涡街流量计在蒸汽计量中的应用

涡街流量计在蒸汽计量中的应用

 

    随着我国经济形势的飞速发展以及加入WTO,国际市场的竞争日趋激烈。各行各业都面临着严峻的考验。如何提高企业的管理水平,如何降低生产中成本以提高生产效率,成为一个企业兴衰存亡的关键。其中,能源消耗是所有企业必须要计入生产成本的重要支出项目。所以正确、合理地使用能源就成为了企业管理的重要内容。

能源的计量现在大多采用各种形式的流量计产品,对燃气、燃油、蒸气等多种形式的动力能源进行准确计量通常应用在如下这些场合。

    1)锅炉出口蒸汽流量、热网蒸汽流量、冷凝水及各种用汽设备耗汽量的计量。

    2)供水,回水流量计量；

    3)燃气流量,燃油流量；   

    4)压缩空气产量和用量的计量；`

5)其它气体流量计量(氧气、氮气、二氧化碳等)。

 

下面我们专门探讨一下蒸汽的计量。

1          蒸汽的特性

蒸汽是比较特殊的介质，有饱和及过热两种状态。随着工况（如温度、压力）的变化，过热蒸汽经常会转变成为饱和蒸汽。请看图 (一)：

 

 

 

                                                  图 (一)

图中的纵坐标和横坐标分别为（水）蒸汽的压力和温度值。图中的曲线称作饱和曲线。曲线上的点为饱和状态的蒸汽参数值，饱和曲线以上部分为过热蒸汽，以下部分为液态水。

由此图可以看出饱和蒸汽的温度和压力值是一一对应的，即当饱和蒸汽的温度或压力有其中一值确定，另一值也就可以确定了。例如：150℃的饱和蒸汽对应的绝对压力值为0.476MPa。绝压为0.6 Mpa的饱和蒸汽对应的温度为158.94℃。而过热蒸汽的温度和压力并不一一对应，在图中是在饱和曲线以上的区域。例如：150℃的蒸汽当其压力值大于0.476Mpa时，就称其为过热蒸汽。只是过热度不同。压力值等于0.476Mpa时，称为饱和蒸汽。

另外还有一个概念是湿蒸汽（干蒸汽），蒸汽的温压状态在饱和曲线以下区域时我们就不能称其为蒸汽而是水了。饱和蒸汽实际上是水分子由液态转变为气态的临界值，饱和蒸汽由于温度或压力的改变部分气态水分子转变为液态，即蒸汽中携带了部分的水时就称其为“湿蒸汽”。完全气态水分子称为“干蒸汽”。湿蒸汽在管道中实际上是两相流，会影响流量仪表的计量精度。当蒸汽携带的水量较大时，其对管道中的仪表及阀门等设备冲击很大，可能损坏某些设备，俗称“水锤”。解决湿蒸汽的方法是保持蒸汽的过热度，例如：加强管道保温，注意倍压等，还应注意管道排水。

 

2        测量蒸汽流量仪表的分类及选择

目前，测量蒸汽流量的仪表主要有涡街流量计、差压式（孔板、均速管、弯管）流量计、分流旋翼式流量计、阿牛巴流量计,浮子式流量计等，但从仪表工作原理上来讲主要分为涡街和差压两大类。这里主要讨论涡街流量计、孔板流量计。蒸汽流量测量在80年代以前普遍采用标准孔板流量计,但从流量仪表发展状况来看,孔板流量计尽管其历史悠久、应用范围广；人们对它的研究也最充分，实验数据最完整，但用标准孔板流量计来测量蒸汽流量，它仍存在一些不足之处：其一，压力损失较大；其二，导压管、三组阀及连接头容易泄漏；其三，量程范围小，一般为3：1，对流量波动较大易造成测量值偏低。而涡街流量计具有结构简单，变送器直接安装于管道上，克服了管路泄漏现象。

   另外， 涡街流量计的压力损失小，量程范围宽， 对饱和蒸气测量量程比可达30：1。因此，随着涡街流量计测量技术的成熟，涡街流量计的使用越来越受到人们的青睐。

 

下面为涡街流量计及孔板流量计的对比：

1、涡街流量计与孔板流量计目前的技术水平

    涡街流量计的基本结构由涡街发生体、检测元件、信号处理放大电路组成，目前对于涡街发生体的研究已达到相当完善的程度，以三角型发生体为最佳型体，检测元件有热敏电阻、应变片、压电晶体、差动电容、超声波等。信号处理部分有许多已微机化。

    涡街流量计具有安装方便（可直接在管道上安装）、体积小、互换性强、长期运行精度高，可适用于大多数液体、气体和蒸气测量。目前世界市场的涡街流量计的销售额每年递增30%左右。

    目前,孔板流量计的技术发展水平仍以确定的经验公式为基础，1980年国际标准化组织将R541与R781两个标准合并成标准ISO5167（1980）。

    孔板节流装置由于结构简单，造价低、可靠等优点，它几乎适用于所有介质测量，而与之配套的差压变送器发展迅速，使其本身具有的不足得以弥补。

 

2、涡街流量计与孔板流量计综合性能评价

    孔板流量计（简称孔板）由节流件取压装置和差压变送器组成，导压管对于易冻的场所需要有伴热措施，一个流量测量回路静密封点为20个左右，使用中存在如下问题：

    易冻、易堵、易漏、伴热容易造成差压变送器器件老化、某些场合导压管需加隔离液，由于伴热或工艺操作不稳，正、负导压管隔离液液线常常不等，产生液柱差，使流量指示不准。

    以上都会使流量系数发生变化，测量精度降低,管缩短导压管把差压变送器直接安装在管道上，但仍有流动的死区。

    涡街流量计（简称涡街）只有3个静密封点，不易泄漏 ，没有流动的死区，不需伴热保温，不受流体重度、温度、压力、和粘度等影响，流量系数长期不变。

    但涡街在有振动场合使用时，会使流量测量不准。目前，市场上已推出抗振型的涡街，来克服振动对流量测量不准的影响。

   （1）初步投资

    一台进口涡街大约2万元人民币（Dn15-Dn80），而一台节流装置包括差压变送器、孔板及法兰、导压管、阀门、保温箱或保护箱也需1.5万元人民币，从长远观点看、采用涡街仍然是合算的。

    (2）安装费用

     涡街安装简单，只需保证流量计前后有一定的直管段即可，孔板直线段、同心度、导压管、变送器、保温箱都有一定的安装要求、安装费用是涡街的数倍。

   （3）维护费用

    涡街除在计量上要求周期性标定外，一般不会出现故障，而孔板则不然，消泄漏，定期排污，灌隔离液，更换导压管、阀门、保温、清洗孔板等，有一定的维护量。如200套流量孔板测量回路（需保温伴热），每二年，保温伴热系统改造就得投入一定的维修费，这还不包括差压变送器的更新，孔板更新费用。算下来足可以买一定数量的进口涡街.

   （4）运行成本

    1.蒸气消耗费用

    如200套流量孔板测量回路（需保温伴热），每个伴热点耗汽0.02t/h，如果每年平均按4300小时计算，蒸汽费用为40元/吨，则每年需消耗蒸汽费用大约为68.8万元,每个回路每年耗费用为0.344万元。

    2.能耗费用

    涡街的压力损失比孔板小，约是孔板的1／15。因此，长期的运行对泵及风机能耗费少。孔板是涡街15倍，当用于气体或蒸汽流量测量时，由于密度小，同一管径体积流量大，压力损失更是严重，耗能费更高。

    3.泄漏排污费

    排污费视排污次数，一般为每年约20次左右，排出的污物及物料污染大气环境，污水超标，环保部门也要对其罚款。

   （5）长期运行精度

    孔 板的设计系统精度1.5%-2.5%，由于差压与流量是非线性关系，当流量低于30%时，误差增大，气体更为严重，另一方面，由于使用介质的长期磨损，锐角变钝，使流量系数发生变化，也是影响精度的一个重要原因。

    由于涡街的特殊结构，当精度经实际确定后（约为0.5%-1%测量值），精度几乎是不变的。

   （6）可互换性

    同一台涡街可测量气体、液体及蒸汽的流量，电子线路板及敏感元件对不同口径的流量计来说都有是通用的，信号输出通常有三种形式：脉冲、模拟及数字信号。可以通过电路板的开关来切换，用户可随时根据自己的需要切换到另一种输出信号。更改量程也很容易，对模拟输出来说，只需改变输入的脉冲频率就行了。

    孔板则不然，孔径是为特定的介质而设计的，互换性差，改变量程也比较困难，需重新计算孔板。

   （7）量程比

    由于涡街的输出频率与流量成线性关系，则流量的量程比可达20：1－80：1，例如：Foxboro公司的涡街流量计测量气体及蒸气的量程比为80：1，测量液体的量程比为40：1，能适应工艺流量测量量程较大的要求，精度仍能保证。

    差压流量计的差压与流量成非线性关系，在小流量时测量不准，量程比只有3：1－5：1。如果扩大量程比，必须设法提高差压变送器的精度。

   （8）可靠性

    现在有种更为可靠的涡街出现，它在一个表体上安装了两套电子线路、两套敏感元件，且相互独立，可用于重要的流量测量场合，差压式流量计难以做到这点。

   （9）节能效果

    如蒸气用量为120t/h,压力为3.9Mpa,温度为445ºC,如果用孔 板测量蒸气，造成压力损失为0.03-0.05Mpa，如按0.03Mpa算，这块孔板所耗电能为82kW，按一年300天计，每年耗电59万kW/h折算标准煤为68.5t,如果采用涡街能耗仅为孔板的1/15-1/20,若以1／20计，则每年仅耗煤3.34吨，仅占孔板能耗的3.33%。

   （10）一次元件的流量特性对控制系统产生的影响

    由于涡街的输出频率与流量成线性关系，当它与调节阀、调节器集成一个控制系统时，相当于一个时滞和时间常数都小到可忽略的一个滞后环节，可视为比例环节，广义对象的特性完全取决于回路中其他环节，对控制系统几无影响，

    孔板则不然，由于它的输出与流量成线性关系，回路增益随着流量而变化，虽然利用调节阀的流量特性来补偿广义对象的线性影响，但效果并不明显，因此，必须引入开方器，开方器的引入虽然使广义对象的特性不随工作点而变化，明显改变了调节品质，但在小流量时反应快、灵敏、容易引起系统调节误差增大。

    综上所述，涡街在许多流量测量中用涡街来代替孔板是可行的， 既省钱又省力，它确实给流量测量来许多好处。

 

3        涡街流量计的原理及分类

1、涡街流量计是根据“卡门涡街”原理研制成的一种流体振荡型流量仪表。在流动的流体中插入一个断面为非流线型柱状物体时，在柱体后部两侧会产生两列交错排列的旋涡，见图(二)。

 

                                 

图 (二)

 

旋涡分离的频率与流速成正比，与柱体的宽度成反比，可以用下式表示：

  

                          f=St×V/d   公式(1)

 

式中：

f： 旋涡分离频率

S t： 无量纲常数(斯特劳哈尔数)

V： 柱体侧面的流速

d： 柱体的迎流面宽度

 

由式(1)可见，通过测量旋涡的分离频率便可测出流体流速和瞬时流量。斯特劳哈尔数St是可通过实验确定的无量纲常数。斯特劳哈尔数St与雷诺数Re函数关系中的线性部分，目口是涡街流量计的线性测量范围。检测出频率f即可求得管内流体的流速，再由流速求出体积流量。一段时间内输出的脉；中数与流体的体积之比(流过单位体积流体对应的脉冲数)称为仪表系数(K系数)。

 

K=N/Q(1/m³)    公式(2)

 

式中：

    K：仪表系数(脉冲/米³)

    N：脉冲数

Q：流体体积(米³)

 

菲波公司的10VME／10VTE系列涡街流量计采用压电晶体元件检测旋涡分离频率。旋涡在柱体后部两侧交替分离，产生压力脉动，安装在柱体后面尾流中的探头感受到交变力(见图二)；埋设在探头体内部的压电晶体元件受到交变力的作用产生交变电荷；交变电荷信号经检测放大器处理后，以频率信号输出(传感器)，或进一步变换成与流量成比例的4-20mA直流标准信号输出(变送器)。(见图三)

 

                                   

 

图(三)

 

2、涡街流量计的结构分类

目前在国内销售的涡街流量计按旋涡发生体与检测体的位置结构可分为一体式和分体式两大类。

一体式结构是指发生体和检测体安装在同一部件中，该部件既分离产生旋涡又检测旋涡的脉冲数。发生体在仪表内采用悬臂梁结构，可感受旋涡冲击力。检测体位于发生体内，通过发生体的震荡检测旋涡脉冲数。其优点是检测体不与测量介质接触，可提高其寿命。缺点是悬臂梁结构易被介质中的脏污（如蒸汽中结垢、煤气中的焦油等）堵死而失去震荡能力，从而使检测体无法检测脉冲数而使仪表无法工作。另外，由于发生体的质量较大，受重力影响大，所以抗振性能较差。目前横河公司的涡街流量计属于这种结构。

分体式结构的发生体和检测体是分离安装在仪表中的不同位置。这种结构在仪表的抗振性能及耐脏污上有很大提高。缺点是检测体与测量介质直接接触，一旦检测体发生故障更换时需切断流量，会给用户带来麻烦。由此而知分体式结构仪表对检测体的质量要求是很高的。分体式结构的涡街流量计按发生体和检测体的位置不同又可分为分体内置式（如E+H公司、罗斯蒙特公司产品）和分体外置式（ABB-菲雪波特公司、菲波公司）两种结构，内置式仪表的检测体与发生体安装在同一中心点上，发生体两侧开孔取信号。外置式仪表的检测体安装于发生体后端，如图（三）中的旋涡发生处。内置式与外置式结构并没有本质区别，但内置式结构由于开孔处也有被脏污堵塞的问题，故在现场使用中耐脏污的能力不如外置式理想。

 

4          正确选型、安装、调试并用好涡街流量计

    （一）、用好涡街流量计是需要各方面配合的系统工程

    1.先进的设计和高品质的产品是基础

          *设计不良和粗制滥造的涡街随处可见

          *可靠性是产品的第一质量

   2.正确选型是满意使用的前提

          *涡街测量原油，生油，氢气等高黏度介质有附加条件（温度管径，流量）

          *如何面对大管道小流量的工艺设计:以流量定吕径，采取缩管，利多弊少

（二）、涡街流量计类型

    涡街流量计的系统按信号类型分为流量传感器和流量变送器

    涡街流量计的系统按结构和安装可分为一体型和分离型。分离型在于使检

    测电路部件脱离高温，地下或高空等恶劣或不便的环境。

    涡街流量计的系统按供电电源类型又可分为系统供电和电池供电

    涡街流量计还可选择是否有当地显示

（三）、合理的选择原则是：

    1.满足基本功能，不追求锦上添花

    2.可选基本型仪表就不选取特殊型仪表

    3.尽量避免采用模拟信号传输的系统

    4.要与原有系统协调，也要考虑末来的更新和发展

    5.采用广义性能价格比概念，综合性能，可靠性和安装，维修费用进行比较

（四）、选型前应完成的两个基本工作：

    1.由给定流量范围（通过计算）确定流量计口径

    2.根据介质压力，温度管道连接及其他现场条件要求确定流量计的具体型号

    口径计算的依据：工艺参数和仪表数据

    参数的单位换算，介质物性参数数据库

    仪表参数数据库：流量，流速，阻力损失

（五）、选型前应了解的其他信息：

    *仪表原理，特点，应用场合等

    *仪表的结构，外形及安装尺寸

    *与仪表相配的附件，配套仪表信息

（六）、正确安装带来满意使用

    *动手安装前务必先阅读操作手册

    *位置，直管，方位，流向，法兰对中

    *电气接线：需用心连接，先查后通电

（七）、仪表调整和故障处理：

    *仪表调整时，先核实工况条件，然后根据厂家的经验数据库进行调整

    *遵循“确认现象-判定原因-动手处理”的程序。

    （仪表无流量显示并不等于仪表出故障）

 

另外值得注意的是：

目前我国对蒸汽的计量记录及结算值的单位基本上是质量流量，即吨或公斤。而蒸汽流量计测量值均是体积流量，即立方米。这就需要实时采集蒸汽的温度和压力，在积算仪或计算机中计算出密度进行补偿。（饱和蒸汽的温度压力一一对应，只需单路补偿。）

以测量过热蒸汽为例，使用涡街流量计时应安装压力变送器和温度传感器采集压力和温度进行补偿计算，如图 (四)。

            

    

        

                                     图 (四)

 

综上所述，蒸汽流量仪表的选用是非常重要的，准确测量蒸汽流量是生产部门都需要和普遍关心的问题。随着经济的发展，提高测量水平的呼声越来越高。因此，应针对生产实际情况，做一些细致的技术工作，切实探索出一条蒸汽流量测量的成功之路。