摘要:由于能源價(jià)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(yùn)營成本之一,對(duì)于能源的計(jì)量也越來越成為社會(huì)的關(guān)注焦點(diǎn),能源計(jì)量器具的配備合理與否.計(jì)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(jì)由于原始信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，具有測(cè)量精度高、補(bǔ)償計(jì)算簡單,異常狀況時(shí)易于分析的優(yōu)勢(shì),在能源的貿(mào)易計(jì)量上占有一席之地。該文介紹了渦街流量計(jì)的測(cè)量原理,分析了渦街流量計(jì)在貿(mào)易計(jì)量上的優(yōu)勢(shì),以及渦街流量計(jì)應(yīng)用于貿(mào)易計(jì)量時(shí)的注意事項(xiàng)。
渦街流量計(jì)是一種應(yīng)用卡門渦街原理的流量計(jì),用于液體、氣體和蒸汽的測(cè)量,也可測(cè)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(jì)的工作原理
渦街流量計(jì)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(shí),在擋體的兩側(cè)就會(huì)交替產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦信號(hào),該旋渦的分離頻率與流體的流速成正比”。渦街流量計(jì)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(cè)介質(zhì)來流的平均速度(單位:m/s);
qr一瞬時(shí)體積流量(單位:m2/s);
K一流量計(jì)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(shí),Sr可視為常數(shù)。也就是說,對(duì)于一臺(tái)口徑、阻擋體幾何尺寸已經(jīng)確定的渦街流量計(jì),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(jì)的特點(diǎn)
1)可測(cè)量液體、氣體、蒸汽的流量;
2)輸出為脈沖頻率,其頻率與被測(cè)流體的實(shí)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(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,長期運(yùn)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(jì)量程比可達(dá)40:1;
5)壓力損失小，約為孔板流量計(jì)的1/4~1/2。
3渦街流量計(jì)在貿(mào)易計(jì)量.上的優(yōu)勢(shì)
1)渦街流量信號(hào)為數(shù)字頻率方式,測(cè)量精度高
渦街流量計(jì)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(cè)量出旋渦個(gè)數(shù),就可以準(zhǔn)確計(jì)算出體積流量，而旋渦個(gè)數(shù)的測(cè)量是純數(shù)字概念,不存在測(cè)量數(shù)值上的誤差，讓渦街流量計(jì)具有了全量程范圍內(nèi)流量信號(hào)精確的特點(diǎn),是其它模擬類流量計(jì)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。傳感器線性均為18的脈沖型渦街和模擬類流量計(jì)精度對(duì)比如表1所示。
2)補(bǔ)償運(yùn)算簡單,計(jì)算精度高,未知參數(shù)少
渦街流量計(jì)的體積流量可以通過測(cè)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(cè)量溫度壓力進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算,且計(jì)算公式均為國標(biāo)或國際公式,計(jì)算精度高。與差壓式流量計(jì)對(duì)比,差壓式流量計(jì)計(jì)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(bǔ)償計(jì)算較復(fù)雜,且很多差壓式流量計(jì)并沒有氣體可膨脹系數(shù)的補(bǔ)償計(jì)算公式,因此,計(jì)量結(jié)果會(huì)存在一定偏差。
渦街流量計(jì)算法流程如圖3所示,圖中虛線框?yàn)橥獠坎杉盘?hào),實(shí)線框?yàn)橛?jì)算參數(shù);差壓式流量計(jì)算法流程如有圖4所示,圖中虛線框?yàn)橥獠啃盘?hào)及已知參數(shù),實(shí)線框?yàn)橛?jì)算參數(shù)。
3)儀表測(cè)量異常時(shí),能快速分析判斷
由于卡門渦街流量信號(hào)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(shí),旋渦分離頻率才會(huì)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(huì)出現(xiàn)模擬類傳感器在使用時(shí)因?yàn)榱泓c(diǎn)偏移或模擬轉(zhuǎn)換誤差而帶來不易發(fā)現(xiàn)的計(jì)量誤差。渦街信號(hào)如圖5所示
觀察渦街流量計(jì)放大整形后波形,若為均勻方波信號(hào),則為正常流量變化;若出現(xiàn)明顯不均勻方波信號(hào),則可能為外界干擾、超出測(cè)量范圍或傳感器故障導(dǎo)致。
4渦街流量計(jì)在貿(mào)易計(jì)量上的注意事項(xiàng)
除常規(guī)的選型設(shè)計(jì)外，渦街流量計(jì)用在貿(mào)易計(jì)量時(shí),還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1)蒸汽狀態(tài)變化對(duì)流量測(cè)量的影響測(cè)量蒸汽時(shí),在蒸汽經(jīng)過閥i]或較長管道輸送后,可能會(huì)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(huì)產(chǎn)生熱能損失,即溫度降低。當(dāng)溫度降到一-定程度時(shí),會(huì)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(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。因干飽和蒸汽仍屬于蒸汽范疇,且測(cè)量過熱蒸汽一般選用溫度壓力雙補(bǔ)償方式,同時(shí)適用于過熱蒸汽和干飽和蒸汽的密度補(bǔ)償。
如進(jìn)人過飽和狀態(tài)(即濕飽和狀態(tài)),濕度會(huì)以水滴、水霧的狀態(tài)存在,勢(shì)必影響介質(zhì)的密度。但蒸汽的密度補(bǔ)償算法僅適用于干蒸汽的計(jì)量,因此濕度越大(干度越小),誤差越大。一般情況下，干度≥95號(hào)時(shí),誤差較小;干度<958時(shí),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(shí),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(duì)應(yīng)關(guān)系,知道其中一個(gè)參數(shù),即可計(jì)算出另外兩個(gè)，因此測(cè)量飽和蒸汽--般采用單補(bǔ)償方式,即單溫度補(bǔ)償,或單壓力補(bǔ)償。但當(dāng)飽和蒸汽經(jīng)過加壓閥產(chǎn)生大幅降壓時(shí),可能由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽。此時(shí)若采用單溫度補(bǔ)償計(jì)算的密度誤差較大，采用單壓力補(bǔ)償計(jì)算的密度誤差相對(duì)較小;如果能選用溫壓補(bǔ)償方式,則不會(huì)產(chǎn)生誤差。
蒸汽減壓和流量測(cè)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(bǔ)償方式計(jì)算的密度對(duì)比如表2所示,溫度補(bǔ)償誤差高達(dá)27.61號(hào),而壓力補(bǔ)償誤差僅在2.60號(hào)。
解決方法:
①流量計(jì)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(bǔ)償方式,或單壓力補(bǔ)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(jì)
軟件算法會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)計(jì)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(jì)算精度的關(guān)鍵參數(shù)。
蒸汽密度的計(jì)算方法有查表法和公式法兩種,兩種算法中公式法相對(duì)精度高,并且可以對(duì)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(duì)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(jì)算,則計(jì)算結(jié)果會(huì)存在--定偏差。因此,測(cè)氣體,尤其是測(cè)天然氣時(shí),應(yīng)選用帶有壓縮系數(shù)補(bǔ)償功能的渦街流量計(jì)。天然氣壓縮系數(shù)曲線如圖7所示。
5結(jié)語
渦街流量計(jì)是目前最適合貿(mào)易計(jì)量的流量計(jì)之一，因?yàn)橥ㄟ^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(jì)工作是否異常，且壓損小、安裝方便,長期使用中渦街流量計(jì)產(chǎn)生的表體結(jié)構(gòu)偏差對(duì)儀表系數(shù)的影響很小，因此可以長期作為計(jì)量儀表使用。
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