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渦街流量計(jì)在蒸汽流量測量中的應(yīng)用
日期：2025-10-21 06:39
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摘要：
對如今廣泛應(yīng)用的熱電聯(lián)產(chǎn)，蒸汽計(jì)量不僅關(guān)系到能源的統(tǒng)計(jì)和考核，還直接關(guān)系到產(chǎn)汽單位和用汽單位的經(jīng)濟(jì)效益。目前工業(yè)上使用的流量計(jì)品種很多，由于渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便，已被廣泛應(yīng)用。本文就渦街流量計(jì)在蒸汽計(jì)量應(yīng)用中的若干問題進(jìn)行分析。
1 工作原理
渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中有名的卡門渦街流量原理。
如圖1所示，在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），隨著流體沿旋渦發(fā)生體流動(dòng)的速度加快，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦。
由于旋渦之間的相互影響，這些渦列多數(shù)是不穩(wěn)定的，卡門對渦列的穩(wěn)定性條件進(jìn)行了研究并得到結(jié)論：只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且當(dāng)兩旋渦列之間的距離h和同列的兩旋渦之間距離l之比滿足：h/l=0.281時(shí)，這樣的渦街列才是穩(wěn)定的（圖1）。
2.1 質(zhì)量流量計(jì)算公式
渦街流量計(jì)是根據(jù)旋渦脫離旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的關(guān)系來測量流量的儀表，根據(jù)卡門渦街原理，旋渦頻率f與管道內(nèi)平均流速v有如下關(guān)系：
f=St * v/d
式中：St是斯特勞哈爾數(shù)，d是旋渦發(fā)生體的特征寬度。
由上式可見f與管流流速成正比。由上式可得被測流體的瞬時(shí)流量和質(zhì)量流量公式：
K=f/Q
由上式可得：
M=Q*ρ=fρ/K
交替產(chǎn)生的旋渦數(shù)通過壓電元件檢測出頻率f，經(jīng)電子線路檢測后輸出到儀表單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理并顯示流體流量。
2.2 溫度壓力補(bǔ)償
對于使用渦街流量計(jì)測量流體體積流量，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，因而是準(zhǔn)確的，不需要任何溫度、壓力補(bǔ)償。
但在實(shí)際生產(chǎn)中，一般測量蒸汽流量時(shí)習(xí)慣上以質(zhì)量流量作為結(jié)算方式，單位用kg/h或t/h表示。所以上述體積流量Q需要引入蒸汽密度ρ（P，T）參數(shù)進(jìn)行折算：
M(P,T)=Q*ρ(P,T)
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(dāng)壓力由1.1MPa上升到1.2MPa時(shí)，其密度約增大了10%，如表1所示。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ρ進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償以消除系統(tǒng)的附加誤差，保證*終需要的檢測結(jié)果即質(zhì)量流量的準(zhǔn)確性，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。
3 現(xiàn)場安裝注意事項(xiàng)及我司安裝情況
渦街流量計(jì)有多種結(jié)構(gòu)形式，安裝人員必須了解所裝儀表的具體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。
3.1 選擇合理的安裝場所
安裝場所應(yīng)避開強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備等；避免安裝在高溫和強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中；避免安裝在強(qiáng)烈震動(dòng)的地方，而且應(yīng)選擇方便安裝、布線和維修的地點(diǎn)。我司的蒸汽用戶為糖廠、紙廠、方便面廠等，安裝環(huán)境相對來說較好，但由于設(shè)備多安放于露天，為了保護(hù)設(shè)備，均加裝了鐵罩。
3.2 上下游配管應(yīng)滿足安裝要求
在管路上選擇安裝位置時(shí)應(yīng)保證上游直管段的長度大于15D，且應(yīng)盡量的增加上游直管段的長度。對于同心擴(kuò)大管，上游直管段的長度應(yīng)大于40D，而同心收縮管，上游直管段的長度應(yīng)大于20D。下游直管段的長度應(yīng)保證大于5D。要注意調(diào)節(jié)閥在小流量時(shí)易產(chǎn)生射流，閥后安裝流量計(jì)直管段過短會(huì)造成渦銜流量計(jì)工作不穩(wěn)定。蒸汽用戶多位于工業(yè)園里，蒸汽管路均有較長的直管段，直管段都在100D以上。
3.3 減振措施
渦街流量計(jì)是以流體振動(dòng)原理工作的，因此傳感器安裝應(yīng)避開強(qiáng)烈振動(dòng)，特別是橫向的振動(dòng)，會(huì)給儀表帶來干擾信號(hào)。如儀表裝在震動(dòng)較強(qiáng)的管道上，則應(yīng)采取減振措施，在傳感器上安裝防振座并加防振墊。由于現(xiàn)場沒有較大的振動(dòng)源，因此未加裝減振措施。
3.4 取溫點(diǎn)和取壓點(diǎn)的安裝
實(shí)施流體溫度、壓力補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)合理選擇溫度、壓力測口的位置。上游如果有插入式測溫元件，會(huì)產(chǎn)生頻率很高的旋渦，類似閥門干擾，因此必須遠(yuǎn)離流量計(jì)，一般取溫點(diǎn)都安裝在流量計(jì)后，因?yàn)榱髁坑?jì)前后基本不會(huì)有多大的溫差，完全能滿足溫度測量的要求。而安裝取壓點(diǎn)時(shí)孔不必開得很大，也不能有焊渣探入到管邊中，更不允許取壓管有伸入管內(nèi)的情況發(fā)生。如圖2所示。
如選用的是管道式的渦街流量計(jì)，為了不斷流地檢查或清洗流量計(jì)，一般可加裝旁路管道。而對于插入式的渦街流量計(jì)，則可在不斷流的情況下將其拆出清洗或更換。我司選用的均為插入式的渦街流量計(jì)，因此并未安裝旁路。插入式的渦街流量計(jì)安裝和維護(hù)都比較方便，能在不影響蒸汽用戶生產(chǎn)的情況下對其進(jìn)行維護(hù)。
3.6 接地
接地應(yīng)遵循一點(diǎn)接地原則，接地電阻應(yīng)小于10Ω，整體型和分離型的渦街流量計(jì)都應(yīng)在傳感器一側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)也應(yīng)與傳感器同地。
4 維護(hù)及應(yīng)用
4.1 日常維護(hù)
（1）渦街流量計(jì)一般安裝于室外，條件允許的話可加裝鐵硼，或安裝不銹鋼保護(hù)箱來保護(hù)。
（2）一般檢查：檢查主管道上各法蘭、閥門、測壓孔、測溫孔及接頭應(yīng)無滲漏現(xiàn)象，管道的振動(dòng)情況是否符合使用說明書的規(guī)定。
（3）如渦街流量計(jì)測量數(shù)值偏低，則應(yīng)首先檢查管路是否有漏汽或漏水的情況，再則輕敲流量計(jì)與管道的連接處，看流量數(shù)值是否有變化。或者測量探頭的電容，如果偏低，則應(yīng)更換探頭。
（4）如渦街流量計(jì)測量數(shù)值偏大，則應(yīng)首先檢查管路是否存在震動(dòng)和屏蔽線是否接觸**。在沒有使用蒸汽的情況下仍有較大的流量數(shù)值，則需由相關(guān)部門對設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)。
4.2 蒸汽測量的應(yīng)用
對于用戶數(shù)量不多且距離不算太遠(yuǎn)的蒸汽用戶，我們可以使用無紙記錄儀，對每位蒸汽用戶的流量、累積流量、壓力、溫度等參數(shù)和掉電情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄并保存，定期對無紙記錄儀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝和備份，以查看用戶的使用情況。
如果蒸汽用戶數(shù)量較多且距離較遠(yuǎn)，則會(huì)不方便管理，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)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)綗犭姽镜腄CS系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控與儲(chǔ)存，可在主機(jī)中隨時(shí)查看到任何一個(gè)用戶的流量、累積流量、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。
5 結(jié)語
渦街流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單牢固、維護(hù)方便，輸出脈沖信號(hào)與流量成正比，無零點(diǎn)漂移，壓力損失較小等的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展較快，應(yīng)用不斷擴(kuò)大。了解渦街流量計(jì)的工作原理，了解現(xiàn)場安裝及應(yīng)用的基本知識(shí)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可發(fā)揮渦街流量計(jì)的優(yōu)勢，更好的服務(wù)于工業(yè)測量領(lǐng)域。
1 工作原理
渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中有名的卡門渦街流量原理。
如圖1所示，在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），隨著流體沿旋渦發(fā)生體流動(dòng)的速度加快，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦。
由于旋渦之間的相互影響，這些渦列多數(shù)是不穩(wěn)定的，卡門對渦列的穩(wěn)定性條件進(jìn)行了研究并得到結(jié)論：只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且當(dāng)兩旋渦列之間的距離h和同列的兩旋渦之間距離l之比滿足：h/l=0.281時(shí)，這樣的渦街列才是穩(wěn)定的（圖1）。
圖1 卡門旋渦
2.1 質(zhì)量流量計(jì)算公式
渦街流量計(jì)是根據(jù)旋渦脫離旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的關(guān)系來測量流量的儀表，根據(jù)卡門渦街原理，旋渦頻率f與管道內(nèi)平均流速v有如下關(guān)系：
f=St * v/d
式中：St是斯特勞哈爾數(shù)，d是旋渦發(fā)生體的特征寬度。
由上式可見f與管流流速成正比。由上式可得被測流體的瞬時(shí)流量和質(zhì)量流量公式：
K=f/Q
由上式可得：
M=Q*ρ=fρ/K
交替產(chǎn)生的旋渦數(shù)通過壓電元件檢測出頻率f，經(jīng)電子線路檢測后輸出到儀表單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理并顯示流體流量。
2.2 溫度壓力補(bǔ)償
對于使用渦街流量計(jì)測量流體體積流量，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，因而是準(zhǔn)確的，不需要任何溫度、壓力補(bǔ)償。
但在實(shí)際生產(chǎn)中，一般測量蒸汽流量時(shí)習(xí)慣上以質(zhì)量流量作為結(jié)算方式，單位用kg/h或t/h表示。所以上述體積流量Q需要引入蒸汽密度ρ（P，T）參數(shù)進(jìn)行折算：
M(P,T)=Q*ρ(P,T)
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(dāng)壓力由1.1MPa上升到1.2MPa時(shí)，其密度約增大了10%，如表1所示。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ρ進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償以消除系統(tǒng)的附加誤差，保證*終需要的檢測結(jié)果即質(zhì)量流量的準(zhǔn)確性，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。
表1 飽和蒸汽密度表 
3 現(xiàn)場安裝注意事項(xiàng)及我司安裝情況
渦街流量計(jì)有多種結(jié)構(gòu)形式，安裝人員必須了解所裝儀表的具體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。
3.1 選擇合理的安裝場所
安裝場所應(yīng)避開強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備等；避免安裝在高溫和強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中；避免安裝在強(qiáng)烈震動(dòng)的地方，而且應(yīng)選擇方便安裝、布線和維修的地點(diǎn)。我司的蒸汽用戶為糖廠、紙廠、方便面廠等，安裝環(huán)境相對來說較好，但由于設(shè)備多安放于露天，為了保護(hù)設(shè)備，均加裝了鐵罩。
3.2 上下游配管應(yīng)滿足安裝要求
在管路上選擇安裝位置時(shí)應(yīng)保證上游直管段的長度大于15D，且應(yīng)盡量的增加上游直管段的長度。對于同心擴(kuò)大管，上游直管段的長度應(yīng)大于40D，而同心收縮管，上游直管段的長度應(yīng)大于20D。下游直管段的長度應(yīng)保證大于5D。要注意調(diào)節(jié)閥在小流量時(shí)易產(chǎn)生射流，閥后安裝流量計(jì)直管段過短會(huì)造成渦銜流量計(jì)工作不穩(wěn)定。蒸汽用戶多位于工業(yè)園里，蒸汽管路均有較長的直管段，直管段都在100D以上。
3.3 減振措施
渦街流量計(jì)是以流體振動(dòng)原理工作的，因此傳感器安裝應(yīng)避開強(qiáng)烈振動(dòng)，特別是橫向的振動(dòng)，會(huì)給儀表帶來干擾信號(hào)。如儀表裝在震動(dòng)較強(qiáng)的管道上，則應(yīng)采取減振措施，在傳感器上安裝防振座并加防振墊。由于現(xiàn)場沒有較大的振動(dòng)源，因此未加裝減振措施。
3.4 取溫點(diǎn)和取壓點(diǎn)的安裝
實(shí)施流體溫度、壓力補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)合理選擇溫度、壓力測口的位置。上游如果有插入式測溫元件，會(huì)產(chǎn)生頻率很高的旋渦，類似閥門干擾，因此必須遠(yuǎn)離流量計(jì)，一般取溫點(diǎn)都安裝在流量計(jì)后，因?yàn)榱髁坑?jì)前后基本不會(huì)有多大的溫差，完全能滿足溫度測量的要求。而安裝取壓點(diǎn)時(shí)孔不必開得很大，也不能有焊渣探入到管邊中，更不允許取壓管有伸入管內(nèi)的情況發(fā)生。如圖2所示。
圖2 溫度和壓力補(bǔ)償時(shí)的安裝位置
如選用的是管道式的渦街流量計(jì)，為了不斷流地檢查或清洗流量計(jì)，一般可加裝旁路管道。而對于插入式的渦街流量計(jì)，則可在不斷流的情況下將其拆出清洗或更換。我司選用的均為插入式的渦街流量計(jì)，因此并未安裝旁路。插入式的渦街流量計(jì)安裝和維護(hù)都比較方便，能在不影響蒸汽用戶生產(chǎn)的情況下對其進(jìn)行維護(hù)。
3.6 接地
接地應(yīng)遵循一點(diǎn)接地原則，接地電阻應(yīng)小于10Ω，整體型和分離型的渦街流量計(jì)都應(yīng)在傳感器一側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)也應(yīng)與傳感器同地。
4 維護(hù)及應(yīng)用
4.1 日常維護(hù)
（1）渦街流量計(jì)一般安裝于室外，條件允許的話可加裝鐵硼，或安裝不銹鋼保護(hù)箱來保護(hù)。
（2）一般檢查：檢查主管道上各法蘭、閥門、測壓孔、測溫孔及接頭應(yīng)無滲漏現(xiàn)象，管道的振動(dòng)情況是否符合使用說明書的規(guī)定。
（3）如渦街流量計(jì)測量數(shù)值偏低，則應(yīng)首先檢查管路是否有漏汽或漏水的情況，再則輕敲流量計(jì)與管道的連接處，看流量數(shù)值是否有變化。或者測量探頭的電容，如果偏低，則應(yīng)更換探頭。
（4）如渦街流量計(jì)測量數(shù)值偏大，則應(yīng)首先檢查管路是否存在震動(dòng)和屏蔽線是否接觸**。在沒有使用蒸汽的情況下仍有較大的流量數(shù)值，則需由相關(guān)部門對設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)。
4.2 蒸汽測量的應(yīng)用
對于用戶數(shù)量不多且距離不算太遠(yuǎn)的蒸汽用戶，我們可以使用無紙記錄儀，對每位蒸汽用戶的流量、累積流量、壓力、溫度等參數(shù)和掉電情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄并保存，定期對無紙記錄儀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝和備份，以查看用戶的使用情況。
如果蒸汽用戶數(shù)量較多且距離較遠(yuǎn)，則會(huì)不方便管理，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)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)綗犭姽镜腄CS系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控與儲(chǔ)存，可在主機(jī)中隨時(shí)查看到任何一個(gè)用戶的流量、累積流量、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。
5 結(jié)語
渦街流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單牢固、維護(hù)方便，輸出脈沖信號(hào)與流量成正比，無零點(diǎn)漂移，壓力損失較小等的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展較快，應(yīng)用不斷擴(kuò)大。了解渦街流量計(jì)的工作原理，了解現(xiàn)場安裝及應(yīng)用的基本知識(shí)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可發(fā)揮渦街流量計(jì)的優(yōu)勢，更好的服務(wù)于工業(yè)測量領(lǐng)域。
