关于超高温锅炉新型数字智能涡街流量计的分析与研究

　 涡街流量计是根据“卡门漩涡”原理制成的流量测量仪表。当一稳定的流体流经有一定长度的直管道时，撞击沉浸在流体中的非线性柱体，在流体的下游会产生漩涡（即卡门漩涡）。当流体的雷诺数（Re）在一定的范围内，漩涡的发生规律是稳定可靠的，漩涡发生的频率F由公式：F=(St * V)/d 确定其中，V为流速； d为柱体迎流面的宽度；St为斯特罗哈数。涡街流量计可**用于大、中、小型各种管道给排水、工业循环、污水处理，油类及化学试剂以及压缩空气、饱和及过热蒸汽、天然气及各种介质流量的计量。

涡街流量计的特点也很明显，主要表现在以下方面:
     ①智能涡街流量计的传感器的通用性很强，从而使传感器具有良好的互换性采用数控设备加工传感器的表体和旋涡发生体等，确保加工精度，从而使零部件（特别是旋涡发生体）的通用性强，从而真正做到不会因零部件的更换而影响传感器的重复性和精度；能产生强大而稳定的涡街信号。
    ②抗振性能特别好，无零点漂移，可靠性高。通过长时间对涡街流量计进行的大量波形分析和频谱分析，加上佳的探头形状、壁厚，高度、探头杆直径及与之相配套的压电晶体，采用的数控车床进行加工，确保加工的同轴度和光洁度等技术参数，配合特殊的工艺处理，从而大限度的克服涡街流量计存在的固有自振荡频率对信号的影响这个通病。
    ③结构简单牢固，无可动部件，可靠性高，使用维护方便。
    ④检测元件不与介质接触，性能稳定，使用寿命长传感器采用检测探头与旋涡发生体分开安装，而且耐高温的压电晶体密封在检测探头内，不与被测介质接触，所以涡街流量计具有结构简单、通用性好和稳定性高的特点。
    ⑤输出与流量成正比的脉冲信号或模拟信号，无零点漂移，精度高，方便与计算机联网
    ⑥测量范围宽，量程比可达1：10
    ⑦涡街流量计测量体积流量时不需补偿，涡街输出的信号实际上是与流速成线性关系的，也就是与体积流量成正比。压力和温度补偿的目的是为了得到流体的密度，乘以体积流量就得到质量流量，若测量气体的体积流量就不需要补偿了。
    ⑧压力损失小。用口径DN50的涡街流量计测量可燃气体的流量，若管道内的大流量Qmax ＝200m3/h时，传感器的压力损失是：△P ＝1.08×10-6 ρv2（kPa）= 0.605 KPa
    ⑨在一定的雷诺数范围内，流量特性不受流体压力、温度、黏度、密度、成分的影响，仅是与旋涡发生体的形状和尺寸有关。
    ⑩应用范围广，蒸汽、气体、液体流量均可测量。

　　　本文 介绍这种集温度、压力、流量就地显示于一体的数字涡街流量计。并分析了数字涡街流量机在测量超高温锅炉过热蒸汽方面的应用。采用的单片微机及微功耗芯片，实现在线多种信号采集和数据处理，并采用软件容错技术，大大提高了仪表的可靠性和测量准确度。 
 

　　1．涡街流量计的精度及适用情况 

　　1．1涡街流量计的精确度 

　　涡街流量计的精确度对于液体大致在±O．5％R～±2％R，对于气体在±1％R～±2％R，重复性一般为0．2％-0．5％。由于涡街流量计的仪表系数较低，频率分辨率低，口径愈大愈低，故仪表口径不宜过大(DN300 以下)。 

　　范围度宽是涡街流量计的特点，但重要的是下限流量为多少。一般液体平均流速下限为0．5m／s，气体为4-5m／s。涡街流量计的正常流量好在正常测量范围的1／2～2／3处。 

　　涡街流量计的仪表常数不受测量介质物性的影响，这是很大的优点，可以用一种典型介质校验而应用到其他介质去，对于解决校验设备问题提供便利。但是应该看到由于液、气的流速范围差别很大，因此频率范围也差别很大。处理涡街信号的放大器电路中，滤波器的通带不同，电路参数也不同，因此，同一电路参数是不能用于不同测量介质的。介质改变，电路参数也应随之改变。 

　　
另外，气体和液体的密度差别很大，旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别也很大，液、气放大器电路的增益，触发灵敏度等皆不一样，压电电荷差别大，电荷放大器的参数也不同。即使同为气体(或液体、蒸汽)随着介质压力、温度不同，密度不同，使用的流量范围不同，信号强度也不同，电路参数同样要改变。因此一台涡街流量计不经硬件或软件修改，改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。 

　　 

　　1．2涡街流量计的适用情况 

　　涡街流量计不适用于测量低雷诺系数(Re≤2×104少)流体。低雷诺系数时，斯特劳哈数随着雷诺系数而变，仪表线性度变差，流体粘度高会显著影响甚至阻碍旋涡的产生，选型的一个限制条件是不能使用于界限雷诺系数之下。 

　　涡街流量计适用的流体比较**，但对于流体的脏污性质要注意。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪声，磨损旋涡发生体。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上将改变仪表系数。 

　　涡街流量计在混相流体中的应用经验还很少，一般可用于含分散、均匀的微小气泡，但容积含气率应小于7％～10％的气、液两相流，若超出2％就应对仪表系数进行修正。可用于含分散、均匀的固体微粒。含量不大于2％的气固、液固两相流。可用于互不溶解的液液(如油和水)两组分流等。 

　　脉动流和旋转流会对涡街流量计产生严重影响。如果脉动频率与涡街频率频带合拍可能引起谐振破坏正常工作和设备，使涡街信号产生“锁定(lock-in)”现象，这时信号固定于某一频率。“锁定”与脉动幅值、旋涡发生体形状及堵塞比等有关。涡街流量计的正常工作的脉动闭值尚待试验确定。80年代以来国内外流量测量工作者己对涡街流量计在混相流、脉动流中的应用开展许多试验研究，国内标准化组织(ISO)己发布的技术报告中亦关注这方面内容。 

　　 

　　1．3涡街流量计的经济性 

　　在众多的流量计中，涡街流量计的经济性较好，是一种经济实惠的流量计。涡街流量计的基本性能处于中等偏上水平，购置费低于质量式、电磁式、容积式等，而安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等，如仅作为控制系统检测仪表可采用干校方式节省周期校验费用。 

　　 

　　2超高温锅炉数字涡街流量计系统概述 

　　 

　　2．1工作原理 

　　在流体中设置旋涡发生体(阻流体)，从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡门涡街原理，有如下关系式 

　　f=SrUl／d=SrU／md (1) 

　　式中U1--旋涡发生体两侧平均流速，m／s； 

　　Sr—斯特劳哈尔数： 

　　m—旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 

　　式中K--流量计的仪表系数，脉冲数／m3(p／m3)。 

　　K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见，在ReD=2x104～7x106范围内，sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，VSF的流量计算式为 

　　 

　　式中qv．qv--分别为标准状态下(0oC或20oC，101．325kPa)和工况下的体积流量，m3/h； 

　　Pn．p--分别为标准状态下和工况下的**压力，Pa； 

　　Tn．T--分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K； 

　　Zn．Z--分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。 

　　由上式可见。VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响。即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。　　 

　　2．2涡街流量计结构 

　　VSF由传感器和转换器两部分组成，如图3所示。传感器包括旋涡发生体(阻流体)、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D／A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。 

　　图3涡街流量计 

　　 

　　(1)旋涡发生体 

　　旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性(压力损失)密切相关，对它的要求如下。 

　　1)能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离： 

　　2)在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数： 

　　3)能产生强烈的涡街，信号的信噪比高： 

　　4)形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合： 

　　5)材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化 

　　6)固有频率在涡街信号的频带外。 

　　已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类，如图4所示。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用**的一种，如图5所示。图中D为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普。 

　　(2)检测元件 

　　流量计检测旋涡信号有5种方式。 

　　1)用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压： 

　　2)旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压： 

　　3)检测旋涡发生体周围交变环流： 

　　4)检测旋涡发生体背面交变差压： 

　　5)检测尾流中旋涡列。 

　　根据这5种检测方式，采用不同的检测技术(热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等)可以构成不同类型的VSF。 

　　(3) 转换器 

　　检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。不同检测方式应配备不同特性的前置放大器。转换器原理框图如图4所示。 

　　图4 A：转换器原理框图B：数字涡街流量计框图 
 

　　3数字流量计运用于超高温锅炉 

　　湿饱和蒸汽在热网系统中普遍存，锅炉产出的饱和蒸汽一般都含有少许的水分，通过分汽缸、热力管网送至用户，由于管网的热损失，蒸汽的水分含量必然增多，导致蒸汽流量减少。 

　　在计划经济时代，供热按楼房面积收费，不存在蒸汽计量收费问题。近年来，随着市场经济的不断深入，蒸汽流量必须按计量收费，因此蒸汽的热损耗问题也提了出来。目前，行政上普遍执行的办法是由用户多交10％的蒸汽费用，以补偿蒸汽损耗。这种办法也有一定缺点，用户多交10％没有科学依据，其一，湿饱和蒸汽水分含量与热力管道的长短有关，短热力管道能平衡减少的蒸汽量，而长热力管道则平衡不了减少的蒸汽量。其二，对那些间断使用蒸汽的用户更无法平衡，有些企业白天上班使用几小时蒸汽，下班后整个晚上都不使用蒸汽，直到二天上班再用，通过一整夜的冷却，热力管道中的蒸汽全凝结成水，这种蒸汽的损失就不是10％。由于这些客观原因。热力厂不能做到自负盈亏，而需要政府补助。 

　　比较合理的作法是热力厂出口的总流量认为是干饱和汽，用流量表计量并作为贸易结算的基准流量。各个用户的蒸汽流量为湿饱和蒸汽，按汽水两相流计量，根据物质不灭定律，各个用户的蒸汽质量流量之和与热力厂出口的总蒸汽质量流量应相等，这就需要流量仪表准确测量总管的质量流量和分管的质量流量。 

　　汽水两相流的流量测量除了要确定单相流涉及的流量参数外，还必须要确定干度(即湿蒸汽的水分含量)，锅筒出口的蒸汽干度可用电导率法测量，热网管道的蒸汽干度可用热平衡法测量，也可用频谱分析法测量。汽水两相流比单相流要复杂得多，由于汽与水的密度相差甚远，两者的流速是不等的，密度大的速度快，密度小的速度慢。这种速度差又与干度高低、蒸汽压力和流量大小等多种因素有关，因此湿饱和蒸汽流量数学模型比干饱和蒸汽流量数学模型要复杂得多。但是，经过几十年的实验研究，湿饱和蒸汽的测量技术已经成熟，目前湿饱和蒸汽数学模型精度可达±0．6％，这个计算精度完全满足湿饱和蒸汽流量计量要求。 

　　 

　　3．1系统方案 

　　据饱和蒸汽压力、温度和密度相对应的关系，只需选择压力或温度其中一项来对流量进行补偿计算即可考虑。兰州石化公司炼油装置内的饱和蒸汽管路都较长，压力波动较大，适宜采用压力补偿。 

　　LUB系列涡街流量计防爆等级为ExiaCT2～T4，它必须与已取得防爆合格证的本安关联设备(防爆标志：ExiaC)配套组成本安防爆系统。 

　　 

　　3．2涡街流量计的选型 

　　根据用户提供的所测饱和蒸汽的压力(温度)、流量范围、管道直径等参数，选择相应规格的LUB系列涡街流量计。所测饱和蒸汽的流量范围应处于所选流量计的测量范围内，并好处于流量计的佳工作范围，即流量计量程的50％～67％处。对于管道直径与流量计内径不一致的，可采取缩径或扩管的方法。 

　　 

　　3．3流量积算仪的参数设置 

　　选用的FC20系列流量积算仪提供了1种流量补偿算法，基本可满足各种测量介质的流量补偿计算，可显示瞬时流量和累积流量等参数，并且可输出标准模拟信号供控制和记录，还提供标准工业RS2485串行通讯接口。要使用流量积算仪的饱和蒸汽的压力补偿算法，就需要入流量积算仪的参数设置状态，选择饱和蒸汽压力补偿模式，设置流量单位为千克每 

　　 

　　4智能数字涡街流量计的设计简述 

　　智能数字涡街流量计是以微处理器为核心，具有自动调零，线性化，自动补偿环境因素变化功能，并配以图形显示直观的表达测量结果的嵌入式数字智能涡街流量计的要求。图5是该系统传感器基本技术原理示意图。(本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。)