高流速蒸汽對(duì)渦街流量計(jì)的影響

   目前，渦街流量計(jì)廣泛運(yùn)用在蒸汽計(jì)量上。渦街流量計(jì)是一種發(fā)展比較成熟的流量計(jì)，其主要優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)用較低，量程比一般在10∶1以上，精度也相對(duì)較高，測(cè)量氣體一般在1.0級(jí)到1.5級(jí)之間，測(cè)量液體一般在1.0級(jí)。

   在多年的檢定工作中，我們發(fā)現(xiàn)有人使用了一個(gè)蒸汽渦街流量計(jì)的漏洞，在保持渦街流量計(jì)計(jì)量管段原封不動(dòng)的情況下，只在蒸汽出口處做文章，即可致使渦街流量計(jì)計(jì)量嚴(yán)重偏小。

   圖1中我們看到在渦街流量計(jì)計(jì)量段，沒(méi)有任何修改，而在其后的大型儲(chǔ)氣罐卻大有文章。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力變化來(lái)對(duì)前后閥門(mén)分別進(jìn)行自動(dòng)控制，從而進(jìn)行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環(huán)操作。整個(gè)循環(huán)過(guò)程是：開(kāi)始時(shí)，儲(chǔ)氣罐是空的，閥門(mén)1、閥門(mén)2都關(guān)閉。然后閥門(mén)1快速打開(kāi)，上游0.8MPa的過(guò)和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲(chǔ)氣罐充氣漸滿，壓力升高至一定壓力后，關(guān)閉閥門(mén)1，打開(kāi)閥門(mén)2，讓儲(chǔ)氣罐中蒸汽排出以供使用。這樣操作的目的主要是使大部分流過(guò)渦街流量計(jì)的蒸汽以極高流速通過(guò)。

   為什么這樣會(huì)使蒸汽流速達(dá)到非常高的程度呢？而渦街流量計(jì)在高流速下計(jì)量會(huì)有什么問(wèn)題呢？

1 分析蒸汽的流速

   臨界壓力比是分析管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)重要數(shù)值，蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進(jìn)口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時(shí)，在臨界截面上，蒸汽流速達(dá)到臨界值音速c。

   當(dāng)過(guò)流氣體為過(guò)熱蒸汽時(shí)：k=1.3，γcr=0.546

   pcr稱(chēng)為：臨界壓力。

   所以我們得到：通過(guò)降低背壓比，能讓通過(guò)蒸汽的流速提升到相對(duì)于渦街流量計(jì)來(lái)說(shuō)非常高的程度，甚至達(dá)到音速，過(guò)熱蒸汽音速可以達(dá)到500m/s以上。

   從熱網(wǎng)過(guò)來(lái)的蒸汽壓力一般高于0.8MPa，而在儲(chǔ)氣罐開(kāi)始充氣時(shí)，罐內(nèi)壓力幾乎為常壓。根據(jù)蒸汽的臨界流原理。蒸汽管道和容器的前后壓力比只要低于臨界壓力比γcr=0.546，那么管內(nèi)蒸汽的流速將達(dá)到音速。在這個(gè)案例里，儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力按充氣階段中后期才逐漸升高到的0.4MPa來(lái)計(jì)算，背壓比為0.5。也就是說(shuō)，在大部分蒸汽通過(guò)階段，背壓比都小于0.546，蒸汽的流速都保持在音速，音速是大大超過(guò)渦街流量計(jì)測(cè)量流速上限的。通過(guò)這樣一個(gè)辦法，即能大幅度提高通過(guò)渦街流量計(jì)的蒸汽流速，致使渦街流量計(jì)計(jì)量嚴(yán)重偏少。不法用戶還狡辯，我的所有計(jì)量器具都通過(guò)了國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的檢定。確實(shí)，這種情況，單是檢定流量計(jì)是無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的。我們可以判斷，介質(zhì)的高流速對(duì)渦街流量計(jì)的計(jì)量性能產(chǎn)生了很大的影響致使其計(jì)量不準(zhǔn)。為什么這么說(shuō)呢？我們?cè)賮?lái)分析氣體的高流速對(duì)渦街流量計(jì)的影響。

2 渦街流量計(jì)工作原理

   在流體中安放漩渦發(fā)生體，流體在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分列出兩列有規(guī)律的交錯(cuò)排列的漩渦，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，改漩渦的頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸有關(guān)，所產(chǎn)生的漩渦頻率f 正比于流量，此頻率可由各種傳感器檢出。

   渦街流量計(jì)就是利用卡門(mén)渦街原理，得到如下關(guān)系：

   式中：b ——阻流件的寬度，m； ——流經(jīng)流量計(jì)的流體平均流速，m/s；f ——漩渦的頻率，Hz；Sr ——斯特羅哈爾數(shù)（無(wú)量綱）。

   斯特羅哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù)，它與漩渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)。圖3所示為三角柱漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系。

圖3 斯物勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

   由圖3可見(jiàn)，在Re D=2×104～7×106范圍內(nèi) ，斯特勞哈爾數(shù)可視為常數(shù)。我們使用的渦街流量計(jì)都是在斯特勞哈爾數(shù)視為常數(shù)的這個(gè)范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的。因此我們使用渦街流量計(jì)時(shí)一定要避免測(cè)量介質(zhì)的雷諾數(shù)在2×104～7×106這個(gè)范圍外，超過(guò)這個(gè)范圍，斯特勞哈爾數(shù)不再是常數(shù)，渦街流量計(jì)測(cè)得的頻率與流速也不再是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。也就是說(shuō)，超過(guò)雷諾數(shù)2×104～7×106這個(gè)范圍，便違反了渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理，這時(shí)候渦街流量計(jì)是不能正常計(jì)量的。因?yàn)槔字Z數(shù)與介質(zhì)流速有關(guān)，所以我們具體到介質(zhì)流速的話，對(duì)于蒸汽來(lái)說(shuō)，渦街流量計(jì)的流速測(cè)量范圍控制在5m/s～60m/s之間，好的渦街流量計(jì)量程上限最多再往上延伸20%。因此在選型渦街流量計(jì)的口徑和流量測(cè)量范圍時(shí)，要保證滿足這個(gè)流速限定。絕大部分渦街流量計(jì)對(duì)于高流速介質(zhì)是沒(méi)有辦法計(jì)量的。所以上訴案例中，用普通渦街流量計(jì)去計(jì)量音速下的蒸汽，得到的結(jié)果是完全不可信，不能用的。

   渦街流量計(jì)是一種數(shù)字儀表，是通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)漩渦頻率的。流量計(jì)的電氣性能必須要工作在適宜它的條件下。我們來(lái)看看在高流速下，渦街流量計(jì)檢測(cè)漩渦頻率的情況。引用一個(gè)高流速下渦街流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)在采用在線實(shí)時(shí)頻譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：在口徑為DN80及其以下的管線上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高于80m/s的高流速，其中有近一半的出現(xiàn)超過(guò)100m/s的高流速，更有甚者，流速高達(dá)180m/s。一般的渦街流量計(jì)在通過(guò)介質(zhì)流速過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的漏波現(xiàn)象，因而產(chǎn)生難以估算的誤差。

   從圖4上看漏波的結(jié)果就是檢測(cè)到的脈沖不再連續(xù)，發(fā)生了漏缺。所以這種情況下，測(cè)量結(jié)果的趨勢(shì)是一般都是偏小。在高流速下，漩渦發(fā)生體后的流體運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜。渦街傳感器檢測(cè)信號(hào)需要一定的清晰度，如果流速過(guò)高，流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。此時(shí)傳感器將受到嚴(yán)重干擾，目標(biāo)信號(hào)清晰度急劇下降，使渦街流量傳感器測(cè)不準(zhǔn)或者測(cè)不到。

   我們可以看到，高流速下的渦街流量計(jì)的漏波十分明顯，正是利用了渦街的這個(gè)漏洞，讓渦街流量計(jì)在超高流速下大量漏波，致使最后得到的流量遠(yuǎn)小于實(shí)際流量。

   除了是上述案例中的裝置，還有一種把蒸汽直接放入水池中加熱水的熱水站，采用了手段這些都是為了設(shè)法讓蒸汽出口的壓力驟降，得到突然變小的背壓比，以大大提高蒸汽的流速。即使達(dá)不到音速，也遠(yuǎn)高于渦街流量計(jì)的測(cè)量上限，導(dǎo)致渦街流量計(jì)的不正常工作。因此為了保證渦街流量計(jì)正常計(jì)量，我們必須重視渦街流量計(jì)的測(cè)量范圍，管內(nèi)流速必須限定在渦街流量計(jì)的測(cè)量范圍以內(nèi)。

   對(duì)于那些在后端搞壓力驟降提高蒸汽流速的，可以想辦法把蒸汽流速限定在合理范圍內(nèi)。比如采用限流裝置，在渦街流量計(jì)后方管線上安裝臨界流文丘里噴嘴。

   當(dāng)蒸汽通過(guò)臨界流文丘里噴嘴時(shí)，在噴嘴上、下游壓力比如果小于或等于該噴嘴的臨界壓力比時(shí)，噴嘴喉部形成臨界狀態(tài)，流過(guò)噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量達(dá)到最大。這時(shí)蒸汽的質(zhì)量流量不受下游狀態(tài)變化的影響。根據(jù)這個(gè)原理，我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會(huì)發(fā)生壓力驟降的管段前，就能穩(wěn)穩(wěn)的限死上游通過(guò)渦街流量計(jì)的最大流量了。而選用文丘里噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。