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涡街流量计在蒸汽流量测量中的应用 |
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作者： |
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对如今广泛应用的热电联产，蒸汽计量不仅关系到能源的统计和考核，还直接关系到产汽单位和用汽单位的经济效益。目前工业上使用的流量计品种很多，由于涡街流量计结构简单、安装维护方便，已被广泛应用。本文就涡街流量计在蒸汽计量应用中的若干问题进行分析。
1 工作原理
涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的卡门涡街流量原理。
如图1所示，在流体中设置旋涡发生体（阻流体），随着流体沿旋涡发生体流动的速度加快，从旋涡发生体两侧交替产生有规律的旋涡，这种旋涡称为卡门旋涡。
由于旋涡之间的相互影响，这些涡列多数是不稳定的，卡门对涡列的稳定性条件进行了研究并得到结论：只有形成相互交替的内旋的两排涡列，且当两旋涡列之间的距离h和同列的两旋涡之间距离l之比满足：h/l=0.281时，这样的涡街列才是稳定的（图1）。
图1 卡门旋涡
2 计算公式
2.1 质量流量计算公式
涡街流量计是根据旋涡脱离旋涡发生体的频率与流量之间的关系来测量流量的仪表，根据卡门涡街原理，旋涡频率f与管道内平均流速v有如下关系：
f=St * v/d
式中：St是斯特劳哈尔数，d是旋涡发生体的特征宽度。
由上式可见f与管流流速成正比。由上式可得被测流体的瞬时流量和质量流量公式：
式中：M为质量流量；r为管道内径；ρ为流体的密度。通过在气体标定装置或水的标定装置上检定可以获得仪表系数K，K是单位工况体积介质流过流量计时产生的脉冲数（即旋涡个数），即一个脉冲反过来代表多少工况体积的流体介质。
K=f/Q
由上式可得：
M=Q*ρ=fρ/K
交替产生的旋涡数通过压电元件检测出频率f，经电子线路检测后输出到仪表单片机进行运算处理并显示流体流量。
2.2 温度压力补偿
对于使用涡街流量计测量流体体积流量，在其测量范围内，这种体积流量不受流体温度、压力、密度、粘度、成分等性质变化所影响，因而是准确的，不需要任何温度、压力补偿。
但在实际生产中，一般测量蒸汽流量时习惯上以质量流量作为结算方式，单位用kg/h或t/h表示。所以上述体积流量Q需要引入蒸汽密度ρ（P，T）参数进行折算：
M(P,T)=Q*ρ(P,T)
而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作状态如温度T、压力P等影响的，例如温度为190℃的蒸汽，当压力由1.1MPa上升到1.2MPa时，其密度约增大了10%，如表1所示。可见，蒸汽性质变化或操作条件波动时会产生一定的附加误差。因此在体积流量检测的同时还要进行温度压力的检测，也即通过T、P对ρ进行实时补偿以消除系统的附加误差，保证最终需要的检测结果即质量流量的准确性，而这些补偿运算工作均在流量积算仪中自动完成。所以，应用涡街流量计测量蒸汽流量时，温度压力补偿是很有必要的。表1 饱和蒸汽密度表
 在本测量系统中，蒸汽的体积流量Q、压力P和温度T分别通过涡街流量计、压力变送器和热电阻（Pt100）的检测而转换为脉冲、4mA～20mADC和电阻值信号，并同时输入现场的智能流量积算仪进行运算和显示，其读数即为补偿后的蒸汽质量流量M。
3 现场安装注意事项及我司安装情况
涡街流量计有多种结构形式，安装人员必须了解所装仪表的具体结构和特点。
3.1 选择合理的安装场所
安装场所应避开强电力设备、高频设备等；避免安装在高温和强腐蚀的环境中；避免安装在强烈震动的地方，而且应选择方便安装、布线和维修的地点。我司的蒸汽用户为糖厂、纸厂、方便面厂等，安装环境相对来说较好，但由于设备多安放于露天，为了保护设备，均加装了铁罩。
3.2 上下游配管应满足安装要求
在管路上选择安装位置时应保证上游直管段的长度大于15D，且应尽量的增加上游直管段的长度。对于同心扩大管，上游直管段的长度应大于40D，而同心收缩管，上游直管段的长度应大于20D。下游直管段的长度应保证大于5D。要注意调节阀在小流量时易产生射流，阀后安装流量计直管段过短会造成涡衔流量计工作不稳定。蒸汽用户多位于工业园里，蒸汽管路均有较长的直管段，直管段都在100D以上。
3.3 减振措施
涡街流量计是以流体振动原理工作的，因此传感器安装应避开强烈振动，特别是横向的振动，会给仪表带来干扰信号。如仪表装在震动较强的管道上，则应采取减振措施，在传感器上安装防振座并加防振垫。由于现场没有较大的振动源，因此未加装减振措施。
3.4 取温点和取压点的安装
实施流体温度、压力补偿时，应合理选择温度、压力测口的位置。上游如果有插入式测温元件，会产生频率很高的旋涡，类似阀门干扰，因此必须远离流量计，一般取温点都安装在流量计后，因为流量计前后基本不会有多大的温差，完全能满足温度测量的要求。而安装取压点时孔不必开得很大，也不能有焊渣探入到管边中，更不允许取压管有伸入管内的情况发生。如图2所示。
图2 温度和压力补偿时的安装位置
3.5 旁路管的安装
如选用的是管道式的涡街流量计，为了不断流地检查或清洗流量计，一般可加装旁路管道。而对于插入式的涡街流量计，则可在不断流的情况下将其拆出清洗或更换。我司选用的均为插入式的涡街流量计，因此并未安装旁路。插入式的涡街流量计安装和维护都比较方便，能在不影响蒸汽用户生产的情况下对其进行维护。
3.6 接地
接地应遵循一点接地原则，接地电阻应小于10Ω，整体型和分离型的涡街流量计都应在传感器一侧接地，转换器外壳接地点也应与传感器同地。
4 维护及应用
4.1 日常维护
（1）涡街流量计一般安装于室外，条件允许的话可加装铁硼，或安装不锈钢保护箱来保护。
（2）一般检查：检查主管道上各法兰、阀门、测压孔、测温孔及接头应无渗漏现象，管道的振动情况是否符合使用说明书的规定。
（3）如涡街流量计测量数值偏低，则应首先检查管路是否有漏汽或漏水的情况，再则轻敲流量计与管道的连接处，看流量数值是否有变化。或者测量探头的电容，如果偏低，则应更换探头。
（4）如涡街流量计测量数值偏大，则应首先检查管路是否存在震动和屏蔽线是否接触不良。在没有使用蒸汽的情况下仍有较大的流量数值，则需由相关部门对设备进行校验。
4.2 蒸汽测量的应用
对于用户数量不多且距离不算太远的蒸汽用户，我们可以使用无纸记录仪，对每位蒸汽用户的流量、累积流量、压力、温度等参数和掉电情况进行数据的记录并保存，定期对无纸记录仪中的数据进行拷贝和备份，以查看用户的使用情况。
如果蒸汽用户数量较多且距离较远，则会不方便管理，为此我们利用流量积算仪的通讯功能（RS485）和专网无线传输技术，与上位计算机构成网络，将各测量点的计量数据实时传输到热电公司的DCS系统中进行监控与储存，可在主机中随时查看到任何一个用户的流量、累积流量、压力、温度等参数和掉电情况，从而实现了远传监控管理，也成为企业信息化建设的一部分。
5 结语
涡街流量计因其结构简单牢固、维护方便，输出脉冲信号与流量成正比，无零点漂移，压力损失较小等的优点，发展较快，应用不断扩大。了解涡街流量计的工作原理，了解现场安装及应用的基本知识及相关经验，可发挥涡街流量计的优势，更好的服务于工业测量领域。
参考文献
[1]乐嘉谦.仪表工手册[M].北京：化学工业出版社.
[2]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京：化学工业出版社.
[3]上海华强仪表有限公司，HQ960系列涡街流量计产品说明书.(end)
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(9/2/2013) |
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