郑永志，供职于GE检测控制技术，对于过程控制仪表的应用有15年经验。

蒸汽作为工业企业生产生活中的主要能源介质之一，其精确和无损耗计量对于生产能效考核与过程控制、蒸汽计量结算和节能减排都具有重要意义。本文结合蒸汽特点以及测量现状及局限，综合比较了不同技术之间的差异，展望了一种解决这些问题的技术方向。为今后的相关测量提供一种参考和建议。

通常蒸汽在企业的能耗中占较大的比重，企业对蒸汽的计量和调节十分重视，并提出了很高的要求。这是由于水蒸汽的生产是在一定压力条件下通过加热水而获得，加热过程需要燃烧不可再生的一次能源如煤、油、天然气等，并使得排放增加、环境恶化。对于石化、冶金、化工等能耗和排放大户，如何节约能耗，全面降低生产运行成本，已成为企业生存与发展的根本。

蒸汽的分类及定义

蒸汽在工业生产中的应用非常广泛，包括发电、暖通、公用工程保障等。按温度可分为高温蒸汽（>200℃）和中低温蒸汽（<250℃），高温高压蒸汽常用于发电、主干网输送等，中低温蒸汽常用于公用工程、供暖等（详见表1）。蒸汽按饱和度可分为过热蒸汽、饱和蒸汽、非饱和蒸汽。工业上的过热蒸汽是指在工艺压力条件下工艺温度大于饱和温度，或者在工艺温度条件下工艺压力小于饱和压力时的蒸汽，其密度值可以从蒸汽表中直接查得，此时的蒸汽遵从普通气体状态方程式，可以按普通气体进行相关的理论计算；工业上的饱和蒸汽是指工艺温度等于蒸汽的饱和温度，同时工艺压力等于蒸汽的饱和压力，此时的水刚好全部转化为100%的纯蒸汽（即干度为100%），但在实际应用中，饱和蒸汽中经常含有一定量的水；工业上的非饱和蒸汽又称为湿蒸汽，是指工艺温度等于饱和温度，工艺压力也等于蒸汽的饱和压力，但仍处于未完全汽化状态，水和蒸汽共存（即干度小于100%），密度不确定。

蒸汽测量的关键

由于蒸汽是一种相对昂贵的能源介质，其真正的价值在于所携带的热焓值，因此对蒸汽热焓值的准确计量至关重要。根据以下公式

Q= c mΔt （公式1）

其中Q为热量（kJ），m为质量（kg），c为比热容（J/（kg.K）），Δt为温度变化量（K）

可以看出，决定热值的因素有质量和温度（蒸汽的比热容是定值）。因此除了准确计量质量流量外，还需要关注影响热焓值的温度因素。影响工艺温度下降的主要因素来自管道的保温不良、管道内壁造成的沿程阻力损失、管道上各种挠流件造成的局部阻力损失。这些挠流件包括各种管阀件和仪表等，是造成管网压力损失进而使得蒸汽饱和温度下降的主要因素。

目前绝大多数关于蒸汽测量的讨论主要集中在如何提高准确度及如何更好地动态补偿方面，而极少谈及因流量计带来的压损而导致的能量损失，以饱和蒸汽为例，压损的增加，意味着饱和蒸汽压力下降，而压力的下降会导致饱和温度的下降，也意味着有部分蒸汽会变成无焓值价值的水，同时，单位质量蒸汽所携带的热焓值也下降了，要保证蒸汽用户同等热值的供应就需要输送更多的蒸汽量，而这意味着能源的浪费，也意味着生产成本的增加。以200℃，1.6MPa的饱和蒸汽为例，假定年运行8000h，单位成本按0.1美元/kWh计算，则因压损而造成的年损失额（美元）计算如下（见表2）。根据此计算结果，假定流量计带来的压损为10KPa，对于100t/h流量的蒸汽，年损失额高达20072美元。如果综合考虑管网中所有的挠流件造成的总压损，损失额是非常巨大的，而这些持续存在的运行损失通常被人们视而不见。

综上所述，对于蒸汽测量而言，最理想的流量测量应该是精度高、无压损、低维护的仪表。在某些特定应用中，要求一条管线在不同时段所通蒸汽流向不同，需要蒸汽流量计能够双向测量和累加并能够提供双路输出，因此，理想的蒸汽流量计也须满足双向测量双输出的要求。

超声波流量计采用声学原理图

蒸汽测量的现状

由于蒸汽的特殊性质，之前只有少数几种仪表才能用于蒸汽流量测量，主要有差压式流量计（孔板、喷嘴、均速管、弯管、V锥流量计等）、涡街流量计、旋翼式流量计、金属浮子流量计等。其中浮子、旋翼和涡街流量计受到温度、口径等限制，所以主流品种仍然是差压式流量计，市场份额占到70%以上。由于蒸汽的特殊性和工艺生产的复杂性，这些仪表均有明显的压力损失和较大的使用局限，无法保证长期运行时精度的稳定、可靠。

差压类流量计一般是由节流装置、变送器这两部分组成，节流装置常见的有孔板、喷嘴等。节流装置的作用是使流经的液体收缩且在其上下游产生差压，根据伯努利方程和连续性方程可以得出流量值。差压式流量计的历史悠久、标准化程度高，可不必实流标定、理论精度高、初始投资费用低。但其不足是：应用中许多因素（设计参数与工况参数不符，孔板和管道不同心，孔板A面受污，锐角磨损等）对其测量精度影响非常大，要经常对差压变送器进行校验，以保证零点的准确，需经常对三通阀门进行检查，以防发生堵塞而导致的计量失准；安装要求高，工程量大，需经常维护及拆洗；需配差压变送器使用，增加了维护工作量，另需敷设导压管，且在冬季需进行保温，不可以安装在室外；量程比为3:1~4:1，无法满足蒸汽用量大范围的波动，流量范围窄，对小流量的测量困难；压损较大，刻度非线性，运行费用高；只能单向测量。另外，当蒸汽发生相变时，尤其是饱和蒸汽变为汽液两相时，会给计量带来很大误差并可能对孔板造成冲击和损坏。

V锥流量计压损与孔板相当（90%~96%） ，比喷嘴压损大；难以同时兼顾高准确度和低压损，当流体中含有粉尘、凝析物、纤维等物体时，则低压孔及导压管常易堵塞；内锥体的固定薄弱，通过一个悬臂杆固定在管内壁上，流体在内锥后形成的漩涡必将引起振动，形成安全隐患。

近年来国内市场出现了将变送器直接与节流装置(如孔板、喷嘴、均速管等)装配在一起的产品，省去了现场布引压管线，减少了维护工作量，改善了测量精度，但仍然无法充分满足蒸汽测量的要求。

涡街流量计是振荡型流量仪表，它是在流体前进方向上放置一个漩涡发生体，液体在漩涡发生体后方形成两列规则的非对称旋涡列，该旋涡列称为涡街，涡街的频率与流速成一定比例，通过测量频率而达到对流体体积的测量。涡街流量计结构简单牢固，测量部分无可动部件，长期运行十分可靠；维护量少，安装费用低；输出与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高；量程比可达10:1；压损比孔板流量计小。但是，流速仍然受限，尤其是低流速盲区较大，流速测量区间通常在8~25m/s之间；对振动较敏感；压电晶体受温度限制，一般为-40~300℃，极少数厂家能达到400℃；抗电磁干扰和射频干扰差；两相流或脉动流对测量有影响并可能受损；干度X<0.95时，会出现“漏脉冲”现象，造成测量的成倍误差；且只能单向测量。直管段要求高，一般要求前40D后20D，对于很多应用，这一要求显然过于苛刻。

目前多数企业对蒸汽流量的计量处于分散状态，各测量点单独计量，人工抄表。而现有仪表的维护量较大，选型、安装、使用、维护，任何一个环节出现问题，都会影响正常使用，因此，仪表能否正常使用，与用户运行人员的专业素质有很大关系，他们既要理解蒸汽的各种热工参数及其变化特点（如压力、温度、热焓、比热容、密度等）又要知道测量原理，了解仪表的性能。如果技术力量较弱或缺少管理维护，仪表经常无法发挥有效作用。

蒸汽测量的未来趋势

为了保证蒸汽测量的最佳效果，需要一种无压力损失、宽量程比、耐高温、耐振动、精度长期稳定可靠、安装维护方便的仪表。近年来出现的超声波流量计，完全满足了这些要求，代表了蒸汽测量的未来趋势和发展方向。

超声波流量计采用声学原理，通过测量蒸汽流过声道时对声速传导造成的时间差而实现（见图1），其理论公式如下：

Q=ρA C2/2LΔt （公式2）

Q为质量流量(t/h)，C为声速(m/s)，L：探头水平间距(mm)，A：管道截面积(m2)，ρ：蒸汽密度(kg/m3)，Δt：时间差(ns)

通过上述公式可以看出，在温压动态补偿以后，质量流量与时间差成正比。由于现有技术在时间计量方面的精度非常之高，因此，其质量流量测量精度比传统仪表要高很多，同时从长期运行角度来看也更稳定可靠，不会出现传统仪表随着时间的推移部件磨损和维护跟不上而导致精度迅速下降的情况。同时，其全直通结构决定了仪表无压损的特点以及双向测量双向累加的功能，更是传统差压式流量计和涡街流量计无法比拟的。超声波流量计的宽量程比，可以测量的流速可低至0.03m/s，避免了在小流量时测量的不正确和流量的“丢失”现象。动态压力和温度补偿避免了压力或温度的波动引起的非测量性误差，同时具有自动蒸汽密度补偿的功能，使得直接输出质量流量变为可能，并且确保了精度的长期稳定可靠。一体式管道结构，与工艺管道保证了完全同口径，无活动部件和挠流件，使得安装和维护非常方便省事，也极大地降低了无谓的损耗、节约了运行成本并减少了排放。

具体而言，超声波流量计具有下述优点：无压损（不影响流体流动，无能量损失）、宽量程比（1500:1）、耐高温 （450℃以上）、可双向测量、无活动部件和耐振动、直接输出质量流量（自动温压补偿）等特点。虽然超声波流量计目前在价位上仍比传统的差压法要高，但随着人们越来越意识到其巨大的节能效应，一至两年节约出来的效益即可完全抵得上投入的一次成本，再加上其几乎无限制地能满足各种测量要求和极低的维护量，迟早会被用户接受并成为未来主流的蒸汽测量方案，因而代表了蒸汽流量测量的未来方向。

一些能耗用量大应用要求高的用户（如丰田和壳牌）已经在逐步使用超声波流量计替代传统的差压式流量计和涡街流量计来测量蒸汽，并取得了不错的应用效果。近些年来，国内也有部分电力和石化类用户开始在其生产装置上使用此类仪表。

结束语

综上所述，蒸汽流量测量是一项比较复杂苛刻的应用，目前，综合考虑实际测量效果和长期运行成本，并没有很好地解决这一问题，不管是差压法还是振荡型流量计，都存在量程比不足、挠流和压损严重、长期稳定性差、单向测量等问题。在技术层面，这些问题已经有了解决之道。相信未来会有更多更好的新技术出现。