高流速蒸汽對渦街流量計的影響

   目前，渦街流量計廣泛運用在蒸汽計量上。渦街流量計是一種發展比較成熟的流量計，其主要優點有：無可動部件，結構簡單牢固，安裝方便，維護費用較低，量程比一般在10∶1以上，精度也相對較高，測量氣體一般在1.0級到1.5級之間，測量液體一般在1.0級。

   在多年的檢定工作中，我們發現有人使用了一個蒸汽渦街流量計的漏洞，在保持渦街流量計計量管段原封不動的情況下，只在蒸汽出口處做文章，即可致使渦街流量計計量嚴重偏小。

   圖1中我們看到在渦街流量計計量段，沒有任何修改，而在其后的大型儲氣罐卻大有文章。整個系統根據儲氣罐內壓力變化來對前后閥門分別進行自動控制，從而進行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環操作。整個循環過程是：開始時，儲氣罐是空的，閥門1、閥門2都關閉。然后閥門1快速打開，上游0.8MPa的過和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲氣罐充氣漸滿，壓力升高至一定壓力后，關閉閥門1，打開閥門2，讓儲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渦街流量計的蒸汽以極高流速通過。

   為什么這樣會使蒸汽流速達到非常高的程度呢？而渦街流量計在高流速下計量會有什么問題呢？

1 分析蒸汽的流速

   臨界壓力比是分析管內流動的一個重要數值，蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時，在臨界截面上，蒸汽流速達到臨界值音速c。

   當過流氣體為過熱蒸汽時：k=1.3，γcr=0.546

   pcr稱為：臨界壓力。

   所以我們得到：通過降低背壓比，能讓通過蒸汽的流速提升到相對于渦街流量計來說非常高的程度，甚至達到音速，過熱蒸汽音速可以達到500m/s以上。

   從熱網過來的蒸汽壓力一般高于0.8MPa，而在儲氣罐開始充氣時，罐內壓力幾乎為常壓。根據蒸汽的臨界流原理。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，那么管內蒸汽的流速將達到音速。在這個案例里，儲氣罐內壓力按充氣階段中后期才逐漸升高到的0.4MPa來計算，背壓比為0.5。也就是說，在大部分蒸汽通過階段，背壓比都小于0.546，蒸汽的流速都保持在音速，音速是大大超過渦街流量計測量流速上限的。通過這樣一個辦法，即能大幅度提高通過渦街流量計的蒸汽流速，致使渦街流量計計量嚴重偏少。不法用戶還狡辯，我的所有計量器具都通過了國家法定計量檢定機構的檢定。確實，這種情況，單是檢定流量計是無法發現問題的。我們可以判斷，介質的高流速對渦街流量計的計量性能產生了很大的影響致使其計量不準。為什么這么說呢？我們再來分析氣體的高流速對渦街流量計的影響。

2 渦街流量計工作原理

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

   渦街流量計就是利用卡門渦街原理，得到如下關系：

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

   斯特羅哈爾數為無量綱參數，它與漩渦發生體的形狀及雷諾數有關。圖3所示為三角柱漩渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系。

圖3 斯物勞哈爾數與雷諾數關系曲線

   由圖3可見，在Re D=2×104～7×106范圍內 ，斯特勞哈爾數可視為常數。我們使用的渦街流量計都是在斯特勞哈爾數視為常數的這個范圍內設計的。因此我們使用渦街流量計時一定要避免測量介質的雷諾數在2×104～7×106這個范圍外，超過這個范圍，斯特勞哈爾數不再是常數，渦街流量計測得的頻率與流速也不再是簡單的正比關系。也就是說，超過雷諾數2×104～7×106這個范圍，便違反了渦街流量計的設計原理，這時候渦街流量計是不能正常計量的。因為雷諾數與介質流速有關，所以我們具體到介質流速的話，對于蒸汽來說，渦街流量計的流速測量范圍控制在5m/s～60m/s之間，好的渦街流量計量程上限最多再往上延伸20%。因此在選型渦街流量計的口徑和流量測量范圍時，要保證滿足這個流速限定。絕大部分渦街流量計對于高流速介質是沒有辦法計量的。所以上訴案例中，用普通渦街流量計去計量音速下的蒸汽，得到的結果是完全不可信，不能用的。

   渦街流量計是一種數字儀表，是通過傳感器來檢測漩渦頻率的。流量計的電氣性能必須要工作在適宜它的條件下。我們來看看在高流速下，渦街流量計檢測漩渦頻率的情況。引用一個高流速下渦街流量計的實驗。該實驗在采用在線實時頻譜分析時發現：在口徑為DN80及其以下的管線上，經常會出現高于80m/s的高流速，其中有近一半的出現超過100m/s的高流速，更有甚者，流速高達180m/s。一般的渦街流量計在通過介質流速過高時，會發生劇烈的漏波現象，因而產生難以估算的誤差。

   從圖4上看漏波的結果就是檢測到的脈沖不再連續，發生了漏缺。所以這種情況下，測量結果的趨勢是一般都是偏小。在高流速下，漩渦發生體后的流體運動更加復雜。渦街傳感器檢測信號需要一定的清晰度，如果流速過高，流場變得更加復雜。此時傳感器將受到嚴重干擾，目標信號清晰度急劇下降，使渦街流量傳感器測不準或者測不到。

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

   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。即使達不到音速，也遠高于渦街流量計的測量上限，導致渦街流量計的不正常工作。因此為了保證渦街流量計正常計量，我們必須重視渦街流量計的測量范圍，管內流速必須限定在渦街流量計的測量范圍以內。

   對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。比如采用限流裝置，在渦街流量計后方管線上安裝臨界流文丘里噴嘴。

   當蒸汽通過臨界流文丘里噴嘴時，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，噴嘴喉部形成臨界狀態，流過噴嘴的蒸汽質量流量達到最大。這時蒸汽的質量流量不受下游狀態變化的影響。根據這個原理，我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會發生壓力驟降的管段前，就能穩穩的限死上游通過渦街流量計的最大流量了。而選用文丘里噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。