蒸汽介質(zhì)的流速對于渦街流量計及解決方法

蒸汽介質(zhì)的流速對于渦街流量計及解決方法

渦街流量計的測量技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，其主要優(yōu)點是：無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便，易于維護(hù)，費(fèi)用支出少。量程比一般在10∶1以上，精度也相對較高，測量氣體一般在1.0級到1.5級之間，測量液體一般在1.0級。渦街流量計被廣泛　應(yīng)用于蒸汽流量的計量，我們知道，一般情況下，流量計對于所測的流體的流速都有一定的要求，尤其于渦街流量計是依靠流體產(chǎn)生的規(guī)律性的渦街進(jìn)行工作的，更要將流速限定于規(guī)定的范圍之內(nèi)，太低和太高都會導(dǎo)致渦街不能工作或數(shù)值失真。但是在實踐工作中，我們卻發(fā)現(xiàn)有人利用渦街流量計對于流速的要求來做文章，做一些違法的事情，使計量數(shù)值嚴(yán)重失真，導(dǎo)致客戶產(chǎn)生損失。做法就是使用一些看似無意其實違法的手段，致使下游的壓力驟降，導(dǎo)致蒸汽流速超過渦街流量計測量流速上限，渦街流量計不能正常工作，計量嚴(yán)重偏小。
 
具體說明如下：
　　在多年的檢定工作中，我們發(fā)現(xiàn)有人使用了一個蒸汽渦街流量計的漏洞，在保持渦街流量計計量管段原封不動的情況下，只在蒸汽出口處做文章，即可致使渦街流量計計量嚴(yán)重偏小。

　　圖1中我們看到在渦街流量計計量段，沒有任何修改，而在其后的大型儲氣罐卻大有文章。整個系統(tǒng)根據(jù)儲氣罐內(nèi)壓力變化來對前后閥門分別進(jìn)行自動控制，從而進(jìn)行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環(huán)操作。整個循環(huán)過程是：開始時，儲氣罐是空的，閥門1、閥門2都關(guān)閉。然后閥門1快速打開，上游0.8MPa的過和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲氣罐充氣漸滿，壓力升高至一定壓力后，關(guān)閉閥門1，打開閥門2，讓儲氣罐中蒸汽排出以供使用。這樣操作的目的主要是使大部分流過渦街流量計的蒸汽以*流速通過。
　　為什么這樣會使蒸汽流速達(dá)到非常高的程度呢？而渦街流量計在高流速下計量會有什么問題呢？

　　1 分析蒸汽的流速
　　臨界壓力比是分析管內(nèi)流動的一個重要數(shù)值，蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進(jìn)口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時，在臨界截面上，蒸汽流速達(dá)到臨界值音速c。
　　臨界壓力比：γcr=pcr/p1
　　水蒸汽音速：c=√ kpv
　　當(dāng)過流氣體為過熱蒸汽時：k=1.3，γcr=0.546
　　pcr稱為：臨界壓力。
　　所以我們得到：通過降低背壓比，能讓通過蒸汽的流速提升到相對于渦街流量計來說非常高的程度，甚至達(dá)到音速，過熱蒸汽音速可以達(dá)到500m/s以上。從熱網(wǎng)過來的蒸汽壓力一般高于0.8MPa，而在儲氣罐開始充氣時，罐內(nèi)壓力幾乎為常壓。根據(jù)蒸汽的臨界流原理。蒸汽管道和容器的前后壓力比只要低于臨界壓力比γcr=0.546，那么管內(nèi)蒸汽的流速將達(dá)到音速。在這個案例里，儲氣罐內(nèi)壓力按充氣階段中后期才逐漸升高到的0.4MPa來計算，背壓比為0.5。也就是說，在大部分蒸汽通過階段，背壓比都小于0.546，蒸汽的流速都保持在音速，音速是大大超過渦街流量計測量流速上限的。通過這樣一個辦法，即能大幅度提高通過渦街流量計的蒸汽流速，致使渦街流量計計量嚴(yán)重偏少。不法用戶還狡辯，我的所有計量器具都通過了國家法定計量檢定機(jī)構(gòu)的檢定。確實，這種情況，單是檢定流量計是無法發(fā)現(xiàn)問題的。我們可以判斷，介質(zhì)的高流速對渦街流量計的計量性能產(chǎn)生了很大的影響致使其計量不準(zhǔn)。為什么這么說呢？我們再來分析氣體的高流速對渦街流量計的影響。

　　2 渦街流量計工作原理
　　在流體中安放漩渦發(fā)生體，流體在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分列出兩列有規(guī)律的交錯排列的漩渦，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，改漩渦的頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸有關(guān)，所產(chǎn)生的漩渦頻率f 正比于流量，此頻率可由各種傳感器檢出。
　　渦街流量計就是利用卡門渦街原理，得到如下關(guān)系：
　　f =(Sr ·u )/b
　　式中：b ——阻流件的寬度，m； u——流經(jīng)流量計的流體平均流速，m/s；f ——漩渦的頻率，Hz；Sr ——斯特羅哈爾數(shù)（無量綱）。
　　斯特羅哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與漩渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)。圖3所示為三角柱漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系。

　　由圖3可見，在Re D=2×104～7×106范圍內(nèi) ，斯特勞哈爾數(shù)可視為常數(shù)。我們使用的渦街流量計都是在斯特勞哈爾數(shù)視為常數(shù)的這個范圍內(nèi)設(shè)計的。因此我們使用渦街流量計時一定要避免測量介質(zhì)的雷諾數(shù)在2×104～7×106這個范圍外，超過這個范圍，斯特勞哈爾數(shù)不再是常數(shù)，渦街流量計測得的頻率與流速也不再是簡單的正比關(guān)系。也就是說，超過雷諾數(shù)2×104～7×106這個范圍，便違反了渦街流量計的設(shè)計原理，這時候渦街流量計是不能正常計量的。因為雷諾數(shù)與介質(zhì)流速有關(guān)，所以我們具體到介質(zhì)流速的話，對于蒸汽來說，渦街流量計的流速測量范圍控制在5m/s～60m/s之間，好的渦街流量計量程上限多再往上延伸20%。因此在選型渦街流量計的口徑和流量測量范圍時，要保證滿足這個流速限定。絕大部分渦街流量計對于高流速介質(zhì)是沒有辦法計量的。所以上訴案例中，用普通渦街流量計去計量音速下的蒸汽，得到的結(jié)果是*不可信，不能用的。

　　渦街流量計是一種數(shù)字儀表，是通過傳感器來檢測漩渦頻率的。流量計的電氣性能必須要工作在適宜它的條件下。我們來看看在高流速下，渦街流量計檢測漩渦頻率的情況。引用一個高流速下渦街流量計的實驗[4]。該實驗在采用在線實時頻譜分析時發(fā)現(xiàn)：在口徑為DN80及其以下的管線上，經(jīng)常會出現(xiàn)高于80m/s的高流速，其中有近一半的出現(xiàn)超過100m/s的高流速，更有甚者，流速高達(dá)180m/s。一般的渦街流量計在通過介質(zhì)流速過高時，會發(fā)生劇烈的漏波現(xiàn)象，因而產(chǎn)生難以估算的誤差。

從圖4上看漏波的結(jié)果就是檢測到的脈沖不再連續(xù)，發(fā)生了漏缺。所以這種情況下，測量結(jié)果的趨勢是一般都是偏小。在高流速下，漩渦發(fā)生體后的流體運(yùn)動更加復(fù)雜。渦街傳感器檢測信號需要一定的清晰度，如果流速過高，流場變得更加復(fù)雜。此時傳感器將受到嚴(yán)重干擾，目標(biāo)信號清晰度急劇下降，使渦街流量傳感器測不準(zhǔn)或者測不到。

我們可以看到，高流速下的渦街流量計的漏波十分明顯，正是利用了渦街的這個漏洞，讓渦街流量計在超高流速下大量漏波，致使后得到的流量遠(yuǎn)小于實際流量。

除了是上述案例中的裝置，還有一種把蒸汽直接放入水池中加熱水的熱水站，采用了手段這些都是為了設(shè)法讓蒸汽出口的壓力驟降，得到突然變小的背壓比，以大大提高蒸汽的流速。即使達(dá)不到音速，也遠(yuǎn)高于渦街流量計的測量上限，導(dǎo)致渦街流量計的不正常工作。因此為了保證渦街流量計正常計量，我們必須重視渦街流量計的測量范圍，管內(nèi)流速必須限定在渦街流量計的測量范圍以內(nèi)。
對于那些在后端搞壓力驟降提高蒸汽流速的，可以想辦法把蒸汽流速限定在合理范圍內(nèi)。比如采用限流裝置，在渦街流量計后方管線上安裝臨界流文丘里噴嘴。當(dāng)蒸汽通過臨界流文丘里噴嘴時，在噴嘴上、下游壓力比如果小于或等于該噴嘴的臨界壓力比時，噴嘴喉部形成臨界狀態(tài)，流過噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量達(dá)到大。這時蒸汽的質(zhì)量流量不受下游狀態(tài)變化的影響。根據(jù)這個原理，我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會發(fā)生壓力驟降的管段前，就能穩(wěn)穩(wěn)的限死上游通過渦街流量計的大流量了。而選用文丘里噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。