渦街流量計在蒸汽計量中的應(yīng)用

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

隨著我國經(jīng)濟形勢的飛速發(fā)展以及加入WTO，市場的競爭日趨激烈。各行各業(yè)都面臨著嚴峻的考驗。如何提高企業(yè)的管理水平，如何降低生產(chǎn)中成本以提高生產(chǎn)效率，成為一個企業(yè)興衰存亡的關(guān)鍵。其中，能源消耗是所有企業(yè)必須要計入生產(chǎn)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(yè)管理的重要內(nèi)容。

      能源的計量現(xiàn)在大多采用各種形式的流量計產(chǎn)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(yīng)用在如下這些場合。
      1）鍋爐出口蒸汽流量、熱網(wǎng)蒸汽流量、冷凝水及各種用汽設(shè)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(chǎn)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(zhì)，有飽和及過熱兩種狀態(tài)。隨著工況（如溫度、壓力）的變化，過熱蒸汽經(jīng)常會轉(zhuǎn)變成為飽和蒸汽（圖1）

圖1

      圖中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)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(tài)的蒸汽參數(shù)值，飽和曲線以上部分為過熱蒸汽，以下部分為液態(tài)水。

      由此圖可以看出飽和蒸汽的溫度和壓力值是一一對應(yīng)的，即當(dāng)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(yīng)的壓力值為0.476MPa。絕壓為0.6 Mpa的飽和蒸汽對應(yīng)的溫度為158.94℃。而過熱蒸汽的溫度和壓力并不一一對應(yīng)，在圖中是在飽和曲線以上的區(qū)域。例如：150℃的蒸汽當(dāng)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(tài)在飽和曲線以下區(qū)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的臨界值，飽和蒸汽由于溫度或壓力的改變部分氣態(tài)水分子轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，即蒸汽中攜帶了部分的水時就稱其為“濕蒸汽”。*氣態(tài)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(dāng)蒸汽攜帶的水量較大時，其對管道中的儀表及閥門等設(shè)備沖擊很大，可能損壞某些設(shè)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(yīng)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(biāo)準孔板流量計，但從流量儀表發(fā)展?fàn)顩r來看，孔板流量計盡管其歷史悠久、應(yīng)用范圍廣；人們對它的研究也zui充分，實驗數(shù)據(jù)zui完整，但用標(biāo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，變送器直接安裝于管道上，克服了管路泄漏現(xiàn)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(shù)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(shù)水平

      渦街流量計的基本結(jié)構(gòu)由渦街發(fā)生體、檢測元件、信號處理放大電路組成，目前對于渦街發(fā)生體的研究已達到相當(dāng)*的程度，以三角型發(fā)生體為*型體，檢測元件有熱敏電阻、應(yīng)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(shù)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(shù)發(fā)展水平仍以確定的經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，1980年標(biāo)準化組織將R541與R781兩個標(biāo)準合并成標(biāo)準ISO5167（1980）。

      孔板節(jié)流裝置由于結(jié)構(gòu)簡單，造價低、可靠等優(yōu)點，它幾乎適用于所有介質(zhì)測量，而與之配套的差壓變送器發(fā)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(jié)流件取壓裝置和差壓變送器組成，導(dǎo)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(dǎo)壓管需加隔離液，由于伴熱或工藝操作不穩(wěn)，正、負導(dǎo)壓管隔離液液線常常不等，產(chǎn)生液柱差，使流量指示不準。

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

      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(qū)，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(shù)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(jié)流裝置包括差壓變送器、孔板及法蘭、導(dǎo)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(dǎo)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(shù)倍。

      （3）維護費用

      渦街除在計量上要求周期性標(biāo)定外，一般不會出現(xiàn)故障，而孔板則不然，消泄漏，定期排污，灌隔離液，更換導(dǎo)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(tǒng)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(shù)量的進口渦街。

      （4）運行成本

      ◆ 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。
      ◆ 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(fēng)機能耗費少。孔板是渦街15倍，當(dāng)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。
      ◆ 泄漏排污費：排污費視排污次數(shù)，一般為每年約20次左右，排出的污物及物料污染大氣環(huán)境，污水超標(biāo)，環(huán)保部門也要對其罰款。

      （5）長期運行精度

      孔板的設(shè)計系統(tǒng)精度1.5%~2.5%，由于差壓與流量是非線性關(guān)系，當(dāng)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(zhì)的長期磨損，銳角變鈍，使流量系數(shù)發(fā)生變化，也是影響精度的一個重要原因。

      由于渦街的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)精度經(jīng)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(shù)字信號。可以通過電路板的開關(guān)來切換，用戶可隨時根據(jù)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(zhì)而設(shè)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(guān)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(yīng)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(guān)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(shè)法提高差壓變送器的精度。

      （8）可靠性

      現(xiàn)在有種更為可靠的渦街出現(xiàn)，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(jié)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(biāo)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(tǒng)產(chǎn)生的影響

      由于渦街的輸出頻率與流量成線性關(guān)系，當(dāng)它與調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)器集成一個控制系統(tǒng)時，相當(dāng)于一個時滯和時間常數(shù)都小到可忽略的一個滯后環(huán)節(jié)，可視為比例環(huán)節(jié)，廣義對象的特性*取決于回路中其他環(huán)節(jié)，對控制系統(tǒng)幾無影響，孔板則不然，由于它的輸出與流量成線性關(guān)系，回路增益隨著流量而變化 ，雖然利用調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)品質(zhì)，但在小流量時反應(yīng)快、靈敏、容易引起系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(jù)“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(cè)會產(chǎn)生兩列交錯排列的旋渦，見圖2。

圖2

      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                                （1）

      式中：f：旋渦分離頻率
               S t：無量綱常數(shù)（斯特勞哈爾數(shù)）
               V：柱體側(cè)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(shù)St是可通過實驗確定的無量綱常數(shù)。斯特勞哈爾數(shù)St與雷諾數(shù)Re函數(shù)關(guān)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(nèi)流體的流速，再由流速求出體積流量。一段時間內(nèi)輸出的脈；中數(shù)與流體的體積之比（流過單位體積流體對應(yīng)的脈沖數(shù)）稱為儀表系數(shù)（K系數(shù)）。

      K=N/Q（1/m³）                      （2）

      式中：K：儀表系數(shù)（脈沖/米³）
               N：脈沖數(shù)
               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(cè)交替分離，產(chǎn)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2）；埋設(shè)在探頭體內(nèi)部的壓電晶體元件受到交變力的作用產(chǎn)生交變電荷；交變電荷信號經(jīng)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(biāo)準信號輸出（變送器）。（見圖3）

圖3

      （2）渦街流量計的結(jié)構(gòu)分類

      目前在國內(nèi)銷售的渦街流量計按旋渦發(fā)生體與檢測體的位置結(jié)構(gòu)可分為一體式和分體式兩大類。

      一體式結(jié)構(gòu)是指發(fā)生體和檢測體安裝在同一部件中，該部件既分離產(chǎn)生旋渦又檢測旋渦的脈沖數(shù)。發(fā)生體在儀表內(nèi)采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，可感受旋渦沖擊力。檢測體位于發(fā)生體內(nèi)，通過發(fā)生體的震蕩檢測旋渦脈沖數(shù)。其優(yōu)點是檢測體不與測量介質(zhì)接觸，可提高其壽命。缺點是懸臂梁結(jié)構(gòu)易被介質(zhì)中的臟污（如蒸汽中結(jié)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(shù)而使儀表無法工作。另外，由于發(fā)生體的質(zhì)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(jié)構(gòu)。

      分體式結(jié)構(gòu)的發(fā)生體和檢測體是分離安裝在儀表中的不同位置。這種結(jié)構(gòu)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(zhì)直接接觸，一旦檢測體發(fā)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(jié)構(gòu)儀表對檢測體的質(zhì)量要求是很高的。分體式結(jié)構(gòu)的渦街流量計按發(fā)生體和檢測體的位置不同又可分為分體內(nèi)置式（如E+H公司、羅斯蒙特公司產(chǎn)品）和分體外置式（ABB-菲雪波特公司、菲波公司）兩種結(jié)構(gòu)，內(nèi)置式儀表的檢測體與發(fā)生體安裝在同一中心點上，發(fā)生體兩側(cè)開孔取信號。外置式儀表的檢測體安裝于發(fā)生體后端，如圖（三）中的旋渦發(fā)生處。內(nèi)置式與外置式結(jié)構(gòu)并沒有本質(zhì)區(qū)別，但內(nèi)置式結(jié)構(gòu)由于開孔處也有被臟污堵塞的問題，故在現(xiàn)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(diào)試并用好渦街流量計

      （1）用好渦街流量計是需要各方面配合的系統(tǒng)工程

      ◆ *的設(shè)計和高品質(zhì)的產(chǎn)品是基礎(chǔ)

      *設(shè)計不良和粗制濫造的渦街隨處可見
      *可靠性是產(chǎn)品的*質(zhì)量

      ◆ 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(zhì)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(shè)計:以流量定呂徑，采取縮管，利多弊少

      （2）渦街流量計類型

      渦街流量計的系統(tǒng)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(tǒng)按結(jié)構(gòu)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(huán)境。
      渦街流量計的系統(tǒng)按供電電源類型又可分為系統(tǒng)供電和電池供電
      渦街流量計還可選擇是否有當(dāng)?shù)仫@示

      （3）合理的選擇原則是

      ◆ 滿足基本功能，不追求錦上添花 
      ◆ 可選基本型儀表就不選取特殊型儀表
      ◆ 盡量避免采用模擬信號傳輸?shù)南到y(tǒng)
      ◆ 要與原有系統(tǒng)協(xié)調(diào)，也要考慮末來的更新和發(fā)展
      ◆ 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

      （4）選型前應(yīng)完成的兩個基本工作

      ◆ 由給定流量范圍（通過計算）確定流量計口徑
      ◆ 根據(jù)介質(zhì)壓力，溫度管道連接及其他現(xiàn)場條件要求確定流量計的具體型號

      口徑計算的依據(jù)：工藝參數(shù)和儀表數(shù)據(jù)
      參數(shù)的單位換算，介質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫
      儀表參數(shù)數(shù)據(jù)庫：流量，流速，阻力損失

      （5）選型前應(yīng)了解的其他信息

      *儀表原理，特點，應(yīng)用場合等
      *儀表的結(jié)構(gòu)，外形及安裝尺寸
      *與儀表相配的附件，配套儀表信息

      （6）正確安裝帶來滿意使用

      *動手安裝前務(wù)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

      （7）儀表調(diào)整和故障處理

      *儀表調(diào)整時，先核實工況條件，然后根據(jù)廠家的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫進行調(diào)整
      *遵循“確認現(xiàn)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(jié)算值的單位基本上是質(zhì)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(yīng)，只需單路補償。）以測量過熱蒸汽為例，使用渦街流量計時應(yīng)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4。

圖4

      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(chǎn)部門都需要和普遍關(guān)心的問題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，提高測量水平的呼聲越來越高。因此，應(yīng)針對生產(chǎn)實際情況，做一些細致的技術(shù)工作，切實探索出一條蒸汽流量測量的成功之路。