饱和蒸汽与过热蒸汽 流量测量分析
摘要
本文介绍了饱和蒸汽和过热蒸汽的概念及其特点，并分析了蒸汽流量测量不准确的原因，包括蒸汽状态变化和压力波动。为提高测量准确度，建议保持蒸汽过热度、减少含水量，并选用合适的流量仪表。文章还探讨了不同流量仪表的优缺点和适用性，强调准确测量蒸汽流量对生产效率和节能的重要性，需根据实际情况选择适当的仪表和技术。
正文
1 饱和蒸汽与过热蒸汽
当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，并和容器壁以及液面发生碰撞，在和液面碰撞时，有的分子则被液体分子所吸引，而重新返回液体中成为液体分子。开始蒸发时，进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目，随着蒸发的继续进行，空间蒸汽分子的密度不断增大，因而返回液体中的分子数目也增多。当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时，则蒸发与凝结处于动平衡状态，这时虽然蒸发和凝结仍在进行，但空间中蒸汽分子的密度不再增大，此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体，其蒸汽称为干饱和蒸汽（也称饱和蒸汽）。
如果用户是为了达到更精确的计量监控，建议都视为过热蒸汽，对温度和压力补偿，但考虑成本问题，客户也可以只对温度进行补偿。理想的饱和蒸汽状态，指的是温度、压力及蒸汽密度三者存在一一对应的关系，知道其中一个，其他二个值就是定数。存在这种关系的蒸汽就是饱和蒸汽，否这都可以视为过热蒸汽进行计量。实际中过热蒸汽的温度可以较高，压力一般都相对较低（较饱和蒸汽），0.7MPa，200℃蒸汽就是这样，属过热蒸汽。
饱和蒸汽压力（表压力）与温度对应表
水在一定的压力下加热，水的温度随着不断加热而上升，当水温升高到某一温度时，水就开始沸腾，这时候水的温度称为沸腾温度。如在继续加热，水温保持不变，水即开始气化，而逐步变为蒸汽。水在一定的压力下的沸腾温度也称为饱和温度。这个温度与其所受压力大小有关，压力愈大，则沸腾温度也就越高；反之，压力小，则沸腾温度也低。
例如压力为0.10MPa(1atm)时，其饱和温度为99.09°C；压力为4.05MPa（40atm)时，其饱和温度为249.18°C；压力为10.13MPa（100atm)时，其饱和温度为309.53°C.
以上可知，水在一定压力下，加热至沸腾，水就开始气化，也就逐渐变为蒸汽，这时蒸汽的温度也就等于饱和温度。这种状态的蒸汽就称为饱和蒸汽。
如果把饱和蒸汽继续进行加热，其温度将会升高，并超过该压力下的饱和温度。这种超过饱和温度的蒸汽就称为过热蒸汽。
2 蒸汽流量测量不准确原因分析
在供热行业中，蒸汽流量测量不准确是普遍存在的问题，其中主要原因分析如下。
2.1 过热蒸汽
蒸汽是比较特殊的介质，一般情况下所说的蒸汽是指过热蒸汽。过热蒸汽是常见的动力能源，常用来带动汽轮机旋转，进而带动发电机或离心式压缩机工作。过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温获得。其中绝不含液滴或液雾，属于实际气体。过热蒸汽的温度与压力参数是两个独立参数，其密度应由这两个参数决定。
过热蒸汽在经过长距离输送后，随着工况（如温度、压力）的变化，特别是在过热度不高的情况下，会因为热量损失温度降低而使其从过热状态进入饱和或过饱和状态，转变成为饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽突然大幅度减压，液体出现绝热膨胀时也会
为饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽。饱和蒸汽突然大幅度减压，液体出现绝热膨胀时也会转变成为过热蒸汽，这样就形成汽液两相流介质。
2.2 饱和蒸汽
未经过热处理的蒸汽称为饱和蒸汽。它是无色、无味、不能燃烧又无腐蚀性的气体。饱和蒸汽具有如下特点。
（1）饱和蒸汽的温度与压力之间一一对应，二者之间只有一个独立变量。
（2）饱和蒸汽容易凝结，在传输过程中如有热量损失，蒸汽中便有液滴或液雾形成，并导致温度与压力的降低。含有液滴或液雾的蒸汽称为湿蒸汽。严格来说，饱和蒸汽或多或少都含有液滴或液雾的双相流体，所以，不同状态下不能用同一气体状态方程式来描述。饱和蒸汽中液滴或液雾的含量反映了蒸汽的质量，一般用干度这一参数来表示。蒸汽的干度是指单位体积饱和蒸汽中干蒸汽所占的百分数，以“x”表示。
（3）准确计量饱和蒸汽流量比较困难，因为饱和蒸汽的干度难以保证，一般流量计都不能准确检测双相流体的流量，蒸汽压力波动将引起蒸汽密度的变化，流量计示值产生附加误差。所以在蒸汽计量中，必须设法保持测量点处蒸汽的干度以满足要求，必要时还应采取补偿措施，实现准确的测量。
3 测量的分析
目前使用流量仪表测量蒸汽流量，测量介质都是指单相的过热蒸汽或饱和蒸汽。对于相流经常变化的蒸汽，肯定会存在测量不准确的问题。这个问题的解决方法是保持蒸汽的过热度，尽量减少蒸汽的含水量，例如加强蒸汽管道的保温措施，减少蒸汽的压力损失等，以提高测量的准确度。然而这些方法并不能彻底解决蒸汽流量测量不准确的问题，解决这一问题的根本办法是开发一种可测两相流动介质的流量仪表。
用于检测气体流量的流量计种类很多，以速度式和容积流量计应用最普遍，它们的共同特点是只能连续测定工况下的体积流量，而体积流量又是状态的函数，工作状态下的体积流量不能确切的表示实际流量，工程上一般都以标准状态体积流量或质量流量表示。所谓标准状态体积是0℃、1个标准大气压下的气体体积或20℃、1个标准大气压下的体积。以质量流量为计量单位的情况，目前应用不多。采用刻度气体流量计时，选定气体正常温度、压力为设计条件，将设计状态下的体积流量折算为标准体积流量或质量流量，其折算系数中含有气体密度的因素，当气体介质的工作状态偏离设计状态，流量示值将产生误差。此外气体介质的组成、含量或温度的变化，对流量测量也产生影响，所以蒸汽流量的测量更需要采取补偿措施，并且因蒸汽的状态变化补偿因素也比较复杂。
过热蒸汽的密度由蒸汽的温度、压力两个参数决定，而且在参数的不同范围内，密度的表达形式也不相同，无法用同一通式表示，所以不能获得统一的密度计算公式，只能个别推导求得温度、压力补偿公式。在温度、压力波动范围较大的场合，除进行温度、压力补偿外，还需要考虑对气体膨胀系数ε的补偿。
无论采用何种流量计检测饱和蒸汽的流量，在蒸汽压力波动的条件下工作，必须采取压力补偿措施，这是因为在流量方程中，都含有蒸汽密度的因素，工作条件与设计条件不一致时，读数会产生误差，误差的大小和工作压力与设计压力偏差的大小有关，P实＞P设将出现负误差，否则将出现正误差。蒸汽的干度条件是关系到能否准确计量蒸汽流量的重要条件，目前正在研制在线蒸汽干度检测仪表，待干度仪表应用于蒸汽流量计量与补偿系统，必将进一步提高计量的准确性。目前应采取以下三项措施：
（1）输送蒸汽的管路必须有良好的保温措施防止热量损失。
（2）在蒸汽管路上要逐段疏水，在管道的最低处及仪表前的管道上应设置疏水器，及时排出冷凝水。
（3）锅炉操作中应避免出现汽包液位过高现象，尽量减少负荷出现大的波动。
4 流量仪表的选型
对于蒸汽计量在选择流量仪表时应考虑5个主要因素：被测流体特性、生产工艺情况、安装条件、维护需求以及流量仪表的特性。这里，着重讨论流量仪表的特性、安装条件、维护需求以及选用流量仪表应注意的几个问题。目前，测量蒸汽流量的仪表主要有涡街流量计、差压式（孔板、均速管、弯管）流量计、分流旋翼式流量计、阿牛巴流量计、浮子式流量计等，下面以涡街流量计、孔板流量计和弯管流量计为例加以说明。
4.1 涡街流量计
涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种新型流量计，由于它具有其它流量计不可兼得的优点，70年代以来得到了迅速发展。据介绍，现在日本、欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅度上升，已经广泛用于各个领域，将在未来流量仪表中占主导地位，是孔板流量计的理想替代产品。它具有以下特点：
① 结构简单牢固，无可动部件，长期运行十分可靠；
② 维护十分方便，安装费用低；
③ 传感器不直接接触介质，性能稳定，寿命长；
④ 输出与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高，并方便与计算机联网；
⑤ 测量范围宽，量程比可达1：10；
⑥ 压力损失小，运行费用低，更具节能意义；
⑦ 在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组分变化影响，仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关，测量流体的体积流量无需补偿，调换配件后无需重新标定仪表的系数；
⑧ 应用范围广，气体、液体的流量均可测量；
⑨ 检定周期为2～4年。
但该流量计也存在一定的局限性：
① 涡街流量计是一种速度式流量计，漩涡分离的稳定性受流速影响，故它对直管段有一定的要求，一般是前10D、后5D；
② 测量液体时，上限流速受压损和气蚀现象限制，一般是0.5～8m/s；
③ 测量气体时，上限流速受介质可压缩性变化的限制，下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制，蒸汽是8～25m/s；
④ 应力式涡街流量计对振动较为敏感，故在振动较大的管道安装流量计时，管道要有一定的减震措施；
⑤ 应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器，故其受温度的限制，一般为-40～+300℃。
4.2 差压式流量计
以孔板流量计为代表的差压式流量计应用历史悠久，有国际标准，理论精度高，应用十分普遍。但经过几十年的应用，发现孔板流量计也存在不足：
① 应用中许多因素（设计参数与工况参数不符，上游直管段不足，孔板和管道不同心，孔板A面受污，锐角磨损等）对其测量精度有非常大的影响，使其测量误差增大；
② 安装较为麻烦，维护及拆洗的工作量较大；
③ 需配差压变送器使用，增加了维护的工作量，另需敷设导压管，且在冬季需对导压管进行保温，不可以安装在室外；
④ 流量量程比为1：3，局限性大；
⑤ 若安装不正确，容易发生蒸汽泄漏；
⑥ 压力损失较大，运行费用高。
4.3 弯管流量计
弯管流量计实际上是一个90度标准弯头，没有比它结构更简单的流量传感器了。随着机械加工工业的发展和行业标准化及规范化管理的不断完善，用作弯管传感器的标准机制弯头性价比越来越高。它的特点是：
① 结构简单，价格低廉。
② 弯管流量计传感器耐磨损，对微量磨损不敏感。
③ 安装简单，可采用直接焊接法进行安装，使现场跑冒滴漏的麻烦得到彻底的解决。
④ 适应性强，量程范围宽，直管段要求不严。只要是可以用孔板、涡街、均速管流量计来测量的管道内流体流量都可以用弯管流量计进行测量，而且在耐高温、耐高压、耐冲击、耐振动、耐潮湿、耐粉尘等方面，弯管流量计远优于其它流量计。
⑤ 弯管流量计的量程比可达1：10，对于蒸汽，它的适用范围为0～70m/s，可以较好地满足蒸汽流量测量的要求。
⑥ 弯管流量计由于其特殊的测量原理，使其在实际应用时对直管段的要求不严格，一般只要求前5D、后2D即可，远远低于其他流量测量装置的要求。
⑦ 弯管流量计精度高，重现性好，测量精度可达1.14%，重现性精度可达0.2%，一次安装后，不再需要重复拆装，因此，其安装精度也能得到最佳保证。
⑧ 弯管流量计的最突出特点是无任何附加节流件或插入件，可大大降低流体在管道内输送的动力消耗，节约能源，尤其对那些大系统、大管径、低压头的测量对象好处更加明显。
综上所述，蒸汽流量仪表的选用是非常重要的，准确测量蒸汽流量是生产部门都需要和普遍关心的问题。随着经济的发展，提高测量水平的呼声越来越高。因此，应针对生产实际情况，做一些细致的技术工作，切实探索出一条蒸汽流量测量的成功之路。
