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摘要:渦街流量計是現(xiàn)代石油化工行業(yè)中測量流量的重要工具之一;簡述了渦街流量計的測量原理和主要優(yōu)點，提供了渦街流量計的選型、安裝、使用和維護(hù)的建議;通過規(guī)范設(shè)計、合理選型、正確的安裝和維護(hù)，讓渦街流量計在石油化工行業(yè)中發(fā)揮更大的作用。
　　渦街流量計(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，受到用戶歡迎，并得到迅速發(fā)展。但在實踐中經(jīng)常會出現(xiàn)一些預(yù)料不到的問題，這就是用戶對渦街流量計存在一些疑慮的的原因，它亟需探索解決。
1渦街流量計的測量原理
　　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，渦街流量計的流量計算式為:
 
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，渦街流量計輸出的脈沖頻率信號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)。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應(yīng)同時監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。
2渦街流量計的主要優(yōu)點
(1)渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便(與節(jié)流式差壓流量計相比較，不需要導(dǎo)壓管和三閥組等，在設(shè)計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1/4～1/2)，無可動部件，可靠性高;
(5)精度為中上水平，可適用液體、氣體和蒸汽。
3渦街流量計的選型
　　根據(jù)SH3005－1999《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定渦街流量計的選用，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。
在工程設(shè)計中宜考慮下列情況:
(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)脈動流和旋轉(zhuǎn)流、兩相流的情況不適合使用渦街流量計。
(6)儀表縮徑不宜過大，縮徑將流速提高，同時也增加了阻力和背壓，容易出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。4
4.渦街流量計的安裝
4.1渦街流量計的安裝要求
根據(jù)SH/T3104－2000《石油化工儀表安裝設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定渦街流量計的安裝要求如下:
(1)測量液體時渦街流量計應(yīng)安裝于被測介質(zhì)完全充滿的管道上。
(2)渦街流量計在水平敷設(shè)的管道上安裝時，應(yīng)充分考慮介質(zhì)溫度對變送器的影響。
(3)渦街流量計在垂直管道上安裝時，應(yīng)符合以下規(guī)定:
①測量氣體時，流體可取任意流向
②測量液體時，液體應(yīng)自下而向上流動。
(4)渦街流量計下游應(yīng)具有不小于5D(流量計直徑)的直管段長度，渦街流量計上游直管段長度應(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，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，不小于18D;
③流量計前具有一個90°彎頭或三通時，不小于20D;
④流量計前具有在同一平面內(nèi)的連續(xù)兩個90°彎頭時，不小于40D;
⑤流量計前具有不同平面內(nèi)的連接兩個90°彎頭時，不小于40D;
⑥流量計裝于調(diào)節(jié)閥下游時，不小于50D;
⑦流量計前裝有不小于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，應(yīng)安裝除氣器。
(6)渦街流量計應(yīng)安裝于不會引起液體產(chǎn)生氣化的位置。
(7)渦街流量計前后直管段內(nèi)徑與流量計內(nèi)徑的偏差應(yīng)不大于3%。
(8)對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應(yīng)加前后截止閥和旁路閥，插入式渦街流量計應(yīng)安裝切斷球閥。
(9)渦街流量計不宜安裝在有震動的場所。
4.2渦街流量計的安裝要求
　　根據(jù)GB50093－2002《自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》中規(guī)定渦街流量計的安裝要求如下:
　　渦街流量計信號線應(yīng)使用屏蔽線，上下游直管段的長度應(yīng)符合設(shè)計文件要求，放大器與流量計分開安裝時，兩者之間的距離不應(yīng)超過20m。
在工程設(shè)計中宜考慮下列情況:
(1)垂直安裝時，向上流動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，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)計過程中應(yīng)根據(jù)上游情況具體要求每臺渦街流量計的直管段。
(4)渦街流量計對安裝點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。配管與流量計同心，同軸度應(yīng)小于0.05D。流量計與法蘭之間的密封墊不能凸入管道內(nèi)，其內(nèi)徑可比流量計內(nèi)徑略大。
(5)當(dāng)需要將實測壓力和溫度信號用于補(bǔ)償質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)流量時，在渦街流量計下游安裝壓力(下游4D)和溫度變送器(下游6D)。
(6)當(dāng)管道振動時，應(yīng)加裝支撐物對管道進(jìn)行固定。(7)避免電磁干擾，應(yīng)考慮儀表等電位接地。
5渦街流量計的使用和維護(hù)
　　在使用渦街流量計過程中可能出現(xiàn)以下問題:①指示長期不準(zhǔn);②始終無指示;③小流量時無指示;④大流量時指示還可以，小流量時指示不準(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)計選型之后由于工藝條件變動，使得選擇大了—個規(guī)格，實際選型應(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)計上供幾個設(shè)備使用，由于工藝部分設(shè)備有時候不使用，造成目前實際使用流量減小，實際使用造成原設(shè)計選型口徑過大，相當(dāng)于提高了可測的流量下限，工藝管道小流量時指示無法保證，流量大時還可以使用。宜使用縮徑型渦街流量計。(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，用于控制時精度下降，用于計量時誤差較大。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，對選型參數(shù)進(jìn)行核實。由于理論工況與實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，有的接頭實際已松動造成回路中斷，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，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
　　通過多個工程項目的實踐證明，只要對渦街流量計的性能、特點有了全面深入的了解，有了應(yīng)付各種情況的方法，渦街流量計一定會成為流量測量中的得力助手;選用渦街流量計或其它管道式流量計，具有相當(dāng)?shù)暮侠硇�，可以有效的減少設(shè)計的工程量和提高整體水平。

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