摘要:由于能源價格的不斷上漲,用能成本已經(jīng)成為眾多工業(yè)企業(yè)的主要運營成本之一,對于能源的計量也越來越成為社會的關(guān)注焦點,能源計量器具的配備合理與否.計量準(zhǔn)確與否與企業(yè)的切身利益息息相關(guān)。渦街流量計由于原始信號為數(shù)字信號，具有測量精度高、補償計算簡單,異常狀況時易于分析的優(yōu)勢,在能源的貿(mào)易計量上占有一席之地。該文介紹了渦街流量計的測量原理,分析了渦街流量計在貿(mào)易計量上的優(yōu)勢,以及渦街流量計應(yīng)用于貿(mào)易計量時的注意事項。
渦街流量計是一種應(yīng)用卡門渦街原理的流量計,用于液體、氣體和蒸汽的測量,也可測量含有微小顆粒、雜質(zhì)的渾濁液體，廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、造紙、冶金、電力、環(huán)保、食品等行業(yè)。
1渦街流量計的工作原理
渦街流量計是以卡門渦街理論為基礎(chǔ):當(dāng)流體流經(jīng)非線性的三角柱擋體時,在擋體的兩側(cè)就會交替產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦信號,該旋渦的分離頻率與流體的流速成正比”。渦街流量計結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
根據(jù)卡門渦街原理,有如下關(guān)系式:
式中:
m一旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比(無量綱);
D一表體通徑(單位:m);
d一旋渦發(fā)生體迎面寬度(單位:m);
f一旋渦的發(fā)生頻率(單位:Hz);
U1一旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速(單位:m/s);
Sr一斯特勞哈爾數(shù)(無量綱);
U一被測介質(zhì)來流的平均速度(單位:m/s);
qr一瞬時體積流量(單位:m2/s);
K一流量計的儀表系數(shù)(單位:m3)
由公式可見,平均儀表系數(shù)的大小只與渦街流量傳感器幾何尺寸即渦街口徑、阻擋體寬度與斯特勞哈爾數(shù)sr有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖2所示,可見，當(dāng)雷諾數(shù)Re在2x104~7x106之間時,Sr可視為常數(shù)。也就是說,對于一臺口徑、阻擋體幾何尺寸已經(jīng)確定的渦街流量計,它的儀表系數(shù)在一定的流速范圍內(nèi)是定值的。
2渦街流量計的特點
1)可測量液體、氣體、蒸汽的流量;
2)輸出為脈沖頻率,其頻率與被測流體的實際體積流量成正比,且不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響;
3)結(jié)構(gòu)簡單,無機械運動部件,長期運行穩(wěn)定可靠;
4)量程比適中,普通傳感器量程比可達(dá)10:1以上,智能渦街流量計量程比可達(dá)40:1;
5)壓力損失小，約為孔板流量計的1/4~1/2。
3渦街流量計在貿(mào)易計量.上的優(yōu)勢
1)渦街流量信號為數(shù)字頻率方式,測量精度高
渦街流量計的旋渦分離頻率是與體積流量的大小成正比的,且分離頻率不受流體組分、密度、壓力溫度的影響。只要測量出旋渦個數(shù),就可以準(zhǔn)確計算出體積流量，而旋渦個數(shù)的測量是純數(shù)字概念,不存在測量數(shù)值上的誤差，讓渦街流量計具有了全量程范圍內(nèi)流量信號精確的特點,是其它模擬類流量計不可比擬的優(yōu)點。傳感器線性均為18的脈沖型渦街和模擬類流量計精度對比如表1所示。
2)補償運算簡單,計算精度高,未知參數(shù)少
渦街流量計的體積流量可以通過測量旋渦分離頻率得知,蒸汽密度、氣體密度、壓縮系數(shù)都可以通過測量溫度壓力進(jìn)行補償計算,且計算公式均為國標(biāo)或國際公式,計算精度高。與差壓式流量計對比,差壓式流量計計算結(jié)果受密度、粘度、等熵指數(shù)、壓縮系數(shù)、氣體可膨脹系數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺寸熱脹冷縮變化的影響2,補償計算較復(fù)雜,且很多差壓式流量計并沒有氣體可膨脹系數(shù)的補償計算公式,因此,計量結(jié)果會存在一定偏差。
渦街流量計算法流程如圖3所示,圖中虛線框為外部采集信號,實線框為計算參數(shù);差壓式流量計算法流程如有圖4所示,圖中虛線框為外部信號及已知參數(shù),實線框為計算參數(shù)。
3)儀表測量異常時,能快速分析判斷
由于卡門渦街流量信號是由旋渦頻率數(shù)值來.體現(xiàn)的,在正常情況下,旋渦分離頻率是穩(wěn)定的,只有當(dāng)傳感器發(fā)生異�；蚬r發(fā)生變化時,旋渦分離頻率才會有很大的變化,因此,通過觀察渦街流量傳感器頻率變化范圍的大小，可以很方便的分析出傳感器是否存在故障,不會出現(xiàn)模擬類傳感器在使用時因為零點偏移或模擬轉(zhuǎn)換誤差而帶來不易發(fā)現(xiàn)的計量誤差。渦街信號如圖5所示
觀察渦街流量計放大整形后波形,若為均勻方波信號,則為正常流量變化;若出現(xiàn)明顯不均勻方波信號,則可能為外界干擾、超出測量范圍或傳感器故障導(dǎo)致。
4渦街流量計在貿(mào)易計量上的注意事項
除常規(guī)的選型設(shè)計外，渦街流量計用在貿(mào)易計量時,還應(yīng)注意以下幾點:
1)蒸汽狀態(tài)變化對流量測量的影響測量蒸汽時,在蒸汽經(jīng)過閥i]或較長管道輸送后,可能會產(chǎn)生蒸汽狀態(tài)變化的情況:.
(1)過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?
過熱蒸汽在管道輸送過程中，會產(chǎn)生熱能損失,即溫度降低。當(dāng)溫度降到一-定程度時,會從過熱蒸汽狀態(tài)進(jìn)入臨界干飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)。
如進(jìn)入干飽和狀態(tài)，理論上不會產(chǎn)生計量誤差。因干飽和蒸汽仍屬于蒸汽范疇,且測量過熱蒸汽一般選用溫度壓力雙補償方式,同時適用于過熱蒸汽和干飽和蒸汽的密度補償。
如進(jìn)人過飽和狀態(tài)(即濕飽和狀態(tài)),濕度會以水滴、水霧的狀態(tài)存在,勢必影響介質(zhì)的密度。但蒸汽的密度補償算法僅適用于干蒸汽的計量,因此濕度越大(干度越小),誤差越大。一般情況下，干度≥95號時,誤差較小;干度<958時,誤差過大。
解決方法:
①減短輸送管道距離;
②做好管道的保溫;
③當(dāng)輸送管道過長時,將儀表安裝管道抬高，或增加排液裝置。
(2)飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽4
理想的飽和蒸汽狀態(tài)是溫度、壓力、密度呈一-對應(yīng)關(guān)系,知道其中一個參數(shù),即可計算出另外兩個，因此測量飽和蒸汽--般采用單補償方式,即單溫度補償,或單壓力補償。但當(dāng)飽和蒸汽經(jīng)過加壓閥產(chǎn)生大幅降壓時,可能由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽。此時若采用單溫度補償計算的密度誤差較大，采用單壓力補償計算的密度誤差相對較小;如果能選用溫壓補償方式,則不會產(chǎn)生誤差。
蒸汽減壓和流量測量示意圖如圖6所示�；S鍋爐出口的飽和蒸汽(1MPa,184.1℃),經(jīng)過減壓閥后轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽狀態(tài)(0.42MPa,162.4℃,.密度2.7048kg/m3),不同補償方式計算的密度對比如表2所示,溫度補償誤差高達(dá)27.61號,而壓力補償誤差僅在2.60號。
解決方法:
①流量計安裝在減壓裝置上游;.
②若安裝在減壓裝置下游,盡量采用溫壓雙補償方式,或單壓力補償方式。.
2)選擇具有內(nèi)置精度高標(biāo)準(zhǔn)算法的渦街流量計
軟件算法會對渦街流量計計量的精度造成較大影響。如蒸汽密度、氣體壓縮系數(shù),都是影響計算精度的關(guān)鍵參數(shù)。
蒸汽密度的計算方法有查表法和公式法兩種,兩種算法中公式法相對精度高,并且可以對蒸汽飽和及過熱區(qū)域進(jìn)行判斷;查表法覆蓋區(qū)域有限,對于蒸汽飽和及過熱區(qū)域沒有正確的界限。
氣體的壓縮系數(shù)也是隨工況條件而變化的,如果默認(rèn)按1計算,則計算結(jié)果會存在--定偏差。因此,測氣體,尤其是測天然氣時,應(yīng)選用帶有壓縮系數(shù)補償功能的渦街流量計。天然氣壓縮系數(shù)曲線如圖7所示。
5結(jié)語
渦街流量計是目前最適合貿(mào)易計量的流量計之一，因為通過渦街輸出的漩渦頻率的穩(wěn)定性能夠直觀地判斷出流量計工作是否異常，且壓損小、安裝方便,長期使用中渦街流量計產(chǎn)生的表體結(jié)構(gòu)偏差對儀表系數(shù)的影響很小，因此可以長期作為計量儀表使用。
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