(shù)以及科學(xué)研究水平的不斷提高，對(duì)水和水蒸汽熱力性質(zhì)計(jì)算精度和速度要求不斷提高，IFC-67公式存在的諸如計(jì)算精度低、計(jì)算迭代時(shí)間長(zhǎng)、適用范圍窄的缺陷也就越來(lái)越明顯起來(lái)。因此，在1997年德國(guó)Erlangen召開(kāi)的水和水蒸汽性質(zhì)國(guó)際聯(lián)合會(huì)（IAPWS）通過(guò)并發(fā)表了由德、俄、英、加等7國(guó)12位科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出的一個(gè)全新的水和水蒸汽計(jì)算模型，即IAPWS-IF97公式。這兩公式在使用范圍、區(qū)域劃分、計(jì)算精度上也有一定區(qū)別，但在工業(yè)蒸汽流量測(cè)量常用范圍內(nèi)（溫度0℃--600℃，壓力0.1MPa—5MPa）,兩公式計(jì)算結(jié)果偏差極小。

    2.2 關(guān)于寬量程的問(wèn)題

    我們都知道，一般儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)都是用引用誤差表示的，而引用誤差是一種簡(jiǎn)化的和實(shí)用方便的相對(duì)誤差，是儀表在量程處的相對(duì)誤差。因此當(dāng)測(cè)量值越接近滿度值，其度才越高。但在蒸汽流量計(jì)量中，尤其是蒸汽輸送場(chǎng)合，實(shí)際的流量范圍往往無(wú)法準(zhǔn)確確定，實(shí)際上流量計(jì)往往工作在量程的下限，甚至超出量程下限，這樣就造成了相對(duì)誤差變大的后果。因此在設(shè)計(jì)蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮使用寬量程的流量計(jì)或具有寬量程補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)。

    智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，使我們能擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計(jì)成為可能。歸納起來(lái)它應(yīng)具備三個(gè)條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2.差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間數(shù)字通訊（Hart協(xié)議）除能滿足全量程差壓信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍。3.流量計(jì)算機(jī)不僅可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)對(duì)工況流量進(jìn)行修正，還可以實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C、流速可膨脹性系數(shù)ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計(jì)，在滿足準(zhǔn)確度同時(shí)，流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到10：1（或更寬），節(jié)流式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變著人們對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

    2.3 關(guān)于能量計(jì)量問(wèn)題

    熱能是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，不同狀態(tài)、等質(zhì)量的蒸汽含有的熱能相差很大。例如：在壓力為0.8Mpa、溫度為200℃的條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2838.6千焦；在壓力0.8Mpa溫度為220℃的條件下的過(guò)熱蒸汽，每公斤所含的熱能為2884.2千焦，二者相差1.6%。所以，以質(zhì)量為蒸汽的結(jié)算單位不能真實(shí)反映蒸汽的價(jià)值。針對(duì)上述情況，以能量作為蒸汽的結(jié)算單位，已不僅是學(xué)術(shù)界的共識(shí)，而且也得到了廣大蒸汽的生產(chǎn)和使用單位的響應(yīng)，呼吁國(guó)家出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步科學(xué)的規(guī)范蒸汽計(jì)量，并考慮到人們多年使用蒸汽質(zhì)量為交結(jié)單位的習(xí)慣，作為一種過(guò)渡，仍應(yīng)保留以質(zhì)量為蒸汽結(jié)算單位。改動(dòng)貿(mào)易計(jì)量單位是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，但先在企業(yè)內(nèi)部推行蒸汽的能量計(jì)量在技術(shù)層面上是可行的，在管理層面將是一項(xiàng)十分有益的實(shí)踐。

    2.4 關(guān)于現(xiàn)有系統(tǒng)改造的問(wèn)題

    目前企業(yè)的生產(chǎn)裝置自動(dòng)化水平越來(lái)越高，多數(shù)采用DCS或PLC系統(tǒng)作為監(jiān)視和控制系統(tǒng)，企業(yè)的計(jì)量點(diǎn)也多融入到整個(gè)系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中，對(duì)于蒸汽流量的補(bǔ)償計(jì)算模型在軟件程序上是存在不足的，如果修改這些系統(tǒng)的程序存在著技術(shù)力量限制和影響整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、整體性、安全性的危險(xiǎn)，大多數(shù)企業(yè)是不愿意動(dòng)DCS的程序的。因此，在計(jì)量改造中，我們需要找到一種既能滿足計(jì)量準(zhǔn)確的要求，又不破壞整個(gè)儀表控制系統(tǒng)框架，與DCS或PLC有很好融合性，適合于數(shù)據(jù)上網(wǎng)的方案。

    3、蒸汽流量計(jì)量?jī)x表配備方案

    3.1 我們應(yīng)該有一個(gè)什么樣的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)？

    要做好蒸汽計(jì)量，我們首先應(yīng)該回答“我們應(yīng)該有一個(gè)什么樣的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)？”這樣一個(gè)問(wèn)題。我們認(rèn)為，一個(gè)合理、先進(jìn)的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征：

    （1）現(xiàn)場(chǎng)儀表符合準(zhǔn)確度要求、免維護(hù)、故障率低，穩(wěn)定性好（檢定周期可以較長(zhǎng)）。
    （2）補(bǔ)償完善且補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
    （3）具有能量計(jì)量的功能。
    （4）具有較寬的量程。
    （5）具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件報(bào)警等管理功能。
    （6）便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

    3.2 一次儀表配備方案

    我們推薦的蒸汽流量計(jì)量一次儀表是YJLB一體化噴嘴流量計(jì)，并配套溫度、壓力變送器進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。

    節(jié)流式流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中占有重要的地位。節(jié)流式流量計(jì)技術(shù)成熟，特別是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn)（ISO5167-2003E、GB/T2624-1993）設(shè)計(jì)、制造就無(wú)須實(shí)流標(biāo)定，是其它流量計(jì)無(wú)法比擬的。在蒸汽測(cè)量研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，給出了修正的數(shù)學(xué)模型，所以采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量蒸汽有明顯的優(yōu)越性。實(shí)際上，目前我國(guó)占蒸汽用表90%以上的仍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置。因此我們采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。之所以選則噴嘴而不是孔板，原因如下：

    標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個(gè)缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，據(jù)悉國(guó)內(nèi)有關(guān)部門曾對(duì)新裝孔板進(jìn)行跟蹤校驗(yàn)，在孔板連續(xù)使用2—3個(gè)月時(shí)，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1—3%，各別嚴(yán)重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標(biāo)準(zhǔn)孔板鈍化問(wèn)題的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損（見(jiàn)圖1）。它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，所以JJG640-94規(guī)程規(guī)定ISA1932噴嘴的檢定周期為4年。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多（僅為孔板的50-60%），長(zhǎng)期運(yùn)行情況表明，由于噴嘴在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)具有耐沖擊抗變形的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于高溫、高壓、高流速介質(zhì)。

    節(jié)流式流量計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，有較長(zhǎng)的引壓管，容易阻塞，冬季運(yùn)行還需對(duì)引壓管、冷凝系統(tǒng)進(jìn)行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護(hù)工作量大。YJLB一體化噴嘴（見(jiàn)圖2）很好的解決了上述問(wèn)題，一體化噴嘴是將節(jié)流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器（號(hào)：ZL200520127402.4），不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統(tǒng)，使系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，無(wú)需保溫供熱，在減少維護(hù)量的同時(shí)，也節(jié)省了能源。

    YJLB一體化噴嘴的特點(diǎn)：

    ◆ 采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，測(cè)量準(zhǔn)確度有依據(jù)；
    ◆ 防凍隔離技術(shù)，冬季運(yùn)行無(wú)須伴熱，維護(hù)量少；
    ◆ 噴嘴節(jié)流件阻力損失小（同樣流量下為相同β值孔板的60%左右）；
    ◆ 沒(méi)有孔口鈍化的問(wèn)題，耐沖擊不易變形，系數(shù)穩(wěn)定，檢定周期長(zhǎng)（4年）；
    ◆ 配置智能型差壓變送器，流量測(cè)量范圍度可達(dá)10：1或更寬；
    ◆ 安裝簡(jiǎn)便。

    3.3 二次儀表及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)配備方案

    我們推薦的蒸汽流量計(jì)量二次儀表是FC2000-1AEG流量轉(zhuǎn)換單元（見(jiàn)圖2）。

    FC2000-IAEG流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元是一款概念的網(wǎng)絡(luò)化流量計(jì)量設(shè)備。其采用儀表柜架裝的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的流量相關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集、補(bǔ)償運(yùn)算后通過(guò)RS232/485串口、以太網(wǎng)口等接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，同時(shí)還具有溫度、壓力、補(bǔ)償流量等4-20mA信號(hào)輸出功能。該流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督管理、建立集散型計(jì)量管理網(wǎng)絡(luò)，在DCS、PLC系統(tǒng)中植入高精度流量運(yùn)算環(huán)節(jié)等功能。

    FC2000-IAEG具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    ◆ 依據(jù)有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與建議、國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同介質(zhì)和流量計(jì)類型建立了多種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計(jì)算軟件，可以計(jì)算蒸汽能量流量。
    ◆ 對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)寬量程。
    ◆ 具有溫度、壓力、補(bǔ)償流量等4-20mA信號(hào)隔離輸出功能，可將溫度、壓力信號(hào)回送給DCS使用。
    ◆ 具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄、儀表斷電、修改參數(shù)設(shè)置等審計(jì)記錄功能，即使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障流量計(jì)量數(shù)據(jù)也會(huì)存儲(chǔ)在其中不至于丟失。
    ◆ 儀表柜架裝的安裝方式，不用再在儀表盤開(kāi)孔安裝，節(jié)省儀表柜空間。
    ◆ FC2000-IAEG所使用的流量計(jì)算軟件已通過(guò)國(guó)家部門認(rèn)證。

    FC2000-IAEG在DCS、PLC系統(tǒng)中植入高精度流量運(yùn)算環(huán)節(jié)的應(yīng)用

    目前多數(shù)石化、化工、冶金生產(chǎn)裝置的控制監(jiān)視系統(tǒng)采用DCS或PLC，流量計(jì)量點(diǎn)也必須引入其中，但DCS和PLC功能著重于監(jiān)視和控制，它們?cè)诹髁扛呔鹊倪\(yùn)算上的功能相對(duì)欠缺，都采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行流量補(bǔ)償計(jì)算。如果讓DCS或PLC進(jìn)行復(fù)雜的流量補(bǔ)償計(jì)算，不僅會(huì)使組態(tài)編程十分復(fù)雜，且會(huì)大大增加DCS的負(fù)擔(dān)。使用FC2000-IAE（G）流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元可以方便地將高精度流量運(yùn)算環(huán)節(jié)植入到DCS、PLC系統(tǒng)中。FC2000-IAE（G）流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元可以通過(guò)通訊接口（RS485、RS232或以太網(wǎng)）將工況溫度、壓力、補(bǔ)償后的流量數(shù)字信號(hào)傳給DCS或PLC中；也可以通過(guò)FC2000-IAE（G）的多路隔離模擬輸出端口將工況溫度、壓力、補(bǔ)償后流量的4-20mA信號(hào)傳給DCS或PLC的模擬輸入端口，如下圖：

    4、蒸汽流量計(jì)量網(wǎng)絡(luò)實(shí)例

    一次儀表采用YJLB一體化噴嘴流量計(jì)；二次儀表采用FC2000-1A/1AD流量計(jì)算機(jī)或FC2000-1AEG流量轉(zhuǎn)換單元以獨(dú)立或組合的方式構(gòu)成的蒸汽計(jì)量系統(tǒng)在北京燕山石化、天津石化、齊魯石化、荊門石化、石家莊煉油廠、滄州煉油廠、儀征化纖、湖北化肥廠等企業(yè)中得到了應(yīng)用。

    該蒸汽計(jì)量方案還成功應(yīng)用到了江蘇索普（集團(tuán)）公司的蒸汽能量計(jì)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在公司內(nèi)部的蒸汽能量計(jì)量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化，蒸汽質(zhì)量與能量計(jì)量并存。其系統(tǒng)構(gòu)成如下：

    ● 流量計(jì)采用YJLB一體化噴嘴流量計(jì)，配備溫度傳感器、壓力變送器。

    ● 二次儀表采用FC2000-1A/1AD流量計(jì)算機(jī)和FC2000-1AEG流量轉(zhuǎn)換單元。FC2000-1A/1AD用在有獨(dú)立計(jì)量?jī)x表盤的計(jì)量點(diǎn)。FC2000-1AEG用在DCS控制系統(tǒng)中，再需要時(shí)，它可以將溫度、壓力信號(hào)再輸出給DCS。它們都可以計(jì)算蒸汽能量流量。

    ● FC2000-1A/1AD流量計(jì)算機(jī)和FC2000-1AEG流量轉(zhuǎn)換單元通過(guò)以太網(wǎng)接口接入企業(yè)的局域網(wǎng)。

    ● 上位機(jī)系統(tǒng)按照Client-Server模式構(gòu)造，中心服務(wù)器中安裝我公司FcLinker流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集軟件，完成對(duì)接口機(jī)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

    ● 將采集管理服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)以Web頁(yè)的方式通過(guò)Web服務(wù)器在企業(yè)局域網(wǎng)（Ethernet）上進(jìn)行發(fā)布，包括瞬時(shí)數(shù)據(jù)工藝網(wǎng)頁(yè)、瞬時(shí)數(shù)據(jù)表網(wǎng)頁(yè)、歷史查詢網(wǎng)頁(yè)，每個(gè)掛載的終端都可以利用瀏覽器（如：Windows操作系統(tǒng)自帶的Internet Explorer等）來(lái)查看。

    系統(tǒng)圖：