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涡街流量计在蒸汽流量测量中的应用 流量计技术指标

时间：2020-07-30    来源：仪多多仪器网    作者：仪多多商城     
对如今广泛应用的热电联产，蒸汽计量不仅关系到能源的统计和考核，还直接关系到产汽单位和用汽单位的经济效益。目前工业上使用的流量计品种很多，由于涡街流量计结构简单、安装维护方便，已被广泛应用。本文就涡街流量计在蒸汽计量应用中的若干问题进行分析。

1 工作原理

涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的卡门涡街流量原理。

如图1所示，在流体中设置旋涡发生体（阻流体），随着流体沿旋涡发生体流动的速度加快，从旋涡发生体两侧交替产生有规律的旋涡，这种旋涡称为卡门旋涡。

由于旋涡之间的相互影响，这些涡列多数是不稳定的，卡门对涡列的稳定性条件进行了研究并得到结论：只有形成相互交替的内旋的两排涡列，且当两旋涡列之间的距离h和同列的两旋涡之间距离l之比满足：h/l=0.281时，这样的涡街列才是稳定的（图1）。


图1 卡门旋涡

2 计算公式

2.1 质量流量计算公式

涡街流量计是根据旋涡脱离旋涡发生体的频率与流量之间的关系来测量流量的仪表，根据卡门涡街原理，旋涡频率f与管道内平均流速v有如下关系：

f=St * v/d

式中：St是斯特劳哈尔数，d是旋涡发生体的特征宽度。

由上式可见f与管流流速成正比。由上式可得被测流体的瞬时流量和质量流量公式：

式中：M为质量流量；r为管道内径；ρ为流体的密度。通过在气体标定装置或水的标定装置上检定可以获得仪表系数K，K是单位工况体积介质流过流量计时产生的脉冲数（即旋涡个数），即一个脉冲反过来代表多少工况体积的流体介质。

K=f/Q

由上式可得：

M=Q*ρ=fρ/K

交替产生的旋涡数通过压电元件检测出频率f，经电子线路检测后输出到仪表单片机进行运算处理并显示流体流量。

2.2 温度压力补偿

对于使用涡街流量计测量流体体积流量，在其测量范围内，这种体积流量不受流体温度、压力、密度、粘度、成分等性质变化所影响，因而是准确的，不需要任何温度、压力补偿。

但在实际生产中，一般测量蒸汽流量时习惯上以质量流量作为结算方式，单位用kg/h或t/h表示。所以上述体积流量Q需要引入蒸汽密度ρ（P，T）参数进行折算：

M(P,T)=Q*ρ(P,T)

而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作状态如温度T、压力P等影响的，例如温度为190℃的蒸汽，当压力由1.1MPa上升到1.2MPa时，其密度约增大了10%，如表1所示。可见，蒸汽性质变化或操作条件波动时会产生一定的附加误差。因此在体积流量检测的同时还要进行温度压力的检测，也即通过T、P对ρ进行实时补偿以消除系统的附加误差，保证最终需要的检测结果即质量流量的准确性，而这些补偿运算工作均在流量积算仪中自动完成。所以，应用涡街流量计测量蒸汽流量时，温度压力补偿是很有必要的。

表1 饱和蒸汽密度表

在本测量系统中，蒸汽的体积流量Q、压力P和温度T分别通过涡街流量计、压力变送器和热电阻（Pt100）的检测而转换为脉冲、4mA～20mADC和电阻值信号，并同时输入现场的智能流量积算仪进行运算和显示，其读数即为补偿后的蒸汽质量流量M。

3 现场安装注意事项及我司安装情况

涡街流量计有多种结构形式，安装人员必须了解所装仪表的具体结构和特点。

3.1 选择合理的安装场所

安装场所应避开强电力设备、高频设备等；避免安装在高温和强腐蚀的环境中；避免安装在强烈震动的地方，而且应选择方便安装、布线和维修的地点。我司的蒸汽用户为糖厂、纸厂、方便面厂等，安装环境相对来说较好，但由于设备多安放于露天，为了保护设备，均加装了铁罩。

3.2 上下游配管应满足安装要求

在管路上选择安装位置时应保证上游直管段的长度大于15D，且应尽量的增加上游直管段的长度。对于同心扩大管，上游直管段的长度应大于40D，而同心收缩管，上游直管段的长度应大于20D。下游直管段的长度应保证大于5D。要注意调节阀在小流量时易产生射流，阀后安装流量计直管段过短会造成涡衔流量计工作不稳定。蒸汽用户多位于工业园里，蒸汽管路均有较长的直管段，直管段都在100D以上。

3.3 减振措施

涡街流量计是以流体振动原理工作的，因此传感器安装应避开强烈振动，特别是横向的振动，会给仪表带来干扰信号。如仪表装在震动较强的管道上，则应采取减振措施，在传感器上安装防振座并加防振垫。由于现场没有较大的振动源，因此未加装减振措施。

3.4 取温点和取压点的安装

实施流体温度、压力补偿时，应合理选择温度、压力测口的位置。上游如果有插入式测温元件，会产生频率很高的旋涡，类似阀门干扰，因此必须远离流量计，一般取温点都安装在流量计后，因为流量计前后基本不会有多大的温差，完全能满足温度测量的要求。而安装取压点时孔不必开得很大，也不能有焊渣探入到管边中，更不允许取压管有伸入管内的情况发生。如图2所示。


图2 温度和压力补偿时的安装位置

3.5 旁路管的安装

如选用的是管道式的涡街流量计，为了不断流地检查或清洗流量计，一般可加装旁路管道。而对于插入式的涡街流量计，则可在不断流的情况下将其拆出清洗或更换。我司选用的均为插入式的涡街流量计，因此并未安装旁路。插入式的涡街流量计安装和维护都比较方便，能在不影响蒸汽用户生产的情况下对其进行维护。

3.6 接地

接地应遵循一点接地原则，接地电阻应小于10Ω，整体型和分离型的涡街流量计都应在传感器一侧接地，转换器外壳接地点也应与传感器同地。

4 维护及应用

4.1 日常维护

（1）涡街流量计一般安装于室外，条件允许的话可加装铁硼，或安装不锈钢保护箱来保护。

（2）一般检查：检查主管道上各法兰、阀门、测压孔、测温孔及接头应无渗漏现象，管道的振动情况是否符合使用说明书的规定。

（3）如涡街流量计测量数值偏低，则应首先检查管路是否有漏汽或漏水的情况，再则轻敲流量计与管道的连接处，看流量数值是否有变化。或者测量探头的电容，如果偏低，则应更换探头。

（4）如涡街流量计测量数值偏大，则应首先检查管路是否存在震动和屏蔽线是否接触不良。在没有使用蒸汽的情况下仍有较大的流量数值，则需由相关部门对设备进行校验。

4.2 蒸汽测量的应用

对于用户数量不多且距离不算太远的蒸汽用户，我们可以使用无纸记录仪，对每位蒸汽用户的流量、累积流量、压力、温度等参数和掉电情况进行数据的记录并保存，定期对无纸记录仪中的数据进行拷贝和备份，以查看用户的使用情况。

如果蒸汽用户数量较多且距离较远，则会不方便管理，为此我们利用流量积算仪的通讯功能（RS485）和专网无线传输技术，与上位计算机构成网络，将各测量点的计量数据实时传输到热电公司的DCS系统中进行监控与储存，可在主机中随时查看到任何一个用户的流量、累积流量、压力、温度等参数和掉电情况，从而实现了远传监控管理，也成为企业信息化建设的一部分。

5 结语

涡街流量计因其结构简单牢固、维护方便，输出脉冲信号与流量成正比，无零点漂移，压力损失较小等的优点，发展较快，应用不断扩大。了解涡街流量计的工作原理，了解现场安装及应用的基本知识及相关经验，可发挥涡街流量计的优势，更好的服务于工业测量领域。

参考文献
[1]乐嘉谦.仪表工手册[M].北京：化学工业出版社.
[2]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京：化学工业出版社.
[3]上海华强仪表有限公司，HQ960系列涡街流量计产品说明书.



    金属管浮子流量计如何做到精确测量？为金属管浮子流量计正常工作并达到要求的测量精度,要注意以下几点:

    流量计一定要垂直安装,流体自下而上流过流量计,且垂直度优于2°,水平安装时水平夹角优于2°;

    金属管浮子流量计应加旁路，方便处理故障和吹洗时不影响生产;

    流量计入口处应有5倍管径以上长度的直管段，出口应有250mm直管段

    介质含有铁磁性物质，应安装磁过滤器;

    介质中含有固体杂质，应考虑在阀门和直管段之间加装过滤器;

    用于气体测量时，应保证管道压力不小于5倍流量计的压力损失，以使浮子稳定工作;

    被测介质的温度高于220℃或流体温度过低易发生结晶时，需采取隔热保护措施时，应选用夹套型，以便进行冷却或保温;

    为了避免由于管道引起的流量计变形，工艺管线的法兰必须与流量计的法兰同轴并且相互平行，适当地管道支撑以避免管道振动和减小流量计的轴向负荷，测量系统中控制阀应安装在流量计的下游：

    由于金属管浮子流量计是通过磁耦合传递信号的，所以为了保证仪表的性能，安装周围至少10cm处，不允许有铁磁性物质存在;






在特定的流动条件下，一部分流体动能会转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。涡街流量计具有以下一些特点：

①输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，不受流体组分、密度、压力、温度的影响；
②测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；
③精确度为中上水平；
④无可动部件，可靠性高；
⑤结构简单牢固，安装方便，维护费较低；
⑥应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸汽。

涡街流量计的工作原理

在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街（见图1），旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。根据卡曼涡街原理，有如下关系式：f=SrU1/d=SrU/md

式中，m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；D为表体通径；d为旋涡发生体迎面宽度；f为旋涡的发生频率；U1为旋涡发生体两侧平均流速；Sr为斯特劳哈尔数；U为被测介质流的平均速度。


图1 卡曼涡街

管道内体积流量qv为：

式中， K为流量计的仪表系数，单位为脉冲数/m3。

K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图2为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图2可见，在ReD=2×104～7×106的范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，涡街流量计的流量计算式为：

式中，qVn、qV分别为标准状态下（0℃或20℃，101.325kPa）和工况下的体积流量； Pn、P分别为标准状态下和工况下的绝对压力；Tn、T分别为标准状态下和工况下的热力学温度；Zn、Z分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。


图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

由式（4）可见，涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计应同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分就会对流量计量产生直接影响。

涡街流量计由传感器和转换器两部分组成，如图3所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DAC、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通信及其他功能模块装在转换器内。


图3 涡街流量计

在现场中的应用

涡街流量计合用的流体比较普遍，但不合用于测量低雷诺数(ReD≤2×104)流体。低雷诺数时，斯特劳哈尔数跟着雷诺数而变，仪表线性度变差，流体粘度高，明显影响甚至障碍旋涡的发生，还关于流体的脏污性质有要求。含固体微粒的流体对旋涡发作体的冲刷会发生噪声，对旋涡发作体发生磨损。若含有的短纤维环绕在旋涡发作体上，将改动仪表系数。涡街流量计在混相流体中的使用如下：

① 可以用于含涣散、平均的细小气泡，但容积含气率应小于7%~10%的气、液两相流，若容积含气率超出2%，应对仪表系数进行批改。

② 可以用于含涣散、平均的固体微粒，含量不大于2%的气固、液固两相流。

③ 可以用于互不消融的液液(如油和水)两组分流等。

脉动流和扭转流将对涡街流量计发生严峻影响。假如脉动频率与涡街频率吻合，将能够惹起谐振，毁坏正常任务和设备，使涡街旌旗灯号发生“锁定(1ock-in)”景象，这时旌旗灯号固定于某一频率。“锁定”与脉动幅值、旋涡发作体外形及梗塞比等有关。

涡街流量计的准确度关于液体大致为士(0.5%~±2%)R，关于气体为士(1%~±2%)R，反复性普通为0.2%~0.5%。因为涡街流量计的仪表系数较低，频率分辩率低，口径愈大，精度愈低，故仪表口径不宜过大(DN300以下[4])。

局限度宽是涡街流量计的长处，量程下限的流量数值更为主要。普通液体均匀流速下限为0.5m/S，气体为4~5m/s[5]。涡街流量计的正常流量可以在正常测量局限的1/2~2/3处。

涡街流量计的最大长处是仪表系数不受测量介质物性的影响，可以用一种典型的介质进行校验而使用于其他介质，为处理校验设备问题供应了便当。但因为液、气的流速局限差异很大，招致频率局限差异亦很大。在处置涡街旌旗灯号的扩大器电路中，滤波器的通带分歧，电路参数亦分歧，因而，统一电路参数不克不及用于测量分歧的介质。介质改动后，电路参数亦应随之改动。

另外，气体和液体的密度差别很大，而旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比，因此信号强度差别亦很大。液、气放大器电路的增益、触发灵敏度等皆不相同，压电电荷差别大，电荷放大器的参数也不相同。即使同为气体（或液体、蒸汽），随着介质压力、温度、密度不同，使用的流量范围不同，信号强度亦不同，电路参数同样要改变。因此，一台涡街流量计不经硬件或软件修改，改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。

2 安装注意事项

涡街流量计属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计，因此，对现场管道安装条件应充分重视，严格遵照使用说明书执行。

涡街流量计可安装在室内或室外。如果安装在地井里，为防止被水淹没，应选用涎水型传感器。传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但测量液体和气体时为防止气泡和液滴的干扰，要注意安装位置（见图4）。


图4 测量含液体和含气液体的流量仪表安装

涡街流量计必须保证上、下游直管段有必要的长度（见图5）。


图5 涡街流量计对上、下游直管段长度的要求

在图5中，a为一个90°弯头，b 为同心扩管，c为同心收缩全开阀门，d为不同平面两个90°弯头，e为调节阀半开阀门，f为同一平面两个90°弯头。

传感器与管道的连接如图6所示，在与管道连接时要注意以下问题。


图6 传感器与管道的连接

① 上、下游配管内径D与传感器内径D’相同，其差异满足下述条件：0.95D≤D’≤1.1D；
② 配管应与传感器同心，同轴度应小于0.05D’；
③ 密封垫不能凸入管道内，其内径可比传感器内径大1～2mm；
④ 如需断流检查与清洗传感器，应设置旁通管道（见图7）；


图7 旁通管道示意图

⑤ 减小振动对涡街流量计的影响应该作为涡街流量计现场安装的一个突出问题来关注。首先，在选择传感器安装场所时尽量注意避开振动源；其次，采用弹性软管连接在小口径中可以考虑；第三，加装管道支撑物是有效的减振方法。

电气安装应注意传感器与转换器之间采用屏蔽电缆或低噪声电缆连接，其距离不应超过使用说明书的规定。布线时应远离强功率电源线，尽量用单独金属套管保护。应遵循“一点接地”原则，接地电阻应小于10Ω。整体型和分离型都应在传感器侧接地，转换器外壳接地点应与传感器“同地”。

3 现场常见故障现象、原因及排除方法

涡街流量计有多种检测方式，传感器和测量电路差别也较大，但涡街流量计常见的故障有共性。
结语

在众多的流量计中，涡街流量计的购置费低于质量式、电磁式、容积式等类型，而安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等类型，是一种经济性较好、比较实用的流量计。涡街流量计结构简单牢固，安装维护方便，尤其适用于冶炼厂、化工厂、输油管道等工业现场的使用。

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