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摘要:渦街流量計(jì)是現(xiàn)代石油化工行業(yè)中測量流量的重要工具之一;簡述了渦街流量計(jì)的測量原理和主要優(yōu)點(diǎn)，提供了渦街流量計(jì)的選型、安裝、使用和維護(hù)的建議;通過規(guī)范設(shè)計(jì)、合理選型、正確的安裝和維護(hù)，讓渦街流量計(jì)在石油化工行業(yè)中發(fā)揮更大的作用。
　　渦街流量計(jì)(VortexStreetFlowmeter，簡稱VSF)自20世紀(jì)70年代在工業(yè)上應(yīng)用以來，由于它具有一些突出的特點(diǎn)，受到用戶歡迎，并得到迅速發(fā)展。但在實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些預(yù)料不到的問題，這就是用戶對(duì)渦街流量計(jì)存在一些疑慮的的原因，它亟需探索解決。
1渦街流量計(jì)的測量原理
　　在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體)，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。
 
　　旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式:
 
式中:
U1———旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s
Sr———斯特勞哈爾數(shù);
m———旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
 
管道內(nèi)體積流量qv為:
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr(2)
K=f/qv=［πD2md/4Sr］-1(3)
式中:K———流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3(P/m3)
　　K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)。
 
　　圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖2可見，在ReD=2×104～7×106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為:
 
式中:qVn，qV———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃或20℃，101.325kPa)和工況下的體積流量，m3/h
Pn，P———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力，Pa
Tn，T———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K
Zn，Z———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)
　　由式(4)可見，渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)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)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的。
2渦街流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)
(1)渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便(與節(jié)流式差壓流量計(jì)相比較，不需要導(dǎo)壓管和三閥組等，在設(shè)計(jì)過程中無需考慮伴熱、密閉排放以及引壓所需要考慮的一系列問題);
(2)輸出為脈沖頻率，其頻率與被測量流體的實(shí)際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響;
(3)量程比寬，可達(dá)10∶1或20∶1(適用于工藝介質(zhì)流量變化范圍較大);
(4)壓損小(約為孔板流量計(jì)1/4～1/2)，無可動(dòng)部件，可靠性高;
(5)精度為中上水平，可適用液體、氣體和蒸汽。
3渦街流量計(jì)的選型
　　根據(jù)SH3005－1999《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定渦街流量計(jì)的選用，應(yīng)符合下列規(guī)定［2］:
(1)潔凈氣體、蒸汽和液體的流量測量。
(2)低流速及粘度大于20mPa·s液體的測量，不宜采用渦街流量計(jì)。
在工程設(shè)計(jì)中宜考慮下列情況:
(1)一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為4～5m/s。渦街流量計(jì)的正常流量最好在正常測量范圍的1/2～2/3處。
(2)液體適合于雷諾數(shù)20000以上，氣體和蒸汽適合于15000以上。
(3)口徑不宜過大，大口徑儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低。
(4)介質(zhì)溫度不宜過高，影響電子元件的使用壽命。
(5)脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流、兩相流的情況不適合使用渦街流量計(jì)。
(6)儀表縮徑不宜過大，縮徑將流速提高，同時(shí)也增加了阻力和背壓，容易出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。4
4.渦街流量計(jì)的安裝
4.1渦街流量計(jì)的安裝要求
根據(jù)SH/T3104－2000《石油化工儀表安裝設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定渦街流量計(jì)的安裝要求如下:
(1)測量液體時(shí)渦街流量計(jì)應(yīng)安裝于被測介質(zhì)完全充滿的管道上。
(2)渦街流量計(jì)在水平敷設(shè)的管道上安裝時(shí)，應(yīng)充分考慮介質(zhì)溫度對(duì)變送器的影響。
(3)渦街流量計(jì)在垂直管道上安裝時(shí)，應(yīng)符合以下規(guī)定:
①測量氣體時(shí)，流體可取任意流向
②測量液體時(shí)，液體應(yīng)自下而向上流動(dòng)。
(4)渦街流量計(jì)下游應(yīng)具有不小于5D(流量計(jì)直徑)的直管段長度，渦街流量計(jì)上游直管段長度應(yīng)符合以下規(guī)定:
①當(dāng)工藝管道直徑大于儀表直徑(D)需縮徑時(shí)，不小于15D;
②當(dāng)工藝管道直徑小于儀表直徑(D)需擴(kuò)徑時(shí)，不小于18D;
③流量計(jì)前具有一個(gè)90°彎頭或三通時(shí)，不小于20D;
④流量計(jì)前具有在同一平面內(nèi)的連續(xù)兩個(gè)90°彎頭時(shí)，不小于40D;
⑤流量計(jì)前具有不同平面內(nèi)的連接兩個(gè)90°彎頭時(shí)，不小于40D;
⑥流量計(jì)裝于調(diào)節(jié)閥下游時(shí)，不小于50D;
⑦流量計(jì)前裝有不小于2D長度的整流器，整流器前應(yīng)有2D，整流器后應(yīng)有不小于8D的直管段長度。
(5)被測液體中可能出現(xiàn)氣體時(shí)，應(yīng)安裝除氣器。
(6)渦街流量計(jì)應(yīng)安裝于不會(huì)引起液體產(chǎn)生氣化的位置。
(7)渦街流量計(jì)前后直管段內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑的偏差應(yīng)不大于3%。
(8)對(duì)有可能損壞檢測元件(旋渦發(fā)生體)的場所，管道安裝的渦街流量計(jì)應(yīng)加前后截止閥和旁路閥，插入式渦街流量計(jì)應(yīng)安裝切斷球閥。
(9)渦街流量計(jì)不宜安裝在有震動(dòng)的場所。
4.2渦街流量計(jì)的安裝要求
　　根據(jù)GB50093－2002《自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定渦街流量計(jì)的安裝要求如下:
　　渦街流量計(jì)信號(hào)線應(yīng)使用屏蔽線，上下游直管段的長度應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件要求，放大器與流量計(jì)分開安裝時(shí)，兩者之間的距離不應(yīng)超過20m。
在工程設(shè)計(jì)中宜考慮下列情況:
(1)垂直安裝時(shí)，向上流動(dòng)的流體能夠確保儀表總是滿管，且介質(zhì)中的固態(tài)成分能夠均勻分布。
(2)水平安裝時(shí)，液體避免U型安裝方式，氣體避免倒U型安裝方式。不同廠家的產(chǎn)品分體安裝有不同的參考溫度，還有的廠家?guī)�散熱片�?
(3)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)上游情況具體要求每臺(tái)渦街流量計(jì)的直管段。
(4)渦街流量計(jì)對(duì)安裝點(diǎn)上下游配管的直徑偏差和同軸度等有相應(yīng)要求，配管內(nèi)徑d與儀表的通徑D相同，滿足0.95d≤D≤1.1d。配管與流量計(jì)同心，同軸度應(yīng)小于0.05D。流量計(jì)與法蘭之間的密封墊不能凸入管道內(nèi)，其內(nèi)徑可比流量計(jì)內(nèi)徑略大。
(5)當(dāng)需要將實(shí)測壓力和溫度信號(hào)用于補(bǔ)償質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)流量時(shí)，在渦街流量計(jì)下游安裝壓力(下游4D)和溫度變送器(下游6D)。
(6)當(dāng)管道振動(dòng)時(shí)，應(yīng)加裝支撐物對(duì)管道進(jìn)行固定。(7)避免電磁干擾，應(yīng)考慮儀表等電位接地。
5渦街流量計(jì)的使用和維護(hù)
　　在使用渦街流量計(jì)過程中可能出現(xiàn)以下問題:①指示長期不準(zhǔn);②始終無指示;③小流量時(shí)無指示;④大流量時(shí)指示還可以，小流量時(shí)指示不準(zhǔn);⑤儀表K系數(shù)無法確定。
總結(jié)引起這些問題的主要原因，主要涉及到以下方面:
(1)選型方面的問題。有些渦街傳感器在口徑選型上或者在設(shè)計(jì)選型之后由于工藝條件變動(dòng)，使得選擇大了—個(gè)規(guī)格，實(shí)際選型應(yīng)選擇盡可能小的口徑，以提高測量精度，這方面的原因主要同問題①、②、③、④有關(guān)。例如，一條渦街管線設(shè)計(jì)上供幾個(gè)設(shè)備使用，由于工藝部分設(shè)備有時(shí)候不使用，造成目前實(shí)際使用流量減小，實(shí)際使用造成原設(shè)計(jì)選型口徑過大，相當(dāng)于提高了可測的流量下限，工藝管道小流量時(shí)指示無法保證，流量大時(shí)還可以使用。宜使用縮徑型渦街流量計(jì)。(2)安裝方面的問題。主要是傳感器前面的直管段長度不夠，影響測量精度，這方面的原因主要同問題①有關(guān)。例如:當(dāng)傳感器前面直管段明顯不足，用于控制時(shí)精度下降，用于計(jì)量時(shí)誤差較大。應(yīng)使用整流器。
(3)工藝參數(shù)的問題。由于參數(shù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致儀表指示有誤.這方面的原因主要同問題①有關(guān)。應(yīng)與工藝系統(tǒng)專業(yè)協(xié)商，對(duì)選型參數(shù)進(jìn)行核實(shí)。由于理論工況與實(shí)際工況不可能完全一致，故小范圍的誤差是有可能的。
(4)線路連接的問題。部分回路表面上看線路連接很好，仔細(xì)檢查，有的接頭實(shí)際已松動(dòng)造成回路中斷，有的接頭雖連接很緊但緊固螺釘卻緊固在線皮上，也使得回路中斷，這部分原因主要同問題②有關(guān)。宜選擇業(yè)績好的產(chǎn)品
(5)使用環(huán)境的問題。尤其是安裝在地井中的傳感器部分，由于環(huán)境濕度大，造成線路板受潮，這部分原因主要同問題②有關(guān)。應(yīng)使用分體式安裝方式。
(6)K系數(shù)標(biāo)定的問題。K系數(shù)只能依據(jù)廠家提供的資料，由于廠家本身的一些變動(dòng)，造成提供的幾處資料上K系數(shù)不—致，影響了問題解決。建議供貨商提供最終的標(biāo)定校核書，并根據(jù)標(biāo)定校核書對(duì)相應(yīng)的儀表量程范圍做最后修訂(最好寫到標(biāo)書中，要求標(biāo)定校核書隨供貨清單一起發(fā)到施工現(xiàn)場)。
6結(jié)語
　　通過多個(gè)工程項(xiàng)目的實(shí)踐證明，只要對(duì)渦街流量計(jì)的性能、特點(diǎn)有了全面深入的了解，有了應(yīng)付各種情況的方法，渦街流量計(jì)一定會(huì)成為流量測量中的得力助手;選用渦街流量計(jì)或其它管道式流量計(jì)，具有相當(dāng)?shù)暮侠硇裕�可以有效的減少設(shè)計(jì)的工程量和提高整體水平。

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