渦街流量計在蒸汽流量測量中的應用

   1 渦街流量計工作原理

    1911年世界流體專家卡門教授的渦街理論應用是渦街流量計的基本理論，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定的兩排交錯排列的旋渦。

    旋渦有以下規律：

      （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，層深狀態時：

      （2）

    即在層深時，流速呈現拋物線形狀。

    在紊流狀態中：

      （3）

    式中：n為一個與雷諾數有關的參數，在現實管道中還與管壁粗糙度有關，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：

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

    （2）產生穩定、強烈、規則的旋渦。

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

    經過多年的應用對比及與有關流量計生產單位的實驗探討，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°時在空氣中標定線性好，42°在水中標定線性好。

    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，并且兩側不能有焊點，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。

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

    2 渦街流量計現場安裝及注意事項

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

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

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

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

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

    據此在工程設計和儀表安裝時應考慮盡可能選用管道內徑略大于儀表通徑，但是兩者之差不超過后者的3％，同時盡量保證流量計與管道安裝時的同心度，以免產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注意的細節問題，如有不慎也將影響使用效果，甚至使渦街不能正常工作：

    （1）渦街流量計安裝前后直管段的要求：要注意調節閥在小流量時易產生射流，閥后安裝流量計直管段過短會造成渦銜流量計工作不穩定[3]。

    （2）上游如果有插入式測溫元件，也會產生頻率很高的旋渦，類似閥門干擾，距離也必須遠離，或者盡量安裝在流量計后，因為流量計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的情況發生。

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

    3 渦街流量計在蒸汽流量計量應用中應注意的問題

    國內在工業較發達的地區熱電聯產，區域供汽供熱的現象已很普遍，為工業供熱貿易結算提供準確可靠的計量數據也就顯得非常的重要。

    首先應注意一個常識，在很多地方計量技術監督部門有明文規定，所有用于貿易結算的計量表計都是計量技術監督部門強制鑒定的儀表，也就是說用于貿易結算的計量表計在安裝前都應送計量監督部門或計量監督部門*認可的計量鑒定機構鑒定合格。出廠前生產廠家出廠檢定報告不具有法律效力，一旦產生貿易糾紛未經計量鑒定部門鑒定合格的儀表將得不到計量技術監督部門的支持，將直接認定為計量不合格并承擔主要責任。這一點經常會被忽視。

    其次渦街流量計在蒸汽流量測量中還應注意溫壓補償問題，渦街流量計檢測的是流體在工作狀態下的體積流量，而在日常貿易結算中蒸汽流量計量習慣用質量流量表示，計量單位主要為t，kg等。

    因此就必然存在一個體積流量到質量流量的折算過程，折算系數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，所以渦街流量計在蒸汽流量測量中引入溫度壓力補償的目的就是在蒸汽實際工況偏離設計工況時，將根據實測溫度壓力參數計算蒸汽密度，將蒸汽密度對質量流量測量結果的影響予以修正。

    蒸汽流量的溫壓補償修正公式是一個比較復雜的數學公式，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雜的計算過程，在平時的工作中可以用簡化的人工計算公式進行復核，具體如下[4]：

    飽和蒸汽流量計算修正公式為

       （5）

    過熱蒸汽流量計算修正公式為

       （6）

    式（5，6）中：M_s為流體質量流量，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式；a，b為常數，取值與壓力p有關；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式；t為過熱蒸汽溫度，℃。

      （7）

    式中：Mm為在標準狀態下流量標尺上限，kg/h；V_g，V_d為儀表的信號制上、下限電壓信號，V；V_L為流量計輸出信號，V。

    表1列出了a，b與p的關系，表2列出了ρ與p，t的關系。

    4 結束語

    深入了解渦街流量計原理，了解現場安裝及應用的基本知識及相關經驗，可以在現場得到很好的使用，發揮渦街流量計的優勢，更好地服務于工業測量與控制領域。