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渦街流量計在蒸汽流量測量中的應用
日期：2025-01-23 17:05
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摘要：
對如今廣泛應用的熱電聯(lián)產，蒸汽計量不僅關系到能源的統(tǒng)計和考核，還直接關系到產汽單位和用汽單位的經濟效益。目前工業(yè)上使用的流量計品種很多，由于渦街流量計結構簡單、安裝維護方便，已被廣泛應用。本文就渦街流量計在蒸汽計量應用中的若干問題進行分析。
1 工作原理
渦街流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中有名的卡門渦街流量原理。
如圖1所示，在流體中設置旋渦發(fā)生體（阻流體），隨著流體沿旋渦發(fā)生體流動的速度加快，從旋渦發(fā)生體兩側交替產生有規(guī)律的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦。
由于旋渦之間的相互影響，這些渦列多數是不穩(wěn)定的，卡門對渦列的穩(wěn)定性條件進行了研究并得到結論：只有形成相互交替的內旋的兩排渦列，且當兩旋渦列之間的距離h和同列的兩旋渦之間距離l之比滿足：h/l=0.281時，這樣的渦街列才是穩(wěn)定的（圖1）。
2.1 質量流量計算公式
渦街流量計是根據旋渦脫離旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的關系來測量流量的儀表，根據卡門渦街原理，旋渦頻率f與管道內平均流速v有如下關系：
f=St * v/d
式中：St是斯特勞哈爾數，d是旋渦發(fā)生體的特征寬度。
由上式可見f與管流流速成正比。由上式可得被測流體的瞬時流量和質量流量公式：
K=f/Q
由上式可得：
M=Q*ρ=fρ/K
交替產生的旋渦數通過壓電元件檢測出頻率f，經電子線路檢測后輸出到儀表單片機進行運算處理并顯示流體流量。
2.2 溫度壓力補償
對于使用渦街流量計測量流體體積流量，在其測量范圍內，這種體積流量不受流體溫度、壓力、密度、粘度、成分等性質變化所影響，因而是準確的，不需要任何溫度、壓力補償。
但在實際生產中，一般測量蒸汽流量時習慣上以質量流量作為結算方式，單位用kg/h或t/h表示。所以上述體積流量Q需要引入蒸汽密度ρ（P，T）參數進行折算：
M(P,T)=Q*ρ(P,T)
而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作狀態(tài)如溫度T、壓力P等影響的，例如溫度為190℃的蒸汽，當壓力由1.1MPa上升到1.2MPa時，其密度約增大了10%，如表1所示。可見，蒸汽性質變化或操作條件波動時會產生一定的附加誤差。因此在體積流量檢測的同時還要進行溫度壓力的檢測，也即通過T、P對ρ進行實時補償以消除系統(tǒng)的附加誤差，保證*終需要的檢測結果即質量流量的準確性，而這些補償運算工作均在流量積算儀中自動完成。所以，應用渦街流量計測量蒸汽流量時，溫度壓力補償是很有必要的。
3 現場安裝注意事項及我司安裝情況
渦街流量計有多種結構形式，安裝人員必須了解所裝儀表的具體結構和特點。
3.1 選擇合理的安裝場所
安裝場所應避開強電力設備、高頻設備等；避免安裝在高溫和強腐蝕的環(huán)境中；避免安裝在強烈震動的地方，而且應選擇方便安裝、布線和維修的地點。我司的蒸汽用戶為糖廠、紙廠、方便面廠等，安裝環(huán)境相對來說較好，但由于設備多安放于露天，為了保護設備，均加裝了鐵罩。
3.2 上下游配管應滿足安裝要求
在管路上選擇安裝位置時應保證上游直管段的長度大于15D，且應盡量的增加上游直管段的長度。對于同心擴大管，上游直管段的長度應大于40D，而同心收縮管，上游直管段的長度應大于20D。下游直管段的長度應保證大于5D。要注意調節(jié)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(wěn)定。蒸汽用戶多位于工業(yè)園里，蒸汽管路均有較長的直管段，直管段都在100D以上。
3.3 減振措施
渦街流量計是以流體振動原理工作的，因此傳感器安裝應避開強烈振動，特別是橫向的振動，會給儀表帶來干擾信號。如儀表裝在震動較強的管道上，則應采取減振措施，在傳感器上安裝防振座并加防振墊。由于現場沒有較大的振動源，因此未加裝減振措施。
3.4 取溫點和取壓點的安裝
實施流體溫度、壓力補償時，應合理選擇溫度、壓力測口的位置。上游如果有插入式測溫元件，會產生頻率很高的旋渦，類似閥門干擾，因此必須遠離流量計，一般取溫點都安裝在流量計后，因為流量計前后基本不會有多大的溫差，完全能滿足溫度測量的要求。而安裝取壓點時孔不必開得很大，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(fā)生。如圖2所示。
如選用的是管道式的渦街流量計，為了不斷流地檢查或清洗流量計，一般可加裝旁路管道。而對于插入式的渦街流量計，則可在不斷流的情況下將其拆出清洗或更換。我司選用的均為插入式的渦街流量計，因此并未安裝旁路。插入式的渦街流量計安裝和維護都比較方便，能在不影響蒸汽用戶生產的情況下對其進行維護。
3.6 接地
接地應遵循一點接地原則，接地電阻應小于10Ω，整體型和分離型的渦街流量計都應在傳感器一側接地，轉換器外殼接地點也應與傳感器同地。
4 維護及應用
4.1 日常維護
（1）渦街流量計一般安裝于室外，條件允許的話可加裝鐵硼，或安裝不銹鋼保護箱來保護。
（2）一般檢查：檢查主管道上各法蘭、閥門、測壓孔、測溫孔及接頭應無滲漏現象，管道的振動情況是否符合使用說明書的規(guī)定。
（3）如渦街流量計測量數值偏低，則應首先檢查管路是否有漏汽或漏水的情況，再則輕敲流量計與管道的連接處，看流量數值是否有變化?；蛘邷y量探頭的電容，如果偏低，則應更換探頭。
（4）如渦街流量計測量數值偏大，則應首先檢查管路是否存在震動和屏蔽線是否接觸**。在沒有使用蒸汽的情況下仍有較大的流量數值，則需由相關部門對設備進行校驗。
4.2 蒸汽測量的應用
對于用戶數量不多且距離不算太遠的蒸汽用戶，我們可以使用無紙記錄儀，對每位蒸汽用戶的流量、累積流量、壓力、溫度等參數和掉電情況進行數據的記錄并保存，定期對無紙記錄儀中的數據進行拷貝和備份，以查看用戶的使用情況。
如果蒸汽用戶數量較多且距離較遠，則會不方便管理，為此我們利用流量積算儀的通訊功能（RS485）和專網無線傳輸技術，與上位計算機構成網絡，將各測量點的計量數據實時傳輸到熱電公司的DCS系統(tǒng)中進行監(jiān)控與儲存，可在主機中隨時查看到任何一個用戶的流量、累積流量、壓力、溫度等參數和掉電情況，從而實現了遠傳監(jiān)控管理，也成為企業(yè)信息化建設的一部分。
5 結語
渦街流量計因其結構簡單牢固、維護方便，輸出脈沖信號與流量成正比，無零點漂移，壓力損失較小等的優(yōu)點，發(fā)展較快，應用不斷擴大。了解渦街流量計的工作原理，了解現場安裝及應用的基本知識及相關經驗，可發(fā)揮渦街流量計的優(yōu)勢，更好的服務于工業(yè)測量領域。
1 工作原理
渦街流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中有名的卡門渦街流量原理。
如圖1所示，在流體中設置旋渦發(fā)生體（阻流體），隨著流體沿旋渦發(fā)生體流動的速度加快，從旋渦發(fā)生體兩側交替產生有規(guī)律的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦。
由于旋渦之間的相互影響，這些渦列多數是不穩(wěn)定的，卡門對渦列的穩(wěn)定性條件進行了研究并得到結論：只有形成相互交替的內旋的兩排渦列，且當兩旋渦列之間的距離h和同列的兩旋渦之間距離l之比滿足：h/l=0.281時，這樣的渦街列才是穩(wěn)定的（圖1）。
圖1 卡門旋渦
2.1 質量流量計算公式
渦街流量計是根據旋渦脫離旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的關系來測量流量的儀表，根據卡門渦街原理，旋渦頻率f與管道內平均流速v有如下關系：
f=St * v/d
式中：St是斯特勞哈爾數，d是旋渦發(fā)生體的特征寬度。
由上式可見f與管流流速成正比。由上式可得被測流體的瞬時流量和質量流量公式：
K=f/Q
由上式可得：
M=Q*ρ=fρ/K
交替產生的旋渦數通過壓電元件檢測出頻率f，經電子線路檢測后輸出到儀表單片機進行運算處理并顯示流體流量。
2.2 溫度壓力補償
對于使用渦街流量計測量流體體積流量，在其測量范圍內，這種體積流量不受流體溫度、壓力、密度、粘度、成分等性質變化所影響，因而是準確的，不需要任何溫度、壓力補償。
但在實際生產中，一般測量蒸汽流量時習慣上以質量流量作為結算方式，單位用kg/h或t/h表示。所以上述體積流量Q需要引入蒸汽密度ρ（P，T）參數進行折算：
M(P,T)=Q*ρ(P,T)
而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作狀態(tài)如溫度T、壓力P等影響的，例如溫度為190℃的蒸汽，當壓力由1.1MPa上升到1.2MPa時，其密度約增大了10%，如表1所示。可見，蒸汽性質變化或操作條件波動時會產生一定的附加誤差。因此在體積流量檢測的同時還要進行溫度壓力的檢測，也即通過T、P對ρ進行實時補償以消除系統(tǒng)的附加誤差，保證*終需要的檢測結果即質量流量的準確性，而這些補償運算工作均在流量積算儀中自動完成。所以，應用渦街流量計測量蒸汽流量時，溫度壓力補償是很有必要的。
表1 飽和蒸汽密度表 
3 現場安裝注意事項及我司安裝情況
渦街流量計有多種結構形式，安裝人員必須了解所裝儀表的具體結構和特點。
3.1 選擇合理的安裝場所
安裝場所應避開強電力設備、高頻設備等；避免安裝在高溫和強腐蝕的環(huán)境中；避免安裝在強烈震動的地方，而且應選擇方便安裝、布線和維修的地點。我司的蒸汽用戶為糖廠、紙廠、方便面廠等，安裝環(huán)境相對來說較好，但由于設備多安放于露天，為了保護設備，均加裝了鐵罩。
3.2 上下游配管應滿足安裝要求
在管路上選擇安裝位置時應保證上游直管段的長度大于15D，且應盡量的增加上游直管段的長度。對于同心擴大管，上游直管段的長度應大于40D，而同心收縮管，上游直管段的長度應大于20D。下游直管段的長度應保證大于5D。要注意調節(jié)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(wěn)定。蒸汽用戶多位于工業(yè)園里，蒸汽管路均有較長的直管段，直管段都在100D以上。
3.3 減振措施
渦街流量計是以流體振動原理工作的，因此傳感器安裝應避開強烈振動，特別是橫向的振動，會給儀表帶來干擾信號。如儀表裝在震動較強的管道上，則應采取減振措施，在傳感器上安裝防振座并加防振墊。由于現場沒有較大的振動源，因此未加裝減振措施。
3.4 取溫點和取壓點的安裝
實施流體溫度、壓力補償時，應合理選擇溫度、壓力測口的位置。上游如果有插入式測溫元件，會產生頻率很高的旋渦，類似閥門干擾，因此必須遠離流量計，一般取溫點都安裝在流量計后，因為流量計前后基本不會有多大的溫差，完全能滿足溫度測量的要求。而安裝取壓點時孔不必開得很大，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(fā)生。如圖2所示。
圖2 溫度和壓力補償時的安裝位置
如選用的是管道式的渦街流量計，為了不斷流地檢查或清洗流量計，一般可加裝旁路管道。而對于插入式的渦街流量計，則可在不斷流的情況下將其拆出清洗或更換。我司選用的均為插入式的渦街流量計，因此并未安裝旁路。插入式的渦街流量計安裝和維護都比較方便，能在不影響蒸汽用戶生產的情況下對其進行維護。
3.6 接地
接地應遵循一點接地原則，接地電阻應小于10Ω，整體型和分離型的渦街流量計都應在傳感器一側接地，轉換器外殼接地點也應與傳感器同地。
4 維護及應用
4.1 日常維護
（1）渦街流量計一般安裝于室外，條件允許的話可加裝鐵硼，或安裝不銹鋼保護箱來保護。
（2）一般檢查：檢查主管道上各法蘭、閥門、測壓孔、測溫孔及接頭應無滲漏現象，管道的振動情況是否符合使用說明書的規(guī)定。
（3）如渦街流量計測量數值偏低，則應首先檢查管路是否有漏汽或漏水的情況，再則輕敲流量計與管道的連接處，看流量數值是否有變化?；蛘邷y量探頭的電容，如果偏低，則應更換探頭。
（4）如渦街流量計測量數值偏大，則應首先檢查管路是否存在震動和屏蔽線是否接觸**。在沒有使用蒸汽的情況下仍有較大的流量數值，則需由相關部門對設備進行校驗。
4.2 蒸汽測量的應用
對于用戶數量不多且距離不算太遠的蒸汽用戶，我們可以使用無紙記錄儀，對每位蒸汽用戶的流量、累積流量、壓力、溫度等參數和掉電情況進行數據的記錄并保存，定期對無紙記錄儀中的數據進行拷貝和備份，以查看用戶的使用情況。
如果蒸汽用戶數量較多且距離較遠，則會不方便管理，為此我們利用流量積算儀的通訊功能（RS485）和專網無線傳輸技術，與上位計算機構成網絡，將各測量點的計量數據實時傳輸到熱電公司的DCS系統(tǒng)中進行監(jiān)控與儲存，可在主機中隨時查看到任何一個用戶的流量、累積流量、壓力、溫度等參數和掉電情況，從而實現了遠傳監(jiān)控管理，也成為企業(yè)信息化建設的一部分。
5 結語
渦街流量計因其結構簡單牢固、維護方便，輸出脈沖信號與流量成正比，無零點漂移，壓力損失較小等的優(yōu)點，發(fā)展較快，應用不斷擴大。了解渦街流量計的工作原理，了解現場安裝及應用的基本知識及相關經驗，可發(fā)揮渦街流量計的優(yōu)勢，更好的服務于工業(yè)測量領域。
