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差動開關電容式渦街流量計在蒸汽計量中的應用
點擊次數(shù)：635 發(fā)布時間：2013-4-11
隨著能源短缺時代的到來以及人們環(huán)保意識的不斷提高和對安全生產(chǎn)的高度重視，集中供熱事業(yè)得到快速發(fā)展。熱能變成一種商品，供汽和收費自然成為熱力公司的根本，蒸汽計量顯得越來越重要。
廣州恒運熱力有限公司是面向廣州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、高新區(qū)、出口加工區(qū)和保稅區(qū)的集中供熱企業(yè)，熱源有廣州恒運集團熱電（A、B、C、D）廠的二次蒸汽和熱力公司自建的3臺蒸汽鍋爐，供汽能力達300t/h，蒸汽管網(wǎng)總長約50km，蒸汽用戶目前以區(qū)內(nèi)的50多家工廠企業(yè)為主。工業(yè)用戶的特點是：（1）各用戶的蒸汽用量相差很大，小的不足1t/h，大的高達50t/h，相應的蒸汽流量計口徑大小從DN10～DN300mm；（2）連續(xù)生產(chǎn)連續(xù)用汽，尤其是一些大用戶，若意外停汽將會造成重大的經(jīng)濟損失；（3）流量變化量大，視生產(chǎn)時段而定。因此，對蒸汽計量儀表選型的基本要求是：穩(wěn)定可靠、量程比寬、精度高、維護工作量少。近幾年來，我們采用以差動開關電容式渦街流量計/為基礎的蒸汽流量測量系統(tǒng)，取得明顯的效果和經(jīng)濟效益。
1 差動開關電容式渦街流量計
1.1 基本工作原理
渦街流量計是基于“卡門渦街”原理實現(xiàn)流量測量的儀表。
在流體的管路中設置非流線型柱狀阻力部件，在某一雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)，其下游兩側將產(chǎn)生旋渦分離現(xiàn)象，形成兩排交替出現(xiàn)的旋渦列并依次向下游流去，連續(xù)不斷，好象一條由旋渦組成的街道，形象地稱為“渦街”。當渦列寬度h與同列相鄰兩旋渦的間距L之比滿足h/L=0.281時，這樣的渦街陣列幾何結構才穩(wěn)定，稱為卡門渦街。產(chǎn)生旋渦分離的阻力部件稱為旋渦發(fā)生體（見圖1）。當旋渦發(fā)生體為三角柱體時，其旋渦分離頻率f（單位：Hz）和管道內(nèi)平均流速v、旋渦發(fā)生體迎流面寬度d之間關系為：
f=St·v1/d=St·v/[（1-1.25d/D）·d] （1）
式中：St為斯特勞哈爾數(shù)（無量綱），在一定Re范圍內(nèi)，St為常數(shù)；v1為發(fā)生體兩側流體的平均流速，m/s；D為管道內(nèi)徑，m；d/D為柱寬比，即旋渦發(fā)生體寬度與管徑之比值；v為旋渦發(fā)生體前平均流速，m/s。
因管道中平均瞬時流量qv[m3/h]與管徑D和平均流速v關系為：
所以f=qv·4St/[（1-1.25d/D）·（d/D）··D3]=K·qv （3）
式中：K為儀表系數(shù)，L-1。
K=4St/[（1-1.25d/D）·（d/D）··D3] （4）
實驗表明，當雷諾數(shù)Re≥20000時，斯特勞哈爾數(shù)St基本為恒定值，如三角柱發(fā)生體St=0.16，另一方面，對于給定形式的具體儀表，其幾何尺寸D、d和相互關系等已確定，故儀表系數(shù)K值也確定，與流體物性和組分無關。所以操作狀態(tài)體積流量qv與旋渦頻率f成線性比例關系：
qv=f/K （5）
由此可見，只要準確檢測旋渦頻率便可得知體積流量，這就是渦街流量計的檢測基礎和基本工作原理。而如何準確檢測旋渦頻率則成為決定渦街流量計整體性能的關鍵，各種渦街流量計的明顯區(qū)別也在于采用的檢測技術（元件）不同，如從早期熱敏電阻元件的熱敏式渦街流量計，后來市場較多的壓電晶體元件的應力式渦街流量計，到近期發(fā)展起來的差動開關電容式渦街流量計等等。
1.2 結構原理
差動開關電容式渦街流量計（以下簡稱電容式渦街）采用差動開關電容傳感器（以下簡稱DSC傳感器）檢測卡門渦街產(chǎn)生的旋渦頻率信號。整個信號檢測處理過程如圖2。
DSC傳感器為外置懸臂式結構（圖3），獨立于儀表旋渦發(fā)生體但又徑向插入發(fā)生體的中心孔中，并與兩側導壓孔連通，以檢測卡門旋渦壓力的變化。它實質是一個電容式機-電轉換器。
外觀為圓筒形且下端密封而管壁又很薄的振動舌作為電容器的公共電極，其內(nèi)部有兩個附于同一支座下端但又相互絕緣的弧狀形電極。這兩個電極與公共電極振動舌內(nèi)壁之間保留有充滿空氣的微小間隙，構成兩個電容器，電介質為空氣，其電容的大小與電極和振動舌內(nèi)壁之間的距離成反比。當振動舌發(fā)生形變或位移時就會使兩個電容失去平衡，產(chǎn)生差動電容。
當旋渦產(chǎn)生時在兩側形成微小壓差，旋渦壓力使振動舌發(fā)生左右撓性振動，由于內(nèi)部兩個電極及其支座仍固定不動，從而一個電容間隙增大（電容量變?。瑫r另一電容間隙減?。娙萘孔兇螅?，反之亦然，也即導致兩電容的大小因距離相對變化而發(fā)生周期性的變化，產(chǎn)生了差動信號。這也是差動開關電容檢測電路所檢測到的*信號。差動信號呈正弦波形式，經(jīng)前置放大器處理后以PFM（脈沖頻率調劑）脈沖信號形式輸出。
2.3 性能特點
當管道發(fā)生振動時，振動的慣性力同時作用在振動舌和電極上，使它們在同方向上產(chǎn)生形變，由于振動舌與兩個電極及支座的振動特性和幾何結構相匹配，它們對于外部振動的響應是同步的，即形變量相一致，兩個電容間隙沒有相對變化，故不產(chǎn)生差動信號，因此能夠消除任何方向、頻率≤500Hz、加速度≤1g的強機械振動的影響。
應用現(xiàn)代工程材料與方法，使其工作溫度范圍擴展至-200℃～+400℃，而且不存在破裂、老化等問題，能夠承受得住高達100℃/s的熱沖擊。
振動舌的管壁很薄，因此靈敏度很高，即流速下限可以很低（介質為水時，流速為0.2m/s）；又因為振動舌為圓筒形不銹鋼，機械結構堅固，可以耐高流速旋渦的壓力作用，所以流速上限較高（介質為水時，流速為9m/s、介質為蒸汽和氣體時，流速為75m/s）。由于兼顧了流速的兩個，因此量程比很寬（zui高可達40:1）。
2 溫度壓力補償與測量系統(tǒng)
渦街流量計是一種速度式流量計，其直接檢測結果是給出操作狀態(tài)下的體積流量，在其測量范圍內(nèi)，這種體積流量不受流體溫度、壓力、密度、粘度、成分等性質變化所影響，因而是準確的，不需要任何溫度、壓力補償。但工程上測量蒸汽流量時習慣上以質量流量qm，單位用kg/h或t/h表示，所以上述體積流量qv需要引入蒸汽密度ρ（p，T）參數(shù)進行折算：
qm（V，p，T）=qv（V）·ρ（p，T） （6）
而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作狀態(tài)如溫度T、壓力p等影響的，例如溫度為190℃的蒸汽，當壓力由1.1MPa上升到1.2MPa時，其密度約增大了10%，可見，蒸汽性質變化或操作條件波動時會產(chǎn)生一定的附加誤差。因此在體積流量檢測的同時還要進行溫度壓力的檢測，也即通過T、p對ρ進行實時補償以消除系統(tǒng)的附加誤差，保證zui終需要的檢測結果即質量流量的準確性，而這些補償運算工作均在流量積算儀中自動完成。所以，應用渦街流量計測量蒸汽流量時，溫度壓力補償是很有必要的。
在本測量系統(tǒng)中，蒸汽的體積流量qv、壓力p和溫度T分別通過電容式渦街流量計、壓力變送器和熱電阻（Pt100）的檢測而轉換為PFM脈沖、4～20mADC和電阻值信號，并同時輸入現(xiàn)場的智能流量積算儀進行運算和顯示，其讀數(shù)即為補償后的蒸汽質量流量qm。
此外，由于蒸汽用戶分散并且距離較遠，給管理帶來了諸多不便，為此我們利用流量積算儀的通訊功能（RS485）和專網(wǎng)無線傳輸技術，與上位計算機（智能終端）構成網(wǎng)絡，將各測量點的計量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綗崃镜闹鳈C中進行監(jiān)控與儲存，可在主機中隨時查詢?nèi)魏我粋€用戶點的流量、壓力、溫度等參數(shù)和掉電情況，從而實現(xiàn)了遠傳監(jiān)控管理，也成為企業(yè)信息化建設的一部分。
綜上所述，每個測量點的系統(tǒng)構成如圖4。
3 應用實例
在50多個測量點中，下面是幾種典型的應用例子。
3.1 大流量、長管線
康師傅集團屬下的頂益、頂津公司分別采用電容式渦街DN200、DN250，蒸汽流量在20～30t/h之間，蒸汽管線長約5km，位于熱源點末端，有時蒸汽處于過熱與飽和的臨界狀態(tài)，但運行一直很正常。
另一用戶麥芽公司的管線長約3km，在設計階段，由于對蒸汽用量估算不足，僅采用DN200電容式渦街，但實際使用時，其蒸汽用量大大超出原設計用量，正常30t/h左右，有時甚至達到40t/h以上。過大的流量，造成管線中的蒸汽流速*（現(xiàn)場?？陕牭焦艿乐械匿J嘯聲），這對該電容式渦街的性能提出較高的要求，但使用以來，一直運行良好。
3.2 大管道、小流量
聯(lián)眾不銹鋼公司根據(jù)長遠的用汽規(guī)劃，鋪設DN250蒸汽管道并選用DN200電容式渦街，雖然目前建廠初期蒸汽用量僅5～10t/h，相對于DN200電容式渦街而言流量偏小，卻仍然落入其測量范圍之內(nèi)，故理論上能準確計量。為便于了解該渦街運行情況，熱力公司在同一管道的供汽端加裝了一臺應力式渦街流量計（采用壓電晶體傳感器）作為比較，但由于小流量丟失、穩(wěn)定性差等原因，其讀數(shù)誤差達5%～30%，顯然，這種數(shù)據(jù)已失去參考價值；后來換裝成電容式渦街，結果兩臺電容式渦街的測量數(shù)據(jù)基本保
持一致。
3.3 流量變化大
大多蒸汽管道尺寸較小的蒸汽用戶均存在蒸汽用量變化大的特點，因為這些用戶主要集中在加熱攪拌、烘烤及酒店、生活區(qū)等行業(yè)，如慧達化工、秉信紙業(yè)、捷普生活區(qū)、新港碼頭等單位，蒸汽用量因不同季節(jié)（如冬天多，夏天少）和不同時段（如做飯、洗澡時用量多，其余時間用量少）差異非常大，如果安裝傳統(tǒng)孔板流量計，需要2～3套進行切換，而渦街1套便可滿足要求。以秉信紙業(yè)公司為例，在滿負荷工作時，其用汽量可達到3t/h，當處于用汽低峰時，其用汽量不足0.1t/h，所以要求流量計具有非常寬的量程比，否則將會造成小流量的丟失，但從現(xiàn)場安裝的DN80電容式渦街運行情況看，幾乎不存在什么小流量丟失的問題，因而避免了供汽用汽雙方因計量不準而引起的糾紛。
3.4 管道機械振動
現(xiàn)場蒸汽管道總是存在一些振動現(xiàn)象，由于機器設備運轉或車輛行駛等引起的管道機械振動更是難以避免，zui典型的就是力嘉公司和綠箭香口膠公司兩家蒸汽用戶，它們的廠區(qū)緊靠馬路，蒸汽支管線都不可避免要經(jīng)過交通主干道。前者原來使用DN25應力式渦街，結果常常能根據(jù)現(xiàn)場突變的檢測信號（反映為瞬時流量讀數(shù)急增）而準確預測到大型車輛正在經(jīng)過，這說明其很容易受振動干擾；后者安裝DN80電容式渦街流量計，其在同樣有大型車輛經(jīng)過時，其顯示值卻沒有什么變化，這證明其抗振動干擾性能
良好。
3.5 間隙性用汽
本田汽車公司安裝了DN80電容式渦街流量計，其蒸汽流量5t/h左右。由于是間隙性使用，一天之內(nèi)需要頻繁多次停汽、用汽，這顯然會對渦街形成頻繁沖擊，由此所引起的干擾也會增多，因此要求所用渦街具有較高的抗流速沖擊、抗熱沖擊和抗振動干擾的能力。從現(xiàn)場觀察和計量數(shù)據(jù)分析看，該電容式渦街完適應這一工況，儀表運行一直正常。
4 注意事項
渦街應用效果是產(chǎn)品性能、選型、安裝的綜合反映?，F(xiàn)就應用中容易疏忽的幾個問題作一分析，以引起注意和重視。
（1）在設計選型階段，必須依據(jù)蒸汽的實際工藝參數(shù)選擇合適的渦街口徑大小，而管道尺寸僅作為參考。經(jīng)驗表明，管路設計時往往留有很大的余量，蒸汽管道尺寸普遍偏大，如果按原管道選擇渦街口徑，經(jīng)常會造成精度下降（小流量丟失）甚至不能計量的后果；而根據(jù)參數(shù)選出的渦街口徑常常有小一檔的情況，這時安裝渦街需要一段同心縮管。
（2）安裝時必須嚴格依據(jù)施工規(guī)范。例如，前后直管段長度必須滿足渦街流量計的技術要求，渦街儀表體中心線與前后直管道中心線同軸，密封墊不能伸入管道中，這樣可以防止因部分流通面積被蓋住、流速分布發(fā)生畸變、流場受干擾而引起測量誤差；蒸汽管道測量段保證沒有冷凝水；對于新裝工藝管道，在吹掃時必須先把渦街拆下，吹掃干凈后方可裝回。
（3）電氣接線必須規(guī)范，現(xiàn)場的防水、防高溫措施必須到位。例如，儀表體處的保溫隔熱層的*高度不能高于表頭支架的一半，這樣支架中有保溫部分（下半部）可阻止熱幅射，無保溫部分（上半部）可防止熱量傳遞到表頭；水平管道時，表頭應盡可能水平放置，以便盡量降低熱空氣對前置放大器電子元件的影響。
5 結束語
本測量系統(tǒng)的核心是差動開關電容式渦街流量計，它對于測量是否成功起到?jīng)Q定性作用。幾年的應用實踐表明，這種電容式渦街工作穩(wěn)定可靠，抗振動干擾強，不存在應力式渦街流量計那種對振動的敏感性，其測量數(shù)據(jù)是可信的、是公正的，也沒有應力式渦街常因雷擊而損壞的這類問題；結構堅固，沒有可動部件，不存在磨損和堵塞問題，無需維護，使用成本低；靈敏度高，量程比寬，減少了小流量丟失；儀表精度高（可達0.5%），且*運行幾乎不會改變，而精度的提高對于蒸汽計量有著明顯的經(jīng)濟價值。它的成功應用，為解決熱力公司高溫蒸汽準確計量這個難題提供一個非常有效的途徑。