渦街流量計在蒸汽計量中的應用

 

    隨著我國經濟形勢的飛速發展以及加入WTO,國際市場的競爭日趨激烈。各行各業都面臨著嚴峻的考驗。如何提高企業的管理水平,如何降低生產中成本以提高生產效率,成為一個企業興衰存亡的關鍵。其中,能源消耗是所有企業必須要計入生產成本的重要支出項目。所以正確、合理地使用能源就成為了企業管理的重要內容。

能源的計量現在大多采用各種形式的流量計產品,對燃氣、燃油、蒸氣等多種形式的動力能源進行準確計量通常應用在如下這些場合。

    1)鍋爐出口蒸汽流量、熱網蒸汽流量、冷凝水及各種用汽設備耗汽量的計量。

    2)供水,回水流量計量；

    3)燃氣流量,燃油流量；   

    4)壓縮空氣產量和用量的計量；`

5)其它氣體流量計量(氧氣、氮氣、二氧化碳等)。

 

下面我們專門探討一下蒸汽的計量。

1          蒸汽的特性

蒸汽是比較特殊的介質，有飽和及過熱兩種狀態。隨著工況（如溫度、壓力）的變化，過熱蒸汽經常會轉變成為飽和蒸汽。請看圖 (一)：

 

 

 

                                                  圖 (一)

圖中的縱坐標和橫坐標分別為（水）蒸汽的壓力和溫度值。圖中的曲線稱作飽和曲線。曲線上的點為飽和狀態的蒸汽參數值，飽和曲線以上部分為過熱蒸汽，以下部分為液態水。

由此圖可以看出飽和蒸汽的溫度和壓力值是一一對應的，即當飽和蒸汽的溫度或壓力有其中一值確定，另一值也就可以確定了。例如：150℃的飽和蒸汽對應的絕對壓力值為0.476MPa。絕壓為0.6 Mpa的飽和蒸汽對應的溫度為158.94℃。而過熱蒸汽的溫度和壓力并不一一對應，在圖中是在飽和曲線以上的區域。例如：150℃的蒸汽當其壓力值大于0.476Mpa時，就稱其為過熱蒸汽。只是過熱度不同。壓力值等于0.476Mpa時，稱為飽和蒸汽。

另外還有一個概念是濕蒸汽（干蒸汽），蒸汽的溫壓狀態在飽和曲線以下區域時我們就不能稱其為蒸汽而是水了。飽和蒸汽實際上是水分子由液態轉變為氣態的臨界值，飽和蒸汽由于溫度或壓力的改變部分氣態水分子轉變為液態，即蒸汽中攜帶了部分的水時就稱其為“濕蒸汽”。完全氣態水分子稱為“干蒸汽”。濕蒸汽在管道中實際上是兩相流，會影響流量儀表的計量精度。當蒸汽攜帶的水量較大時，其對管道中的儀表及閥門等設備沖擊很大，可能損壞某些設備，俗稱“水錘”。解決濕蒸汽的方法是保持蒸汽的過熱度，例如：加強管道保溫，注意倍壓等，還應注意管道排水。

 

2        測量蒸汽流量儀表的分類及選擇

目前，測量蒸汽流量的儀表主要有渦街流量計、差壓式（孔板、均速管、彎管）流量計、分流旋翼式流量計、阿牛巴流量計,浮子式流量計等，但從儀表工作原理上來講主要分為渦街和差壓兩大類。這里主要討論渦街流量計、孔板流量計。蒸汽流量測量在80年代以前普遍采用標準孔板流量計,但從流量儀表發展狀況來看,孔板流量計盡管其歷史悠久、應用范圍廣；人們對它的研究也最充分，實驗數據最完整，但用標準孔板流量計來測量蒸汽流量，它仍存在一些不足之處：其一，壓力損失較大；其二，導壓管、三組閥及連接頭容易泄漏；其三，量程范圍小，一般為3：1，對流量波動較大易造成測量值偏低。而渦街流量計具有結構簡單，變送器直接安裝于管道上，克服了管路泄漏現象。

   另外， 渦街流量計的壓力損失小，量程范圍寬， 對飽和蒸氣測量量程比可達30：1。因此，隨著渦街流量計測量技術的成熟，渦街流量計的使用越來越受到人們的青睞。

 

下面為渦街流量計及孔板流量計的對比：

1、渦街流量計與孔板流量計目前的技術水平

    渦街流量計的基本結構由渦街發生體、檢測元件、信號處理放大電路組成，目前對于渦街發生體的研究已達到相當完善的程度，以三角型發生體為最佳型體，檢測元件有熱敏電阻、應變片、壓電晶體、差動電容、超聲波等。信號處理部分有許多已微機化。

    渦街流量計具有安裝方便（可直接在管道上安裝）、體積小、互換性強、長期運行精度高，可適用于大多數液體、氣體和蒸氣測量。目前世界市場的渦街流量計的銷售額每年遞增30%左右。

    目前,孔板流量計的技術發展水平仍以確定的經驗公式為基礎，1980年國際標準化組織將R541與R781兩個標準合并成標準ISO5167（1980）。

    孔板節流裝置由于結構簡單，造價低、可靠等優點，它幾乎適用于所有介質測量，而與之配套的差壓變送器發展迅速，使其本身具有的不足得以彌補。

 

2、渦街流量計與孔板流量計綜合性能評價

    孔板流量計（簡稱孔板）由節流件取壓裝置和差壓變送器組成，導壓管對于易凍的場所需要有伴熱措施，一個流量測量回路靜密封點為20個左右，使用中存在如下問題：

    易凍、易堵、易漏、伴熱容易造成差壓變送器器件老化、某些場合導壓管需加隔離液，由于伴熱或工藝操作不穩，正、負導壓管隔離液液線常常不等，產生液柱差，使流量指示不準。

    以上都會使流量系數發生變化，測量精度降低,管縮短導壓管把差壓變送器直接安裝在管道上，但仍有流動的死區。

    渦街流量計（簡稱渦街）只有3個靜密封點，不易泄漏 ，沒有流動的死區，不需伴熱保溫，不受流體重度、溫度、壓力、和粘度等影響，流量系數長期不變。

    但渦街在有振動場合使用時，會使流量測量不準。目前，市場上已推出抗振型的渦街，來克服振動對流量測量不準的影響。

   （1）初步投資

    一臺進口渦街大約2萬元人民幣（Dn15-Dn80），而一臺節流裝置包括差壓變送器、孔板及法蘭、導壓管、閥門、保溫箱或保護箱也需1.5萬元人民幣，從長遠觀點看、采用渦街仍然是合算的。

    (2）安裝費用

     渦街安裝簡單，只需保證流量計前后有一定的直管段即可，孔板直線段、同心度、導壓管、變送器、保溫箱都有一定的安裝要求、安裝費用是渦街的數倍。

   （3）維護費用

    渦街除在計量上要求周期性標定外，一般不會出現故障，而孔板則不然，消泄漏，定期排污，灌隔離液，更換導壓管、閥門、保溫、清洗孔板等，有一定的維護量。如200套流量孔板測量回路（需保溫伴熱），每二年，保溫伴熱系統改造就得投入一定的維修費，這還不包括差壓變送器的更新，孔板更新費用。算下來足可以買一定數量的進口渦街.

   （4）運行成本

    1.蒸氣消耗費用

    如200套流量孔板測量回路（需保溫伴熱），每個伴熱點耗汽0.02t/h，如果每年平均按4300小時計算，蒸汽費用為40元/噸，則每年需消耗蒸汽費用大約為68.8萬元,每個回路每年耗費用為0.344萬元。

    2.能耗費用

    渦街的壓力損失比孔板小，約是孔板的1／15。因此，長期的運行對泵及風機能耗費少。孔板是渦街15倍，當用于氣體或蒸汽流量測量時，由于密度小，同一管徑體積流量大，壓力損失更是嚴重，耗能費更高。

    3.泄漏排污費

    排污費視排污次數，一般為每年約20次左右，排出的污物及物料污染大氣環境，污水超標，環保部門也要對其罰款。

   （5）長期運行精度

    孔 板的設計系統精度1.5%-2.5%，由于差壓與流量是非線性關系，當流量低于30%時，誤差增大，氣體更為嚴重，另一方面，由于使用介質的長期磨損，銳角變鈍，使流量系數發生變化，也是影響精度的一個重要原因。

    由于渦街的特殊結構，當精度經實際確定后（約為0.5%-1%測量值），精度幾乎是不變的。

   （6）可互換性

    同一臺渦街可測量氣體、液體及蒸汽的流量，電子線路板及敏感元件對不同口徑的流量計來說都有是通用的，信號輸出通常有三種形式：脈沖、模擬及數字信號。可以通過電路板的開關來切換，用戶可隨時根據自己的需要切換到另一種輸出信號。更改量程也很容易，對模擬輸出來說，只需改變輸入的脈沖頻率就行了。

    孔板則不然，孔徑是為特定的介質而設計的，互換性差，改變量程也比較困難，需重新計算孔板。

   （7）量程比

    由于渦街的輸出頻率與流量成線性關系，則流量的量程比可達20：1－80：1，例如：Foxboro公司的渦街流量計測量氣體及蒸氣的量程比為80：1，測量液體的量程比為40：1，能適應工藝流量測量量程較大的要求，精度仍能保證。

    差壓流量計的差壓與流量成非線性關系，在小流量時測量不準，量程比只有3：1－5：1。如果擴大量程比，必須設法提高差壓變送器的精度。

   （8）可靠性

    現在有種更為可靠的渦街出現，它在一個表體上安裝了兩套電子線路、兩套敏感元件，且相互獨立，可用于重要的流量測量場合，差壓式流量計難以做到這點。

   （9）節能效果

    如蒸氣用量為120t/h,壓力為3.9Mpa,溫度為445ºC,如果用孔 板測量蒸氣，造成壓力損失為0.03-0.05Mpa，如按0.03Mpa算，這塊孔板所耗電能為82kW，按一年300天計，每年耗電59萬kW/h折算標準煤為68.5t,如果采用渦街能耗僅為孔板的1/15-1/20,若以1／20計，則每年僅耗煤3.34噸，僅占孔板能耗的3.33%。

   （10）一次元件的流量特性對控制系統產生的影響

    由于渦街的輸出頻率與流量成線性關系，當它與調節閥、調節器集成一個控制系統時，相當于一個時滯和時間常數都小到可忽略的一個滯后環節，可視為比例環節，廣義對象的特性完全取決于回路中其他環節，對控制系統幾無影響，

    孔板則不然，由于它的輸出與流量成線性關系，回路增益隨著流量而變化，雖然利用調節閥的流量特性來補償廣義對象的線性影響，但效果并不明顯，因此，必須引入開方器，開方器的引入雖然使廣義對象的特性不隨工作點而變化，明顯改變了調節品質，但在小流量時反應快、靈敏、容易引起系統調節誤差增大。

    綜上所述，渦街在許多流量測量中用渦街來代替孔板是可行的， 既省錢又省力，它確實給流量測量來許多好處。

 

3        渦街流量計的原理及分類

1、渦街流量計是根據“卡門渦街”原理研制成的一種流體振蕩型流量儀表。在流動的流體中插入一個斷面為非流線型柱狀物體時，在柱體后部兩側會產生兩列交錯排列的旋渦，見圖(二)。

 

                                 

圖 (二)

 

旋渦分離的頻率與流速成正比，與柱體的寬度成反比，可以用下式表示：

  

                          f=St×V/d   公式(1)

 

式中：

f： 旋渦分離頻率

S t： 無量綱常數(斯特勞哈爾數)

V： 柱體側面的流速

d： 柱體的迎流面寬度

 

由式(1)可見，通過測量旋渦的分離頻率便可測出流體流速和瞬時流量。斯特勞哈爾數St是可通過實驗確定的無量綱常數。斯特勞哈爾數St與雷諾數Re函數關系中的線性部分，目口是渦街流量計的線性測量范圍。檢測出頻率f即可求得管內流體的流速，再由流速求出體積流量。一段時間內輸出的脈；中數與流體的體積之比(流過單位體積流體對應的脈沖數)稱為儀表系數(K系數)。

 

K=N/Q(1/m³)    公式(2)

 

式中：

    K：儀表系數(脈沖/米³)

    N：脈沖數

Q：流體體積(米³)

 

菲波公司的10VME／10VTE系列渦街流量計采用壓電晶體元件檢測旋渦分離頻率。旋渦在柱體后部兩側交替分離，產生壓力脈動，安裝在柱體后面尾流中的探頭感受到交變力(見圖二)；埋設在探頭體內部的壓電晶體元件受到交變力的作用產生交變電荷；交變電荷信號經檢測放大器處理后，以頻率信號輸出(傳感器)，或進一步變換成與流量成比例的4-20mA直流標準信號輸出(變送器)。(見圖三)

 

                                   

 

圖(三)

 

2、渦街流量計的結構分類

目前在國內銷售的渦街流量計按旋渦發生體與檢測體的位置結構可分為一體式和分體式兩大類。

一體式結構是指發生體和檢測體安裝在同一部件中，該部件既分離產生旋渦又檢測旋渦的脈沖數。發生體在儀表內采用懸臂梁結構，可感受旋渦沖擊力。檢測體位于發生體內，通過發生體的震蕩檢測旋渦脈沖數。其優點是檢測體不與測量介質接觸，可提高其壽命。缺點是懸臂梁結構易被介質中的臟污（如蒸汽中結垢、煤氣中的焦油等）堵死而失去震蕩能力，從而使檢測體無法檢測脈沖數而使儀表無法工作。另外，由于發生體的質量較大，受重力影響大，所以抗振性能較差。目前橫河公司的渦街流量計屬于這種結構。

分體式結構的發生體和檢測體是分離安裝在儀表中的不同位置。這種結構在儀表的抗振性能及耐臟污上有很大提高。缺點是檢測體與測量介質直接接觸，一旦檢測體發生故障更換時需切斷流量，會給用戶帶來麻煩。由此而知分體式結構儀表對檢測體的質量要求是很高的。分體式結構的渦街流量計按發生體和檢測體的位置不同又可分為分體內置式（如E+H公司、羅斯蒙特公司產品）和分體外置式（ABB-菲雪波特公司、菲波公司）兩種結構，內置式儀表的檢測體與發生體安裝在同一中心點上，發生體兩側開孔取信號。外置式儀表的檢測體安裝于發生體后端，如圖（三）中的旋渦發生處。內置式與外置式結構并沒有本質區別，但內置式結構由于開孔處也有被臟污堵塞的問題，故在現場使用中耐臟污的能力不如外置式理想。

 

4          正確選型、安裝、調試并用好渦街流量計

    （一）、用好渦街流量計是需要各方面配合的系統工程

    1.先進的設計和高品質的產品是基礎

          *設計不良和粗制濫造的渦街隨處可見

          *可靠性是產品的第一質量

   2.正確選型是滿意使用的前提

          *渦街測量原油，生油，氫氣等高黏度介質有附加條件（溫度管徑，流量）

          *如何面對大管道小流量的工藝設計:以流量定呂徑，采取縮管，利多弊少

（二）、渦街流量計類型

    渦街流量計的系統按信號類型分為流量傳感器和流量變送器

    渦街流量計的系統按結構和安裝可分為一體型和分離型。分離型在于使檢

    測電路部件脫離高溫，地下或高空等惡劣或不便的環境。

    渦街流量計的系統按供電電源類型又可分為系統供電和電池供電

    渦街流量計還可選擇是否有當地顯示

（三）、合理的選擇原則是：

    1.滿足基本功能，不追求錦上添花

    2.可選基本型儀表就不選取特殊型儀表

    3.盡量避免采用模擬信號傳輸的系統

    4.要與原有系統協調，也要考慮末來的更新和發展

    5.采用廣義性能價格比概念，綜合性能，可靠性和安裝，維修費用進行比較

（四）、選型前應完成的兩個基本工作：

    1.由給定流量范圍（通過計算）確定流量計口徑

    2.根據介質壓力，溫度管道連接及其他現場條件要求確定流量計的具體型號

    口徑計算的依據：工藝參數和儀表數據

    參數的單位換算，介質物性參數數據庫

    儀表參數數據庫：流量，流速，阻力損失

（五）、選型前應了解的其他信息：

    *儀表原理，特點，應用場合等

    *儀表的結構，外形及安裝尺寸

    *與儀表相配的附件，配套儀表信息

（六）、正確安裝帶來滿意使用

    *動手安裝前務必先閱讀操作手冊

    *位置，直管，方位，流向，法蘭對中

    *電氣接線：需用心連接，先查后通電

（七）、儀表調整和故障處理：

    *儀表調整時，先核實工況條件，然后根據廠家的經驗數據庫進行調整

    *遵循“確認現象-判定原因-動手處理”的程序。

    （儀表無流量顯示并不等于儀表出故障）

 

另外值得注意的是：

目前我國對蒸汽的計量記錄及結算值的單位基本上是質量流量，即噸或公斤。而蒸汽流量計測量值均是體積流量，即立方米。這就需要實時采集蒸汽的溫度和壓力，在積算儀或計算機中計算出密度進行補償。（飽和蒸汽的溫度壓力一一對應，只需單路補償。）

以測量過熱蒸汽為例，使用渦街流量計時應安裝壓力變送器和溫度傳感器采集壓力和溫度進行補償計算，如圖 (四)。

            

    

        

                                     圖 (四)

 

綜上所述，蒸汽流量儀表的選用是非常重要的，準確測量蒸汽流量是生產部門都需要和普遍關心的問題。隨著經濟的發展，提高測量水平的呼聲越來越高。因此，應針對生產實際情況，做一些細致的技術工作，切實探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。