渦街流量計的選型與應(yīng)用

陳忠革

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渦街流量計的選型與應(yīng)用

陳忠革

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

本文首先介紹了渦街流量計的工作原理，并對渦街流量計的優(yōu)缺點進行了分析；其次結(jié)合采油平臺實際工況進行了流量儀表選型；并且介紹了針對渦街流量計的防振措施；最后通過計算對比分析，證明渦街流量計是一款相對節(jié)能的流量計。

渦街流量計 振動 節(jié)能

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了有效地指導(dǎo)生產(chǎn)操作、監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，經(jīng)常需要檢測生產(chǎn)過程中各種流動介質(zhì)（如液體、氣體或蒸汽）的流量，以便為管理和控制生產(chǎn)提供依據(jù)。同時，工業(yè)生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)之間經(jīng)常有物料的輸送，需要對它們進行精確的計量，作為經(jīng)濟核算的重要依據(jù)。所以，流量監(jiān)測在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中顯得十分重要。

1 工作原理

渦街流量計（又稱漩渦流量計）是根據(jù)“卡門漩渦”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表。“卡門漩渦”現(xiàn)象是在流動的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線型柱狀物時，流體在柱狀物兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的漩渦。在測量管道的流體中設(shè)置非流線型的漩渦發(fā)生體，當(dāng)雷諾數(shù)達到一定值時，從漩渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯排列的漩渦，這種漩渦稱為卡門渦街，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)漩渦的分離頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，漩渦的頻域正比于流量，并可由各種形式的傳感器檢出[1-3]。

圖1 卡門渦街

流量計利用卡門渦街原理如圖1所示，有如下關(guān)系式：

式中——阻流件的寬度，m；

圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

當(dāng)測量氣體流量時，渦街流量計的標準體積流量計算式為

P，——標準參比條件下和工況下的絕對壓力，Pa；

T，——標準參比條件下和工況下的熱力學(xué)溫度，K;

Z，Z——標準參比條件下和工況下的氣體壓縮系數(shù)；

由式(5)可見，渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與漩渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。

2 優(yōu)勢與局限性

2.1 優(yōu)點

1) 渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便。

2) 無可移動部件，可靠性高。

3) 重量輕，價格便宜，在眾多的流量計中，渦街流量計的經(jīng)濟性較好，是一種經(jīng)濟實惠的流量計。

4) 適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，可計量多種流體介質(zhì)，如液體、氣體、高溫蒸汽、低溫液體和部分混相流體[4]。

5) 在一定的雷諾數(shù)范圍，輸出頻率信號不受流體物性（密度、黏度）和組分的影響。

6) 壓力損失小。

7) 在一種典型介質(zhì)中校驗，而適用于各種介質(zhì)。

8) 可以通過確定斯特勞哈爾數(shù)與發(fā)生體幾何參數(shù)之間的關(guān)系，來實現(xiàn)干標定。

2.2 局限性

2)漩渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響。

3)除了熱敏和超聲式，其他種類的渦街流量計對管道機械振動均較敏感，不宜用于強震動場所。

4)儀表口徑不宜過大，一般口徑不超過300 mm。

5)渦街流量計適用的流體比較廣泛，但不適用于臟污流體。

6)渦街流量計在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗還少。

3 渦街流量計的初步選型

渦街流量計同樣具有局限性，也有其適用范圍，因此何種工況選用渦街流量計，選用哪一類的渦街流量計，選用多大口徑都是需要重點研究的課題。下面本文根據(jù)已經(jīng)投產(chǎn)的某油氣生產(chǎn)平臺實際工況（表1）進行了流量儀表的初步選型。

由表1中的工藝參數(shù)可知，管道介質(zhì)為生產(chǎn)水。它由原油處理系統(tǒng)的生產(chǎn)污水經(jīng)過斜板除油器除掉浮油后產(chǎn)生。除掉浮油后的生產(chǎn)污水進入溶氣式氣浮進一步去除污水中的小油滴。首先從管道尺寸考慮，由于管道尺寸為8*25.4=203.2 mm，超出靶式流量計（15~50 mm）和科氏流量計（150~200 mm）的常用測量管道尺寸范圍，排除靶式、浮子流量計和科氏流量計；從壓損方面考慮，排除孔板流量計（壓損：20~50 kPaG）；從安裝方式方面考慮，排除浮子流量計（需要垂直安裝）；容積式、超聲式、電磁式、渦街流量計滿足上述要求。最后從購置考慮，由于渦街流量計的購置、安裝、運行、維護費用較低的特點，因此在此選擇渦街流量計作為初步選型儀表。

表1 某油氣生產(chǎn)平臺生產(chǎn)污水處理工況

通用項設(shè)備位號PSP-FE/FT-3004A 服務(wù)對象斜板除油器 精度要求1 % 管線號8"-PW-3004-A1-HT5 管線尺寸8'' 管線等級STD 管線儀表圖紙?zhí)朙D32-2-DWG-PSP-PR-3002(1/2) 工藝條件流體生產(chǎn)水 流速(m3/h)最小65正常150最大220 溫度(℃)最小正常50~80最大110 壓力(kPa/g)最小正常50最大 比重1 黏度(cP)0.35~0.55 最大允許壓差(kpa)20

4 防振措施探討

海洋平臺本身空間比較緊湊，在較小的空間內(nèi)布置了大量的工藝和生產(chǎn)設(shè)備。一些振動源比如空氣壓縮機和泵會對渦街流量計的使用產(chǎn)生影響。在此介紹幾種減振措施[5,6]：

1）在儀表選型之初，就要確保渦街流量計安裝環(huán)境無振動或振動較小，不影響渦街流量計的正常工作；

2）抗振接頭耐壓、耐腐蝕、價格低、安裝簡單易行，可以擴大渦街流量計的使用范圍，也適用于其他減振場所，此方法在海洋平臺中的渦街流量計的選型和使用過程中值得借鑒；

3）當(dāng)管道振動速度大于1 g或者振動頻率達到500 Hz以上時，在傳感器2倍口徑處安裝固定支撐點；

4）將渦街流量計軸向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，適當(dāng)調(diào)整渦街流量計觸發(fā)電平；

5）在小管徑流量測量中可以采用彈性軟管連接渦街流量計。

5 渦街流量計的能耗分析

渦街流量計屬于阻力型流量計。它們阻礙流體的流動，使流體流經(jīng)流量計時產(chǎn)生壓力損失，從而引起輸送單位流體所用的推動功的增加，即需要多消耗能量，實際使用的流量計多為阻力型流量計。

不同的阻力型流量計對流體阻礙作用的大小不同，阻礙作用的大小可由壓力損失表示。阻礙作用大的引起的能耗就大，如孔板、噴嘴流量計，渦街流量計次之。通常把能耗相對較小的流量計叫節(jié)能型流量計，相對于孔板、噴嘴流量計，渦街流量計能耗較小。從這三種流量計看，孔板流量計的壓損最大，通常為20~50 kPa；渦街流量計最小，通常為2~15 kPa。只有通過對流量計的能耗計算，才能了解每種流量計的能耗，也才能進一步比較節(jié)能型流量計節(jié)能量的大小。

5.1 測量液體時壓損及能耗計算[7]

由于液體介質(zhì)可看作是不可壓縮性流體，壓力變化但密度不變。

1）用孔板時，壓損計算

2）用渦街時

由于不同資料上推薦的壓損計算公式略有不同，主要區(qū)別在于所用阻力系數(shù)不同，因此結(jié)果也不同，但差別不大，這里我們以下式計算:

5.2 測量氣體時壓損及能耗分析計算

若把氣體看作理想氣體，通過流量計的過程看作絕熱過程，則由工程熱力學(xué)可知：

壓損仍由式（6），式（8）計算。

表2 不同工況表格

介質(zhì)類型流速壓力溫度密度管徑孔徑比孔板前后壓差電機和泵效率 水38 m3/h717.5 MPa30 ℃994.6 kg/m350.8 mm0.54949 kPa0.85 空氣772 m3/h683 kPa52 ℃64 kg/h101.6 mm0.40349 kPa0.85 蒸氣5400 kg/h500 kPa151.84 ℃2.669 kg/m3100mm0.711860 kPa0.85

表3 能耗對比

類型壓損（水/ kPa）能耗（水/W）壓損（空氣/kPa）能耗（空氣/ kW）壓損（蒸氣/ kPa） 孔板33.5754.939.61291630.48 渦街0.510.844.93356.315.03

5.3 舉例計算

由表3和表4中的渦街流量計和孔板流量計在不同工況下的壓損和能耗對比可知，渦街流量計有相對較小的壓損和能耗，在孔板流量計和渦街流量計同時適用的工況下優(yōu)先選用渦街流量計。

6 結(jié)束語

本文在介紹渦街流量計的工作原理和優(yōu)點與局限性的基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋生產(chǎn)平臺實際工況進行了選型并提出了具體防振措施。最后，介紹了一種壓損與能耗的計算方法，并通過與孔板流量計的對比，證明渦街流量計是一款相對節(jié)能的流量計。希望本文能對今后渦街流量計在海洋平臺中的選型和應(yīng)用提供借鑒和參考。

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[3] 樂嘉謙. 儀表工手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 241-243.

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Selection and Application of the Vortex Shedding Flowmeter

Chen Zhongge

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

TH814

A

1003-4862（2019）01-0061-04

2018-07-16

陳忠革（1985-），男，工程師。研究方向：儀表。E-mail: 279554135@qq.com