渦街流量計在貿(mào)易計量上的應(yīng)用

劉 揚，杜 明

（1.天津市億環(huán)自動化儀表技術(shù)有限公司，天津 300409；2.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270）

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[1]。渦街流量計結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 渦街流量計結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of vortex flowmeter structure

根據(jù)卡門渦街原理，有如下關(guān)系式：

式中：

m—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—表體通徑（單位：m）；

d—旋渦發(fā)生體迎面寬度（單位：m）；

f—旋渦的發(fā)生頻率（單位：Hz）；

U1—旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（單位：m/s）；

Sr—斯特勞哈爾數(shù)（無量綱）；

U—被測介質(zhì)來流的平均速度（單位：m/s）；

qv—瞬時體積流量（單位：m3/s）；

K—流量計的儀表系數(shù)（單位：m-3）

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2×104～7×106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。

圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between strohal number and reynolds number

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(jī)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1%的脈沖型渦街和模擬類流量計精度對比如表1所示。

表1 渦街流量計和模擬型流量計精度對比Tab.1 Comparison of accuracy between vortex flowmeter and analog flowmeter

2）補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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)。

圖3 渦街流量計算法流程Fig.3 Flow chart of vortex flowmeter algorithm

圖4 差壓式流量計算法流程Fig.4 Flow chart of differential pressure flowmeter algorithm

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[3]。

圖5 渦街信號Fig.5 Vortex signal

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)過閥門或較長管道輸送后，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?/p>

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(bǔ)償方式，同時適用于過熱蒸汽和干飽和蒸汽的密度補(bǔ)償。

如進(jìn)入過飽和狀態(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(bǔ)償算法僅適用于干蒸汽的計量，因此濕度越大（干度越?。?，誤差越大。一般情況下，干度≥95%時，誤差較??；干度＜95%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，因此測量飽和蒸汽一般采用單補(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，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(bǔ)償計算的密度誤差較大，采用單壓力補(bǔ)償計算的密度誤差相對較??；如果能選用溫壓補(bǔ)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（1 MPa，184.1 ℃），經(jīng)過減壓閥后轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽狀態(tài)（0.42 MPa，162.4 ℃，密度2.7048 kg/m3），不同補(bǔ)償方式計算的密度對比如表2所示，溫度補(bǔ)償誤差高達(dá)27.61%，而壓力補(bǔ)償誤差僅在2.60%。

圖6 蒸汽減壓和流量測量示意圖Fig.6 Schematic diagram of steam decompression and flow measurement

表2 飽和蒸汽的不同補(bǔ)償方式計算密度對比Tab.2 Comparison of calculation density of different compensation methods for saturated steam

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(bǔ)償方式，或單壓力補(bǔ)償方式。

2）選擇具有內(nèi)置高精度標(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)域沒有準(zhǔn)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)果會存在一定偏差。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(bǔ)償功能的渦街流量計。天然氣壓縮系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 天然氣壓縮系數(shù)曲線Fig.7 Natural gas compression coefficient curve graph

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。