智能涡街流量计及其在蒸汽计量中的应用

一、智能涡街流量计原理

    智能涡街流量计是利用卡门原理和压电技术制造的速度式流量计，传感器输出的频率值与管道中介质流速成正比：

 

式中：F——流量脉冲频率，Hz；U——管道内流体平均流速，m/s；d——漩涡发生体迎流面宽度，m；D——传感器壳体内径，m；Sr——施特劳哈尔数（无量纲）；ρ——被测介质密度，kg/m³；Q_V——工况下的体积流量，m³/h；Q_G——工况下的质量流量，kg/h；K——涡街流量传感器仪表系数，N/m³。

    仪表系数K是流过传感器单位体积流量所产生的脉冲个数n。每台传感器的K值是经过计量检定装置检定后给出的值，并且是对传感器内所有几何尺寸和物理量进行系统检定。K值大小随口径变化而变化，同口径K值较接近。

    传感器压力损失：

（5）

    式中：ΔP——管道压力损失，Pa。

    蒸汽密度如下：

    1.过热蒸汽密度由压力和温度共同决定，查温度、压力密度表，能准确得到过热蒸汽的密度。

    2.饱和蒸汽密度由压力或温度决定，其温度、压力密度一一对应，查温度或压力密度表，均能得到准确密度，由于温度反映滞后（3~5）s，而压力在0.2s即能反映，所以用压力得到密度更为及时。温度分辨率比压力低。

    3.湿饱和汽、汽水混合介质现没有密度表，无法查得或算得密度。

    二、涡街流量传感器特点

    1.量程范围

    涡街流量传感器量程在很小范围时，准确度可达0.5级或更高，量程范围增大，准确度下降。用于气体计量，好的传感器在1.5级准确度时，量程比可达1∶20~1∶25，即流速为（3~75）m/s。一般传感器量程比只有1∶8~1∶10。

    2.重复性

    JJG198-1994《速度式流量计》检定规程规定，传感器每个流量点要检测3次，找出最大差值，取全量程所有检测点（一般有5~6个点）的最大差值为重复性，一般为0.2%或0.3%。

    3.压损

    涡街流量传感器压力损失很小，例如：当饱和蒸汽压力为0.6MPa、流速为30m/s时，其压力损失为3963.7Pa。

    4.稳定性

    涡街流量传感器结构简单，没有磨损、运动、位移部件，稳定性很好。经过两个检定周期（4年）后，其准确度、重复性和仪表系数仍能达到出厂指标。

    5.维护

    传感器的探头是将涡流的压力信号转换成电信号（频率信号），检测放大板是将探头的频率信号整形成脉冲信号，与探头频率等值送出到显示仪表。

    更换检测放大板不影响计量准确度等指标，即使更换探头，在按照工艺要求的前提下，也能保证技术指标。在检定周期内不需调整、校准传感器的任何部件。

    6.振动

    涡街流量传感器是靠振动产生频率信号，在有强振动环境内，振动产生信号大于流体产生信号，且检测放大板又无法消除振动信号时，传感器不能准确计量，由于振动此传感器在无流量时仍有频率输出，此为涡街流量传感器最大缺点。

    7.检定

    涡街流量传感器的检定应在国家质检总局授权的计量检定标准装置上，按JJG1029-2007《涡街流量计》检定规程进行检定，在量程范围内取5~6个流量点，检定线性误差、重复性、平均仪表系数等指标。由于不同检定装置之间也存在一定的误差，因此，同一传感器在不同计量检定装置上的检定结果不可能完全相同。

    三、涡街流量计在蒸汽计量中的准确使用

    1.传感器选型

    涡街流量传感器不同于其他流量传感器，每一口径涡街流量传感器流量范围是固定的，不能调整。因此，它要根据流量选口径，选型时应在工况压力、温度下，先确定要测的流量范围，再选择能覆盖此流量范围口径的流量传感器。

    在蒸汽密度小时传感器流量范围窄，密度大时传感器流量范围宽。

    若选择不当，当实际流量大于传感器上限时，容易造成探头损坏，丢漏脉冲，少计量。实际流量超上限越多，丢漏脉冲越多，计量越少。

    当实际流量小于传感器下限时，传感器计量很少，或不计量。

    在以上两种情况下长期使用会造成很大损耗。

    2.传感器适用介质

    涡街流量传感器只适用于单相介质，在供热系统中，同一时间只能对过热蒸汽、饱和蒸汽和热水3种中的一种介质进行计量。

    在供热系统中，热电厂送出的大部分是过热蒸汽，随着蒸汽在管道内流动，温度不断下降，过热蒸汽逐渐变为饱和蒸汽，在管道末端或用汽量很小的情况下，蒸汽还会变为湿饱和汽、汽水混合介质，甚至是水。

    由式（4）得知，蒸汽质量流量取决于传感器输出频率F（管道流速）和蒸汽密度ρ，仪表系数K随传感器为定值，频率F随用汽量大小而变化，蒸汽密度ρ在过热和饱和蒸汽中，随压力和（或）温度变化，可查表得到。湿饱和汽、汽水混合介质无表可查，无法得到密度；流体也不是单相介质，而实际使用中只能按饱和汽计量，因此产生误差极大。

    例如：0.7MPa、300℃过热蒸汽的密度为3.08kg/m³；0.7MPa的饱和蒸汽密度为4.16kg/m³；水的密度为1000kg/m³；由此可知，0.7MPa湿饱和汽，汽水混合介质密度介于（4.16~1000）kg/m³之间，当传感器测过热蒸汽为1m³时，流量计计量结果为3.08kg，当传感器测饱和蒸汽为1m³时，流量计计量结果为4.16kg，在这种情况下，传感器通过1m³水而不是饱和蒸汽，流量计计量仍是4.16kg，而不是实际的1000kg。大于饱和蒸汽密度的湿饱和汽、汽水混合介质，仍按饱和蒸汽密度4.16kg/m³计算，因为湿饱和汽、汽水混合介质没有密度表。

    热网管道除去跑冒滴漏情况外，很大损耗就来自这种情况，处理不好管损能达到25%~30%。若供热管道末端有不间断用汽的大用户，此情况可避免。

    3.压损对计量的影响

    在热网管道中有很多阀门和减压阀，它们都能改变管道压力。涡街流量计不是质量流量计，它计量蒸汽质量取决于管道流速和蒸汽密度，而密度由压力决定，改变压力就是改变密度，在刚开启阀门时还改变管道流速，这几种情况都会使计量产生误差。

    例如：供热管道饱和蒸汽压力为0.8MPa，密度为4.655kg/m³；1m³体积质量为4.655kg；当经过减压阀或阀门后压力减为0.2MPa，密度为1.65kg/m³，1m³体积质量为1.65kg；1m³体积比未减压时少计量3kg。

    因此，为保证计量准确，流量计前阀门要全开，减压阀放在流量计之后。

    4.安装

    涡街流量传感器要安装在被测介质的管道上，管道内要充满介质，传感器前后直管段、管道与法兰的气割、电焊严格按要求安装，并确保管道内流体经过传感器时平稳，不能出现任何搅乱平稳流体、干扰传感器产生的涡流情况，否则将影响计量准确度。

    5.大口径大流量传感器的准确性

    对大口径传感器的检定，由于受现有检定装置检定能力的限制，只能在小流量（低流速）下进行检定，大流量（高流速）下无法进行检定，这样大流量只有在实际使用中发现问题。由于受技术、生产工艺和检测手段等方面的限制，有些厂家的传感器在35m/s时就丢漏脉冲，流量（流速）越大，丢漏脉冲越多。出现此种情况，每天误差和每月累计损失蒸汽将很大。