| 1、前言 蒸汽作為重要的二次能源，廣泛用于采暖、制冷、生產工藝用熱中作載熱工質，所以提高蒸汽的生產、輸送及使用效率可以節約大量的能源。準確的計量是提高能源管理水平的關鍵。由于蒸汽的特殊性，在計量方面存在諸多困難，長期以來一直是流量測量中的老大難問題。2007年1月1日國家標準GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》已經正式實施，在通則的指導之下，逐步建立一套適合我國生產企業特點，具有科學性，經濟性，實用性的蒸汽計量儀表的配備方案，是當前能源計量管理的緊迫課題。 2、蒸汽流量計量面臨的問題 為便于討論，我們先列出以下標準節流裝置的流量方程： （1） 式中：qm——蒸汽質量流量，單位kg/s ；
C ——流出系數；
d——工作條件下節流件的節流孔或喉部直徑，單位 mm；
ε——可膨脹性系數；
β——直徑比（ β=d/D ）；
Δp——差壓，單位 Pa；
ρ——工作條件下蒸汽的密度，單位kg/m3 2.1 關于蒸汽密度問題 對于蒸汽的流量測量，人們都知道要進行壓力和溫度補償，但是由于對蒸汽性質的復雜程度了解不夠，在整個一套測量系統中，往往只重視差壓、溫度、壓力信號的準確與否，并肯花大力氣盡量使用高精度的變送器，而忽略了密度在測量中的重要地位。其實這個問題只要看一看節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量中是處于同等地位的，然而在實際使用中由于忽視了密度對流量測量的影響，因此往往不重視對密度的認真研究和分析。目前流量類二次顯示儀表（系統）中，蒸汽流量密度的計算，大多數采用的是簡單的數學表達式或查表法，它們的計算精度是值得懷疑的。 工程上應用的水蒸汽大多處于剛剛脫離液態或離液態較近，它的性質與理想氣體大不相同，應視為實際氣體。水蒸汽的物理性質較理想氣體要復雜的多，故不能用簡單的數學式子加以描述。我國沒有制定“水蒸汽熱力學性質表”的國家標準，而是采用國外出版物的水蒸汽熱力學性質表。第六屆水蒸汽性質會議成立的公式化委員會IFC（International Formulation Committee）制定了用于計算水和水蒸汽熱力性質的IFC公式，并在此基礎上不斷制定新的計算公式，為大家所熟悉的就是“工業用1967年IFC公式”（簡稱IFC-67公式）。我國曾翻譯過美國的、前蘇聯的、西德的水蒸汽熱力學性質表，不管是哪個國家的水蒸汽性質表，凡符合IFC1967公式的數表，都是正確的。目前我國有關的規程已引用了該公式。 隨著工程技術以及科學研究水平的不斷提高，對水和水蒸汽熱力性質計算精度和速度要求不斷提高，IFC-67公式存在的諸如計算精度低、計算迭代時間長、適用范圍窄的缺陷也就越來越明顯起來。因此，在1997年德國Erlangen召開的水和水蒸汽性質聯合會（IAPWS）通過并發表了由德、俄、英、加等7國12位科學家組成的聯合研究小組提出的一個全新的水和水蒸汽計算模型，即IAPWS-IF97公式。這兩公式在使用范圍、區域劃分、計算精度上也有一定區別，但在工業蒸汽流量測量常用范圍內（溫度0℃--600℃，壓力0.1MPa—5MPa）,兩公式計算結果偏差極小。 2.2 關于寬量程的問題 我們都知道，一般儀表的準確度等級都是用引用誤差表示的，而引用誤差是一種簡化的和實用方便的相對誤差，是儀表在量程處的相對誤差。因此當測量值越接近滿度值，其度才越高。但在蒸汽流量計量中，尤其是蒸汽輸送場合，實際的流量范圍往往無法準確確定，實際上流量計往往工作在量程的下限，甚至超出量程下限，這樣就造成了相對誤差變大的后果。因此在設計蒸汽流量計量系統時，應考慮使用寬量程的流量計或具有寬量程補償的系統。 智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節流式流量計成為可能。歸納起來它應具備三個條件：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算機之間數字通訊（Hart協議）除能滿足全量程差壓信號傳遞的準確性，而且能夠自動遷移測量范圍。3.流量計算機不僅可根據溫度、壓力等工況參數對工況流量進行修正，還可以實時計算流出系數C、流速可膨脹性系數ε等。符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準確度同時，流量測量范圍可真正達到10：1（或更寬），節流式流量計的這一飛躍是多項技術進步的成果，它改變著人們對節流式流量計的傳統認識。 2.3 關于能量計量問題 熱能是一個狀態參數，不同狀態、等質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，以質量為蒸汽的結算單位不能真實反映蒸汽的價值。針對上述情況，以能量作為蒸汽的結算單位，已不僅是學術界的共識，而且也得到了廣大蒸汽的生產和使用單位的響應，呼吁國家出臺相關標準以進一步科學的規范蒸汽計量，并考慮到人們多年使用蒸汽質量為交結單位的習慣，作為一種過渡，仍應保留以質量為蒸汽結算單位。改動貿易計量單位是一個較復雜的問題，但先在企業內部推行蒸汽的能量計量在技術層面上是可行的，在管理層面將是一項十分有益的實踐。 2.4 關于現有系統改造的問題 目前企業的生產裝置自動化水平越來越高，多數采用DCS或PLC系統作為監視和控制系統，企業的計量點也多融入到整個系統中。在這些系統中，對于蒸汽流量的補償計算模型在軟件程序上是存在不足的，如果修改這些系統的程序存在著技術力量限制和影響整個系統實時性、整體性、安全性的危險，大多數企業是不愿意動DCS的程序的。因此，在計量改造中，我們需要找到一種既能滿足計量準確的要求，又不破壞整個儀表控制系統框架，與DCS或PLC有很好融合性，適合于數據上網的方案。 3、蒸汽流量計量儀表配備方案 3.1 我們應該有一個什么樣的蒸汽計量系統？ 要做好蒸汽計量，我們首先應該回答“我們應該有一個什么樣的蒸汽計量系統？”這樣一個問題。我們認為，一個合理、*的蒸汽計量系統應該具有以下特征： （1）現場儀表符合準確度要求、免維護、故障率低，穩定性好（檢定周期可以較長）。
（2）補償完善且補償的算法符合相關標準。
（3）具有能量計量的功能。
（4）具有較寬的量程。
（5）具有歷史數據存儲、事件報警等管理功能。
（6）便于實現網絡化。 3.2 一次儀表配備方案 我們推薦的蒸汽流量計量一次儀表是YJLB一體化噴嘴流量計，并配套溫度、壓力變送器進行溫度、壓力補償。 節流式流量計在蒸汽計量中占有重要的地位。節流式流量計技術成熟，特別是標準節流裝置按標準（ISO5167-2003E、GB/T2624-1993）設計、制造就無須實流標定，是其它流量計*的。在蒸汽測量研究上，國內外學者用標準節流裝置進行了大量的試驗，給出了修正的數學模型，所以采用標準節流裝置測量蒸汽有明顯的*性。實際上，目前我國占蒸汽用表90%以上的仍采用標準孔板節流裝置。因此我們采用標準節流裝置。之所以選則噴嘴而不是孔板，原因如下： 標準孔板的一個缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發生鈍化，據悉國內有關部門曾對新裝孔板進行跟蹤校驗，在孔板連續使用2—3個月時，鈍化引起流出系數偏度在1—3%，各別嚴重的在4%以上，這已引起了人們的高度重視。目前，解決標準孔板鈍化問題的方法是采用標準噴嘴，由于噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損（見圖1）。它的流出系數非常穩定，所以JJG640-94規程規定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%），長期運行情況表明，由于噴嘴在結構上的優勢具有耐沖擊抗變形的優點，適應于高溫、高壓、高流速介質。 節流式流量計的系統構成比較復雜，有較長的引壓管，容易阻塞，冬季運行還需對引壓管、冷凝系統進行保溫、伴熱，稍有不慎便造成故障，且儀表的維護工作量大。YJLB一體化噴嘴（見圖2）很好的解決了上述問題，一體化噴嘴是將節流件和差壓變送器做成一體，并裝有防凍隔離器（號：ZL200520127402.4），不僅縮短了引壓管線，還省去了冷凝和排污系統，使系統構成簡單，無需保溫供熱，在減少維護量的同時，也節省了能源。 YJLB一體化噴嘴的特點： ◆ 采用標準節流件，測量準確度有依據；
◆ 防凍隔離技術，冬季運行無須伴熱，維護量少；
◆ 噴嘴節流件阻力損失小（同樣流量下為相同β值孔板的60%左右）；
◆ 沒有孔口鈍化的問題，耐沖擊不易變形，系數穩定，檢定周期長（4年）；
◆ 配置智能型差壓變送器，流量測量范圍度可達10：1或更寬；
◆ 安裝簡便。 3.3 二次儀表及數據網絡配備方案 我們推薦的蒸汽流量計量二次儀表是FC2000-1AEG流量轉換單元（見圖2）。 FC2000-IAEG流量計算轉換單元是一款概念的網絡化流量計量設備。其采用儀表柜架裝的結構型式，對現場的流量相關信號進行采集、補償運算后通過RS232/485串口、以太網口等接口進行網絡通訊，同時還具有溫度、壓力、補償流量等4-20mA信號輸出功能。該流量計算轉換單元可方便地實現遠程監督管理、建立集散型計量管理網絡，在DCS、PLC系統中植入高精度流量運算環節等功能。 FC2000-IAEG具有以下優點：
◆ 依據有關標準與建議、國家與行業標準，針對不同介質和流量計類型建立了多種數學模型和相應計算軟件，可以計算蒸汽能量流量。
◆ 對節流式流量計的流出系數C、流束可膨脹系數ε等參數作為動態量進行實時逐點運算以實現寬量程。
◆ 具有溫度、壓力、補償流量等4-20mA信號隔離輸出功能，可將溫度、壓力信號回送給DCS使用。
◆ 具有歷史數據存儲、報警記錄、儀表斷電、修改參數設置等審計記錄功能，即使網絡系統發生故障流量計量數據也會存儲在其中不至于丟失。
◆ 儀表柜架裝的安裝方式，不用再在儀表盤開孔安裝，節省儀表柜空間。
◆ FC2000-IAEG所使用的流量計算軟件已通過國家部門認證。 FC2000-IAEG在DCS、PLC系統中植入高精度流量運算環節的應用 目前多數石化、化工、冶金生產裝置的控制監視系統采用DCS或PLC，流量計量點也必須引入其中，但DCS和PLC功能著重于監視和控制，它們在流量高精度的運算上的功能相對欠缺，都采用簡化公式進行流量補償計算。如果讓DCS或PLC進行復雜的流量補償計算，不僅會使組態編程十分復雜，且會大大增加DCS的負擔。使用FC2000-IAE（G）流量計算轉換單元可以方便地將高精度流量運算環節植入到DCS、PLC系統中。FC2000-IAE（G）流量計算轉換單元可以通過通訊接口（RS485、RS232或以太網）將工況溫度、壓力、補償后的流量數字信號傳給DCS或PLC中；也可以通過FC2000-IAE（G）的多路隔離模擬輸出端口將工況溫度、壓力、補償后流量的4-20mA信號傳給DCS或PLC的模擬輸入端口，如下圖： 4、蒸汽流量計量網絡實例 一次儀表采用YJLB一體化噴嘴流量計；二次儀表采用FC2000-1A/1AD流量計算機或FC2000-1AEG流量轉換單元以獨立或組合的方式構成的蒸汽計量系統在北京燕山石化、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、湖北化肥廠等企業中得到了應用。
該蒸汽計量方案還成功應用到了江蘇索普（集團）公司的蒸汽能量計量網絡系統。該系統實現了在公司內部的蒸汽能量計量數據網絡化，蒸汽質量與能量計量并存。其系統構成如下：
● 流量計采用YJLB一體化噴嘴流量計，配備溫度傳感器、壓力變送器。 ● 二次儀表采用FC2000-1A/1AD流量計算機和FC2000-1AEG流量轉換單元。FC2000-1A/1AD用在有獨立計量儀表盤的計量點。FC2000-1AEG用在DCS控制系統中，再需要時，它可以將溫度、壓力信號再輸出給DCS。它們都可以計算蒸汽能量流量。 ● FC2000-1A/1AD流量計算機和FC2000-1AEG流量轉換單元通過以太網接口接入企業的局域網。 ● 上位機系統按照Client-Server模式構造，中心服務器中安裝我公司FcLinker流量數據遠程采集軟件，完成對接口機數據的采集，并將數據存儲于數據庫中。 ● 將采集管理服務器獲得的數據以Web頁的方式通過Web服務器在企業局域網（Ethernet）上進行發布，包括瞬時數據工藝網頁、瞬時數據表網頁、歷史查詢網頁，每個掛載的終端都可以利用瀏覽器（如：Windows操作系統自帶的Internet Explorer等）來查看。 系統圖： | 
在線客服