渦街流量計(jì)在蒸汽流量測量中的應(yīng)用

   1 渦街流量計(jì)工作原理

    1911年世界流體專家卡門教授的渦街理論應(yīng)用是渦街流量計(jì)的基本理論，但它的前提是必須在無窮大均勻流場中才能在阻流件后形成穩(wěn)定的兩排交錯排列的旋渦。

    旋渦有以下規(guī)律：

      （1）

    式中：h為旋渦之間的橫向間隔；a為旋渦的前后間隔[1]。那么在封閉管道中流場的速度是非同速的，按照流體力學(xué)知識，在水力光滑）管中，V為流體的流速，Vmax為管道中zui大流速，層深狀態(tài)時：

      （2）

    即在層深時，流速呈現(xiàn)拋物線形狀。

    在紊流狀態(tài)中：

      （3）

    式中：n為一個與雷諾數(shù)有關(guān)的參數(shù)，在現(xiàn)實(shí)管道中還與管壁粗糙度有關(guān)，r為管中心到管壁的距離[2]。

    所以在管道中要插入的阻流件就有以下任務(wù)：

    （1）通過三角柱對流體的阻塞作用，使流體流過兩側(cè)弓形面時幾乎使三角柱兩側(cè)上下流通速度達(dá)到一致。

    （2）產(chǎn)生穩(wěn)定、強(qiáng)烈、規(guī)則的旋渦。

    （3）使形成的旋渦頻率在較大的流速范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，即盡量寬量程范圍。

    經(jīng)過多年的應(yīng)用對比及與有關(guān)流量計(jì)生產(chǎn)單位的實(shí)驗(yàn)探討，得知三角柱寬度與管道直徑比d/D控制在0.28時效果較好，三角板的尾角在38°～42°均可以，38°時在空氣中標(biāo)定線性好，42°在水中標(biāo)定線性好。

    在三角柱具體安裝時，對于測尾流振動頻率的探頭外置型渦街，三角柱與管壁必須緊密連接，縫隙盡量小，并且兩側(cè)不能有焊點(diǎn)，否則旋渦會有噪聲干擾。此時通過敏感元件所測檢漏信號并給電路處理即能獲得旋渦頻率f：

      （4）

    由式（4）可見f與管流流速成正比。

    通過在氣體標(biāo)定裝置或水的標(biāo)定裝置上檢定可以獲得儀表系數(shù)K，K是單位工況體積介質(zhì)流過流量計(jì)時產(chǎn)生的脈沖數(shù)（即旋渦個數(shù)），即一個脈沖反過來代表多少工況體積的流體介質(zhì)（注意是工況體積）。所以渦街流量計(jì)類似于沒有活動部件的容積式流量計(jì)，是先天的數(shù)字流量計(jì)。

    2 渦街流量計(jì)現(xiàn)場安裝及注意事項(xiàng)

    流量儀表一經(jīng)選定，其安裝的正確與否便成為非常重要的問題。確保流速分布穩(wěn)定是渦街計(jì)正確安裝保證儀表正常工作的zui關(guān)鍵條件之一，而儀表通徑與管道內(nèi)徑是否匹配就是其中非常重要的一個因素。實(shí)際使用中鋼管的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工藝參數(shù)要求不同有很大的區(qū)別，如D273鋼管，現(xiàn)場使用的鋼管壁厚有區(qū)別，具體規(guī)格有D273×6、D273×7、D273×8等，這樣同樣D273管實(shí)際鋼管的內(nèi)徑就有區(qū)別。而渦街流量計(jì)的通徑則一般都比較標(biāo)準(zhǔn)，有DN50、DN100、DN150、DN200、DN300等，這樣必然就存在一個匹配的問題，而這一點(diǎn)在現(xiàn)場使用中恰恰沒有得到足夠的重視。

    渦街流量計(jì)儀表與管道內(nèi)徑相等是zui為理想的，如果流量儀表通徑與管道內(nèi)徑存在差異，就可能產(chǎn)生附加誤差，具體可分以下幾種情況：

    （1）管道實(shí)際內(nèi)徑大于儀表通徑，但兩者之差不超過后者的3％，這時所產(chǎn)生的誤差很小，仍在儀表的精度范圍內(nèi)，對測量無影響，不需要任何修正；

    （2）管道實(shí)際內(nèi)徑小于儀表通徑，但兩者之差在一定的范圍內(nèi)，即通徑DN15至DN100小于等于3％，DN150及以上小于等于1％，則產(chǎn)生的誤差較小，這時可以通過對儀表系數(shù)K進(jìn)行修正來補(bǔ)償，消除影響；

    （3）管道內(nèi)徑與儀表通徑之差較大，超過上述允許范圍，這時所產(chǎn)生的誤差也較大，即使修正儀表系數(shù)K也無法滿足測量精度及穩(wěn)定性的要求。其原因是這種工況下相當(dāng)于渦街流量計(jì)前已無直管段，由于管道的突變使流體流速的分布受到擾動發(fā)生畸變，這種干擾隨著流速等參數(shù)的變化而變化，并非固定不變，是無法修正的變量。由此造成渦街流量計(jì)工作不穩(wěn)定，輸出頻率信號與流速的比例關(guān)系失真，嚴(yán)重影響使用精度，甚至引起波動導(dǎo)致儀表無法正常工作。

    據(jù)此在工程設(shè)計(jì)和儀表安裝時應(yīng)考慮盡可能選用管道內(nèi)徑略大于儀表通徑，但是兩者之差不超過后者的3％，同時盡量保證流量計(jì)與管道安裝時的同心度，以免產(chǎn)生臺階影響流場分布而影響使用效果。

    除此之外還有以下一些安裝時應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題，如有不慎也將影響使用效果，甚至使渦街不能正常工作：

    （1）渦街流量計(jì)安裝前后直管段的要求：要注意調(diào)節(jié)閥在小流量時易產(chǎn)生射流，閥后安裝流量計(jì)直管段過短會造成渦銜流量計(jì)工作不穩(wěn)定[3]。

    （2）上游如果有插入式測溫元件，也會產(chǎn)生頻率很高的旋渦，類似閥門干擾，距離也必須遠(yuǎn)離，或者盡量安裝在流量計(jì)后，因?yàn)榱髁坑?jì)前后基本不會有多大的溫差，完滿足溫度測量的要求。

    （3）在焊接法蘭切割管子時，焊口要磨平整，不能有焊渣升入到管道中，不平整光滑的焊縫也會影響流場的均勻分布。

    （4）上游安裝測壓口時孔不必開得很大，也不能有焊渣探入到管邊中，更不允許取壓管有伸入管內(nèi)的情況發(fā)生。

    （5）安裝渦街流量計(jì)的管道處應(yīng)盡量避免振動，振動可能會產(chǎn)生干擾信號，等。

    3 渦街流量計(jì)在蒸汽流量計(jì)量應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

    國內(nèi)在工業(yè)較發(fā)達(dá)的地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)，區(qū)域供汽供熱的現(xiàn)象已很普遍，為工業(yè)供熱貿(mào)易結(jié)算提供準(zhǔn)確可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)也就顯得非常的重要。

    首先應(yīng)注意一個常識，在很多地方計(jì)量技術(shù)監(jiān)督部門有明文規(guī)定，所有用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量表計(jì)都是計(jì)量技術(shù)監(jiān)督部門強(qiáng)制鑒定的儀表，也就是說用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量表計(jì)在安裝前都應(yīng)送計(jì)量監(jiān)督部門或計(jì)量監(jiān)督部門*認(rèn)可的計(jì)量鑒定機(jī)構(gòu)鑒定合格。出廠前生產(chǎn)廠家出廠檢定報(bào)告不具有法律效力，一旦產(chǎn)生貿(mào)易糾紛未經(jīng)計(jì)量鑒定部門鑒定合格的儀表將得不到計(jì)量技術(shù)監(jiān)督部門的支持，將直接認(rèn)定為計(jì)量不合格并承擔(dān)主要責(zé)任。這一點(diǎn)經(jīng)常會被忽視。

    其次渦街流量計(jì)在蒸汽流量測量中還應(yīng)注意溫壓補(bǔ)償問題，渦街流量計(jì)檢測的是流體在工作狀態(tài)下的體積流量，而在日常貿(mào)易結(jié)算中蒸汽流量計(jì)量習(xí)慣用質(zhì)量流量表示，計(jì)量單位主要為t，kg等。

    因此就必然存在一個體積流量到質(zhì)量流量的折算過程，折算系數(shù)中就包括流體密度的因素，而蒸汽密度又因溫度壓力的不同而不同，所以渦街流量計(jì)在蒸汽流量測量中引入溫度壓力補(bǔ)償?shù)哪康木褪窃谡羝麑?shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況時，將根據(jù)實(shí)測溫度壓力參數(shù)計(jì)算蒸汽密度，將蒸汽密度對質(zhì)量流量測量結(jié)果的影響予以修正。

    蒸汽流量的溫壓補(bǔ)償修正公式是一個比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，一般是由智能二次儀表如流量積算儀或DCS流量累積功能模塊等來完成復(fù)雜的計(jì)算過程，在平時的工作中可以用簡化的人工計(jì)算公式進(jìn)行復(fù)核，具體如下[4]：

    飽和蒸汽流量計(jì)算修正公式為

       （5）

    過熱蒸汽流量計(jì)算修正公式為

       （6）

    式（5，6）中：M_s為流體質(zhì)量流量，kg/h；M_d為儀表指示流量，kg/h；ρ_x為刻度流量時蒸汽的密度，kg/m³；ρ=ap＋b，為飽和蒸汽的密度表達(dá)式；a，b為常數(shù)，取值與壓力p有關(guān)；p為液體的工作壓力，MPa（絕壓）；ρ=f（p、t），為過熱蒸汽的密度表達(dá)式；t為過熱蒸汽溫度，℃。

      （7）

    式中：Mm為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量標(biāo)尺上限，kg/h；V_g，V_d為儀表的信號制上、下限電壓信號，V；V_L為流量計(jì)輸出信號，V。

    表1列出了a，b與p的關(guān)系，表2列出了ρ與p，t的關(guān)系。

    4 結(jié)束語

    深入了解渦街流量計(jì)原理，了解現(xiàn)場安裝及應(yīng)用的基本知識及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以在現(xiàn)場得到很好的使用，發(fā)揮渦街流量計(jì)的優(yōu)勢，更好地服務(wù)于工業(yè)測量與控制領(lǐng)域。