[摘要]文章介紹差動(dòng)開關(guān)電容式渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理及其在蒸汽計(jì)量中的實(shí)際應(yīng)用，并對安裝使用過程中較容易.疏忽的一些問題進(jìn)行分析。
隨著能源短缺時(shí)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(fèi)自然成為熱力公司的根本，蒸汽計(jì)量顯得越來越重要。
熱力公司面向廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(yùn)集團(tuán)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(dá)300t/h,蒸汽管網(wǎng)總長約50kmn,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(diǎn)是:(1)各用戶的蒸汽用量相差很大，小的不足1t/h,大的高達(dá)50t/h,相應(yīng)的蒸汽流量計(jì)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(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，(3)流量變化量大，視生產(chǎn)時(shí)段而定。因此，對蒸汽計(jì)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(hù)工作量少。近幾年來，我們采用以差動(dòng)開關(guān)電容式渦街流量計(jì)為基礎(chǔ)的蒸汽流量測量系統(tǒng)，取得明顯的效果和經(jīng)濟(jì)效益。
1差動(dòng)開關(guān)電容式渦街流量計(jì)
1.1基本工作原理
渦街流量計(jì)是基于“卡門渦街”原理實(shí)現(xiàn)流量測量的儀表。
在流體的管路中設(shè)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(cè)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--條由旋渦組成的街道，形象地稱為鍋街”。當(dāng)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(shí)，這樣的渦街陣列幾何結(jié)構(gòu)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(dāng)旋渦發(fā)生體為三角柱體時(shí)，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(guān)系為:
f=St.ʋ1/d=St.ʋ/[(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);ʋ1為發(fā)生體兩側(cè)流體的平均流速，m/sD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(shí)流量qv[m3/h]與管徑D和平均流速v關(guān)系為:
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)雷諾數(shù)Re≥20000時(shí),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(guān)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(guān)。所以操作狀態(tài)體積流量qv與旋渦頻率ƒ成線性比例關(guān)系:
qv=ƒ/K(5)
由此可見，只要正確檢測旋渦頻率便可得知體積流量，這就是渦街流量計(jì)的檢測基礎(chǔ)和基本工作原理。而如何正確檢測旋渦頻率則成為決定渦街流量計(jì)整體性能的關(guān)鍵，各種渦街流量計(jì)的明顯區(qū)別也在于采用的檢測技術(shù)元件)不同，如從早期熱敏電阻元件的熱敏式渦街流量計(jì)，后來市場較多的壓電晶體元件的應(yīng)力式渦街流量計(jì)，到近期發(fā)展起來的差動(dòng)開關(guān)電容式渦街流量計(jì)等等。
1.2結(jié)構(gòu)原理
差動(dòng)開關(guān)電容式渦街流量計(jì)(以下簡稱電容式渦街)采用差動(dòng)開關(guān)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(gè)信號檢測處理過程如圖2。
DSC傳感器為外置懸臂式結(jié)構(gòu)(圖3)，獨(dú)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(cè)導(dǎo)壓孔連通，以檢測卡門旋渦壓力的變化。它實(shí)質(zhì)是一個(gè)電容式機(jī)-電轉(zhuǎn)換器。
外觀為圓簡形且下端密封而管壁又很薄的振動(dòng)舌作為電容器的公共電極，其內(nèi)部有兩個(gè)附于同---支座下端但又相互絕緣的弧狀形電極。這兩個(gè)電極與公.共電極振動(dòng)舌內(nèi)壁之間保留有充滿空氣的微小間隙，構(gòu)成兩個(gè)電容器，電介質(zhì)為空氣，其電容的大小與電極和振動(dòng)舌內(nèi)壁之間的距離成反比。當(dāng)振動(dòng)舌發(fā)生形變或位移時(shí)就會(huì)使兩個(gè)電容失去平衡，產(chǎn)生差動(dòng)電容。
當(dāng)旋渦產(chǎn)生時(shí)在兩側(cè)形成微小壓差，旋渦壓力使振動(dòng)舌發(fā)生左右撓性振動(dòng)，由于內(nèi)部兩個(gè)電極及其支座仍固定不動(dòng)，從而一個(gè)電容間隙增大(電容量變小)，同時(shí)另一電容間隙減小(電容量變大)，反之亦然，也即導(dǎo)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(dòng)信號。這也是差動(dòng)開關(guān)電容檢測電路所檢測到的唯一信號。差動(dòng)信號呈正弦波形式，經(jīng)前置放大器處理后以PEM(脈沖頻率調(diào)劑)脈沖信號形式輸出。
2.3性能特點(diǎn)
當(dāng)管道發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)舌和電極上，使它們在同方向上產(chǎn)生形變，由于振動(dòng)舌與兩個(gè)電極及支座的振動(dòng)特性和幾何結(jié)構(gòu)相匹配，它們對于外部振動(dòng)的響應(yīng)是同步的，即形變量相-致，兩個(gè)電容間隙沒有相對變化，故不產(chǎn)生差動(dòng)信號，因此能夠消除任何方向、頻率≤500Hz加速度≤1g的強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)的影響。
應(yīng)用現(xiàn)代工程材料與方法，使其工作溫度范圍擴(kuò)展至-200℃~+400C,而且不存在破裂、老化等問題，能夠承受得住高達(dá)100℃/s的熱沖擊。振動(dòng)舌的管壁很薄，因此靈敏度很高，即流速下限可以很低(介質(zhì)為水時(shí)，流速為0.2m/s);又因?yàn)檎駝?dòng)舌為圓簡形不銹鋼，機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可以耐高流速旋渦的壓力作用，所以流速上限較高(介質(zhì)為水時(shí)，流速為9m/s.介質(zhì)為蒸汽和氣體時(shí)，流速為75m/s)。由于兼顧了流速的兩個(gè)極端，因此量程比很.寬(最高可達(dá)40:1)。
2溫度壓力補(bǔ)償與測量系統(tǒng)
渦街流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，其直接檢測結(jié)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(zhì)變化所影響，因而是正確的，不需要任何溫度、壓力補(bǔ)償。但工程上測量蒸汽流量時(shí)習(xí)慣上以質(zhì)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Q(p,T)參數(shù)進(jìn)行折算:
而蒸汽密度Q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(dāng)壓力由1.IMPa上升到1.2MPa時(shí)，其密度約增大了10%,可見，蒸汽性質(zhì)變化或操作條件波動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的附加誤差。因此在體積流量檢測的同時(shí)還要進(jìn)行溫度壓力的檢測，也即通過T、p對Q進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償以消除系統(tǒng)的附加誤差，保證最終需要的檢測結(jié)果即質(zhì)量流量的正確率，而這些補(bǔ)償運(yùn)算工作均在流量積算儀中自動(dòng)完成。所以，應(yīng)用渦街流量計(jì)測量蒸汽流量時(shí)，溫度壓力補(bǔ)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(jì)、壓力變送器和熱電阻(P1100)的檢測而轉(zhuǎn)換為PFM脈沖、4~20mADC和電阻值信號，并同時(shí)輸入現(xiàn)場的智能流量積算儀進(jìn)行運(yùn)算和顯示，其讀數(shù)即為補(bǔ)償后的蒸汽質(zhì)量流量qm。
此外，由于蒸汽用戶分散并且距離較遠(yuǎn)，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(shù)，與上位計(jì)算機(jī)(智能終端)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將各測量點(diǎn)的計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綗崃镜闹鳈C(jī)中進(jìn)行監(jiān)控與儲(chǔ)存，可在主機(jī)中隨時(shí)查詢?nèi)魏我粋�(gè)用戶點(diǎn)的流量、壓力、溫度等參數(shù)和掉電情況，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)傳監(jiān)控管理，也成為企業(yè)信息化建設(shè)的一部分。
綜上所述，每個(gè)測量點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4。
3應(yīng)用實(shí)例
在50多個(gè)測量點(diǎn)中，下面是幾種典型的應(yīng)用例子。
3.1大流量、長管線
某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(diǎn)末端，有時(shí)蒸汽處于過熱與飽和的臨界狀態(tài)，但運(yùn)行一直很正常。
另一用戶麥芽公司的管線長約3km,在設(shè)計(jì)階段，由于對蒸汽用量估算不足，僅采用DN200電容式渦街，但實(shí)際使用時(shí)，其蒸汽用量大大超出原設(shè)計(jì)用量，正常30t/h左右，有時(shí)甚至達(dá)到40t/h以上。過大的流量，造成管線中的蒸汽流速極高(現(xiàn)場常可聽到管道中的銳嘯聲),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(yùn)行良好。
3.2大管道、小流量
根據(jù)長遠(yuǎn)的用汽規(guī)劃，鋪設(shè)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(zhǔn)確計(jì)量。為便于了解該渦街運(yùn)行情況，熱力公司在同一管道的供汽端加裝了--臺應(yīng)力式渦街流量計(jì)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(dá)5%~30%，顯然，這種數(shù)據(jù)已失去參考價(jià)值;后來換裝成電容式渦街，結(jié)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(diǎn)，因?yàn)檫@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(dá)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(shí)段(如做飯、洗澡時(shí)用量多,其余時(shí)間用量少)差異非常大，如果安裝傳統(tǒng)孔板流量計(jì)，需要2~3套進(jìn)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(fù)荷工作時(shí)，其用汽量可達(dá)到3t/h,當(dāng)處于用汽低峰時(shí)，其用汽量不足0.1t/h,所以要求流量計(jì)具有非常寬的量程比，否則將會(huì)造成小流量的丟失，但從現(xiàn)場安裝的DN80電容式渦街運(yùn)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(jì)量不準(zhǔn)而引起的糾紛。
3.4管道機(jī)械振動(dòng)
現(xiàn)場蒸汽管道總是存在一些振動(dòng)現(xiàn)象，由于機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或車輛行駛等引起的管道機(jī)械振動(dòng)更是難以避免，最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(yīng)力式渦街，結(jié)果常常能根據(jù)現(xiàn)場突變的檢測信號(反映為瞬時(shí)流量讀數(shù)急增)而準(zhǔn)確預(yù)測到大型車輛正在經(jīng)過，這說明其很容易受振動(dòng)干擾;后者安裝DN80電容式渦街流量計(jì)，其在同樣有大型車輛經(jīng)過時(shí)，其顯示值卻沒有什么變化，這證明其抗振動(dòng)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(jì),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(huì)對渦街形成頻繁沖擊，由此所引起的干擾也會(huì)增多，因此要求所用渦街具有較高的抗流速?zèng)_擊、抗熱沖擊和抗振動(dòng)干擾的能力。從現(xiàn)場觀察和計(jì)量數(shù)據(jù)分析看，該電容式渦街完全能適應(yīng)這一工況，儀表運(yùn)行一直正常。
4注意事項(xiàng)
渦街應(yīng)用效果是產(chǎn)品性能、選型、安裝的綜合反映。現(xiàn)就應(yīng)用中容易疏忽的幾個(gè)問題作一分析，以引起注意和重視。
(1)在設(shè)計(jì)選型階段，必須依據(jù)蒸汽的實(shí)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(yàn)表明，管路設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)造成精度下降(小流量丟失)甚至不能計(jì)量的后果;而根據(jù)參數(shù)選出的渦街口徑常常有小--檔的情況，這時(shí)安裝渦街需要一段同心縮管。
(2)安裝時(shí)必須嚴(yán)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(jì)的技術(shù)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(shí)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(shí)，表頭應(yīng)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(jié)束語
本測量系統(tǒng)的核心是差動(dòng)開關(guān)電容式渦街流量計(jì)，它對于測量是否成功起到?jīng)Q定性作用。幾年的應(yīng)用實(shí)踐表明，這種電容式渦街工作穩(wěn)定可靠，抗振動(dòng)干擾強(qiáng)，不存在應(yīng)力式渦街流量計(jì)那種對振動(dòng)的敏感性，其測量數(shù)據(jù)是可信的、是公正的，也沒有應(yīng)力式.渦街常因雷擊而損壞的這類問題;結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,沒有可動(dòng)部件，不存在磨損和堵塞問題，無需維護(hù)，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(dá)0.5%),且長期運(yùn)行幾乎不會(huì)改變,而精度的提高對于蒸汽計(jì)量有著明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。它的成功應(yīng)用，為解決熱力公司高溫蒸汽正確計(jì)量這個(gè)難;題提供一個(gè)非常有效的途徑。
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