蒸汽流量計在工程應用中要應對一系列問(wèn)題及相關(guān)解決方法

蒸汽流量計是一種在流量測量領(lǐng)域較常見(jiàn)的儀表，相比較于其他流量計，它有著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)主要表現為以下幾個(gè)方面：1）蒸汽流量計無(wú)可動(dòng)部件，測量元件結構簡(jiǎn)單，性能可靠，使用壽命長(cháng)。2）蒸汽流量計測量范圍寬。量程比一般能達到1：10。3）蒸汽流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數的影響。一般不需單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。4）它造成的壓力損失小。5）準確度較高，重復性為0.5％，且維護量小。但蒸汽流量計在工業(yè)應用中并不十分普遍,顯然,并不是由于它的技術(shù)水平還沒(méi)有達到令人滿(mǎn)意的程度,而是由于用戶(hù)在選擇和應用蒸汽流量計時(shí)缺乏應有的應用經(jīng)驗,在設計、選型、安裝時(shí)考慮問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)單化了,正是基于以上理由,本文著(zhù)重討論蒸汽流量計工業(yè)應用中應注意的問(wèn)題及對策，為正確使用蒸汽流量計提供了科學(xué)依據。
1、蒸汽流量計抗管道振動(dòng)和流體振動(dòng)問(wèn)題
振動(dòng)問(wèn)題是衡量一臺蒸汽流量計工業(yè)應用好壞的一個(gè)重要指標。目前,很多工業(yè)用戶(hù)之所以對蒸汽流量計的應用失去信心,在很大程度上是由于振動(dòng)因素影響。工業(yè)中的振動(dòng)是普遍存在的,目前較先進(jìn)的蒸汽流量計都有一定的抗振動(dòng)能力,對于一般的工業(yè)振動(dòng)大部分都能消除。一般的工業(yè)振動(dòng)頻率大都在幾赫到幾千赫,蒸汽流量計的漩渦頻率正好落在這個(gè)范圍之內,
本文以電容式、壓電式、超聲波式蒸汽流量計為例來(lái)說(shuō)明其抗振性問(wèn)題。
1.1電容式蒸汽流量計抗振動(dòng)問(wèn)題
電容式蒸汽流量計以E + H公司生產(chǎn)的Prowirl70為代表,它采用差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容(DSC)傳感器,用來(lái)檢測漩渦壓力脈沖,差動(dòng)電容結構如圖1所示:
抗管道振動(dòng)和流體振動(dòng)能力:當振動(dòng)方向在縱向(順流向)或與漩渦發(fā)生體軸線(xiàn)相平行的方向振動(dòng)時(shí),由振動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上,使振動(dòng)體都在同方向產(chǎn)生撓曲變形,由于設計時(shí)保證了振動(dòng)體與電極幾何結構與尺寸相匹配,使它們的變形量一致,差動(dòng)信號輸出為0,從而使這兩個(gè)方向上的振動(dòng)所產(chǎn)生的影響基本消除了。
但是,抗橫向(與漩渦升力方向一致)振動(dòng)能力仍然很弱,因為在某一時(shí)刻,往復振動(dòng)只在一個(gè)方向上對振動(dòng)套筒發(fā)生應力,如果振動(dòng)明顯,必然在輸出信號上迭加振動(dòng)分量,使輸出信號偏離真實(shí)值。電容式蒸汽流量計在頻率范圍為1～500Hz的縱向以及與發(fā)生體軸線(xiàn)相平行的方向的任何振動(dòng)以及高達1g振動(dòng)加速度沖擊基本能夠消除,所以本流量計具有二維方向的抗振動(dòng)補償功能。
1.2壓電應力式蒸汽流量計抗振動(dòng)問(wèn)題
壓電應力式蒸汽流量計以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型為代表。
1.2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振動(dòng)設計
YOKOGAWA的YF100E采用兩片圓形壓電元件,它們上、下封裝在漩渦發(fā)生體內部(不與流體直接接觸),以此來(lái)感受漩渦升力和振動(dòng)應力。每片壓電元件沿中性面分割成兩個(gè)對稱(chēng)的半圓,分別處于中性面的兩邊,且極化方向相反。兩片壓電元件采用并聯(lián)方式,每片壓電元件的兩半片組成一個(gè)電極,兩電極從上下兩片極性相反的電荷而引出。三個(gè)不同方向的振動(dòng)力產(chǎn)生的電荷信號極性如圖2所示:
a振動(dòng)方向與漩渦升力方向相同。此方向上的振動(dòng)噪聲不能完全消除。
b振動(dòng)方向與流體方向相同。此方向上的振動(dòng)不能產(chǎn)生噪聲信號。
c振動(dòng)方向與發(fā)生體軸向平行。此方向上的振動(dòng)不能產(chǎn)生噪聲信號。
由此可見(jiàn),YF100E同樣能抗二維振動(dòng)(流動(dòng)方向上及與發(fā)生體軸向平行的方向上),但抗橫向振動(dòng)(升力方向)能力仍然較弱。
1.2.2　F+P的VT/VR抗振動(dòng)設計
F+P蒸汽流量計采用對稱(chēng)差動(dòng)傳感器設計消除振動(dòng)影響,即用四只壓電敏感元件構成渦街傳感器,以安裝法蘭為中心,兩對反并聯(lián)壓電元件封裝在上、下對稱(chēng)部位,每對壓電元件又以中性面為中心,分置中性面兩側,如圖3,當振動(dòng)作用在X方向或Z方向時(shí),四只壓電元件產(chǎn)生電荷相互抵消,如圖4,起到了X方向及Z方向的振動(dòng)補償功能。當漩渦升力交替作用在Y方向上時(shí),只有中性面下兩片壓電晶體產(chǎn)生差動(dòng)電荷信號,如圖5,由于兩片壓電片為并聯(lián)方式,所以輸出信號加倍。
當振動(dòng)信號作用在Y方向時(shí),顯然振動(dòng)信號迭加到漩渦升力上,此方向的振動(dòng)仍不能克服。
由此可見(jiàn),此傳感器結構具有抗X方向, Z方向二維振動(dòng)能力,對Y方向的振動(dòng)干擾能力很弱。Rosemount 8800A智能蒸汽流量計采用質(zhì)量平衡結構從機械上消除管道振動(dòng)(或流體振動(dòng))影響,與YF100E相似,它只能克服流動(dòng)方向及與漩渦發(fā)生體相平行方向的振動(dòng),而對升力方向上的振動(dòng)仍然無(wú)法徹底克服。
總之,壓電式蒸汽流量計具有二維方向(順流向和漩渦發(fā)生體相平行方向)抗振動(dòng)能力,無(wú)論如何,它抗升力方向上的振動(dòng)仍然是很弱的。
1.3超聲波蒸汽流量計——真正的抗三維振動(dòng)蒸汽流量計
超聲波蒸汽流量計目前成熟產(chǎn)品的廠(chǎng)家有日本OVAL公司(氣體),東機工公司(液體),橫河電機的UYF (液體)。
利用超聲波作為檢測元件的蒸汽流量計是將超聲波發(fā)射源和超聲波接收器按一定位置安裝在殼體外,如圖6。當漩渦通過(guò)超聲波線(xiàn)束時(shí),接收器接收到的超聲波線(xiàn)束速度發(fā)生變化,檢測速度變化的頻率作為漩渦的頻率信號,通過(guò)電子線(xiàn)路處理輸出能夠遠傳的信號。由于避開(kāi)了檢測漩渦升力的方法,故它有別于壓電應力式、電容式渦街檢測方法,即使配管振動(dòng)和流體振動(dòng)在各部位產(chǎn)生應力,也不會(huì )產(chǎn)生敏感的噪聲信號,故獲得本質(zhì)上的高抗振性,而其測量精度和結構尺寸等指標也與其它蒸汽流量計相似,本流量計具有良好的抗三維振動(dòng)能力,抗振動(dòng)加速度達3g以上。
綜上所述,電容式、壓電應力式、超聲波式蒸汽流量計都有較好的抗振動(dòng)能力,是目前市場(chǎng)上比較的品種。電容式和壓電應力式只能抗二維振動(dòng),而超聲波具有抗三維振動(dòng)能力。因此,在一般場(chǎng)合,小于1g振動(dòng)加速度,振動(dòng)頻率小于500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有強烈的振感,有握不住的感覺(jué)),三種流量計都能滿(mǎn)足要求,但在振動(dòng)特別強烈的場(chǎng)合,或有升力方向振動(dòng)的場(chǎng)合,選用超聲波蒸汽流量計則是比較合適的。
必須特別指出,由于振動(dòng)加速度是振幅和振動(dòng)頻率的函數,管道振幅小,振動(dòng)加速度小;振動(dòng)頻率小,加速度亦小,反之亦然。管道支撐只能減小振幅,但不能減少振動(dòng)頻率。因此,在選擇流量計安裝位置時(shí),振動(dòng)頻率是一個(gè)不可忽視的因素。好在一般工業(yè)頻率都比較低(從幾赫到幾千赫),只要振幅不是太大,以上幾種型式的蒸汽流量計均可以滿(mǎn)足要求。同一種尺寸的蒸汽流量計,用在液體上的抗振動(dòng)能力比用在氣體上強,這是由于氣體密度小,所產(chǎn)生漩渦升力較小的緣故。同樣,用在大流量上比用在小流量計抗振性強,因為大流量產(chǎn)生的漩渦比小流量更強烈。因此,根據介質(zhì)密度和流量選擇蒸汽流量計時(shí)要加以注意。
必須特別注意抗二維振動(dòng)的蒸汽流量計的安裝,如果水平安裝的蒸汽流量計其振動(dòng)干擾方向是與漩渦發(fā)生體相平行的方向,(此方向的振動(dòng)是可以消除的),但是,當將蒸汽流量計轉過(guò)90度,則與漩渦發(fā)生體相平行的方向上的振動(dòng)對蒸汽流量計來(lái)說(shuō)則變?yōu)樯Ψ较虻恼駝?dòng)了,會(huì )產(chǎn)生明顯的振動(dòng)干擾信號,這是不允許的。很多蒸汽流量計廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)聲稱(chēng)其流量計可以任意角度安裝,恐怕此種說(shuō)法欠妥。除非系統沒(méi)有任何振動(dòng)或振動(dòng)干擾很弱,在這種情況下是可以任意角度安裝的,否則,應避免振動(dòng)方向與漩渦升力方向相一致的安裝。
2、蒸汽流量計的選用問(wèn)題
蒸汽流量計的選用要結合工藝介質(zhì)的特點(diǎn)、流量計的性能、經(jīng)濟性、安裝及環(huán)境五個(gè)方面來(lái)考慮。一般專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員在選用蒸汽流量計時(shí)大都考慮了這五個(gè)方面的因素,在此不再贅述。需要特別指出的是,對于電容式、壓電應力式和超聲波式蒸汽流量計在選擇時(shí)還要注意以下問(wèn)題:
2.1對于介質(zhì)中含有粉塵和固體顆?；驊腋∥锏牧黧w不易選擇電容式蒸汽流量計。因為在漩渦發(fā)生體兩側有兩個(gè)導壓小孔,容易堵塞。例如,本體法生產(chǎn)聚丙烯,其循環(huán)丙烯中含有聚丙烯粉末,選用電容式蒸汽流量計則引起了導壓孔堵塞,使信號輸出為0。凡是帶有導壓小孔的其它蒸汽流量計具有相似的情況,如Eestech公司生產(chǎn)的熱(磁)敏式蒸汽流量計。
2.2蒸汽流量計的選擇不僅要考慮被測介質(zhì)的溫度,還要考慮檢修吹掃管線(xiàn)時(shí)吹掃介質(zhì)的溫度,這一點(diǎn)常常容易忽視。蒸汽流量計的被測介質(zhì)溫度可能是常溫,但是在檢修時(shí)需要用蒸汽吹掃管線(xiàn),蒸汽的溫度在150℃以上,如果選型時(shí)只考慮到介質(zhì)的溫度而選擇適用溫度范圍低的蒸汽流量計,在檢修吹掃管線(xiàn)時(shí),就有可能損壞敏感元件。
2.3超聲波蒸汽流量計雖然抗振性強,但適用溫度范圍不如電容式和壓電應力式寬,一般不超過(guò)200℃,如果被測溫度超出此范圍,則可能損壞超聲波探頭。另一方面,超聲波流量計不易用在含有過(guò)多氣泡的液體或含有雜質(zhì)的液體測量中。因為含有過(guò)多氣泡的液體,超聲波不易穿過(guò),可能造成測量上的困難甚至不可能測量。液體中含有異物會(huì )對超聲波起到慢反射或吸收作用,也影響測量的準確性。
2.4在使用狀態(tài)下,如果被測介質(zhì)有明顯的脈動(dòng),如羅茨風(fēng)機、壓縮機出口流量,則不易選擇超聲波蒸汽流量計。因為超聲波蒸汽流量計對小流量敏感度很高,在這種場(chǎng)合使用,會(huì )使輸出信號不穩定而失真。
2.5在液體中混有大量氣泡的場(chǎng)合,不易選用各種蒸汽流量計。
3、蒸汽流量計的安裝問(wèn)題
蒸汽流量計的安裝要考慮流量計的定位、液體流向、上游及下游直管段長(cháng)度、配管直徑、環(huán)境影響(溫度、電磁幅射、腐蝕等)、振動(dòng)情況、閥門(mén)的安裝、管道支撐等因素。一般要求流量計口徑和配管直徑一致且同心,上游直管段長(cháng)度通常取決于上游阻力件(縮管、擴管、彎頭、閥門(mén))形式,一般上游直管段長(cháng)度要保證20D,下游為5D。當上游阻力件為閘閥或截止閥時(shí),必須保證上游直管的長(cháng)度不少于40D。流量計的安裝地點(diǎn)要避開(kāi)高溫、腐蝕、電磁幅射、振源,當振動(dòng)強烈時(shí)還應考慮加支撐以減少振幅的影響。在把蒸汽流量計用于控制回路測量時(shí),推薦把流量計裝在調節閥的下游測。
通常為了避免振動(dòng)或不可預知的原因,在流量計上游側安裝節流圈、膨脹段或儲罐,以部分吸收流體的振動(dòng)和沖擊,這在控制回路中尤為重要。另外,當預知某一方向振動(dòng)后,應避免將流量計安裝在漩渦升力方向與振動(dòng)方向一致的地方,這點(diǎn)特別引起注意!
超聲波蒸汽流量計處于水平管道安裝時(shí),應使超聲波探頭處在水平管道兩側的中間位置(即漩渦發(fā)生體處于上下垂直位置)。這樣做的理由在于,氣泡易于集聚在管道的上方,大的異物則沿管道底部流動(dòng),它們都將妨礙超聲波穿過(guò)。這種安裝方式,有效避免了以上現象的出現,給測量帶來(lái)好處。
4、適用介質(zhì)問(wèn)題
一般蒸汽流量計可以測量氣體、液體和蒸汽介質(zhì)流量,但由于各種介質(zhì)特性千差萬(wàn)別,傳感器結構形式各異,其適應性也不同。壓電應力式和電容式蒸汽流量計應用范圍較廣,但在測量低密度(如H2)和低流速氣體時(shí),由于受到漩渦能量的限制,發(fā)生漩渦不強烈,信號比較低;電容式蒸汽流量計由于存在兩個(gè)導壓小孔,不易測量臟物介質(zhì)流;超聲波蒸汽流量計雖然能測量低流速介質(zhì)流量(>0.2m/s),但對脈動(dòng)流比較敏感;熱敏式蒸汽流量計靈敏度高,適宜于低溫(<120℃)低密度氣體測量,但因熱敏電阻用玻璃封裝、機械強度低。另外,當檢測元件被流體污垢,檢測靈敏度降低,甚至無(wú)信號輸出,所以要針對不同介質(zhì)的特點(diǎn),選擇合適的流量計。
5、高溫介質(zhì)測量問(wèn)題
很明顯,超聲波蒸汽流量計由超聲探頭不能耐高溫,因此,它不能用于高溫介質(zhì)測量,它目前的測溫上限達200℃(YOKOGAWA UYF)。壓電式蒸汽流量計的測溫上限一般不超過(guò)300℃,但超過(guò)300℃,壓電元件長(cháng)期處在高溫下,其傳感器的絕緣阻抗急劇下降,輸出信號變小,低頻特性惡化,抗干擾能力大為降低。這是由于壓電晶體多為鋯鈦酚鉛系列壓電陶瓷(PZT),它的居里點(diǎn)(失去壓電效應的溫度)較低,只有300℃。另外壓電陶瓷除具有壓電性能外,還具有熱釋電性(即溫度變化也將引起電荷變化),在高溫下,熱輸出是一個(gè)非常討厭的噪聲源。相對來(lái)說(shuō),電容式蒸汽流量計具有較好的高溫測量能力,它的測溫上限達400℃。電容檢測元件有很好的耐高溫性能。
另外,無(wú)論哪一種蒸汽流量計,當其用于高溫測量時(shí),由于溫度變化使流量計的流通截面積發(fā)生變化,因此,必須對流量系數做修正
6、介質(zhì)溫度、壓力變化場(chǎng)合應用問(wèn)題
由于蒸汽流量計測量的是流過(guò)管道流體的體積流量,當流體溫度、壓力變化頻繁時(shí),必然引起密度發(fā)生變化,因此,必須對測量結果進(jìn)行修正。這通常要借助于智能儀表或計算機,內藏溫度或壓力補償公式,壓力測量點(diǎn)和溫度測量點(diǎn)選在流量計下游2D～7D的地方。
7、管道內徑D與流量計口徑d的匹配問(wèn)題
保證管道內徑與流量計口徑相同是制造廠(chǎng)家對用戶(hù)使用蒸汽流量計的基本要求。但實(shí)際應用表明,由于國外制造廠(chǎng)家流量計口徑標準不一,如DIN (德國標準)、JIS (日本標準)、ANSI (美國標準),這些標準的管道內徑與我國GB標準管道內徑在同一公稱(chēng)通徑下存在差異。另外,公稱(chēng)通徑相同時(shí),由于壓力等級要求不一樣,管子的壁厚也不一樣。如英制管SCH40、SCH80兩種管號在同一公稱(chēng)通徑下其內徑不同。用戶(hù)在選擇和安裝蒸汽流量計時(shí)常常忽視管徑匹配問(wèn)題,因而,容易引起附加誤差。
總之,應盡量選擇合適的管道內徑使之與流量計口徑相一致,這樣可以避免因管徑異變帶來(lái)的誤差。
8、蒸汽流量計代替孔板差壓流量計問(wèn)題。
孔板流量計在目前流量測量家族中占有重要地位,它是工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛的一種流量計。蒸汽流量計是后起之秀,由于它有許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),它的出現對孔板流量計產(chǎn)生了強有力的沖擊,但兩種流量計各有特點(diǎn),文獻[4]對這兩種流量計的性能做了詳細評價(jià),在許多場(chǎng)合用蒸汽流量計代替孔板流量計是適用的,但是在一些場(chǎng)合,蒸汽流量計無(wú)法取代孔板流量計。在一些特殊場(chǎng)合使用孔板比蒸汽流量計要好。在其他大部分場(chǎng)合,完全可用蒸汽流量計來(lái)代替孔板流量計測量流量。
9、蒸汽流量計日前需要解決的問(wèn)題
蒸汽流量計在工程應用中所暴露的某些問(wèn)題,迫使各生產(chǎn)廠(chǎng)家發(fā)展更為實(shí)用和完美的蒸汽流量計,這要依賴(lài)于新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展。
1采用全數字化現場(chǎng)總線(xiàn)(fieldbus)技術(shù)。目前的蒸汽流量計所采用的HART通訊協(xié)議是一種過(guò)渡產(chǎn)品,并不代表現場(chǎng)儀表的發(fā)展方向。HART協(xié)議是一種4～20mA模擬信號與數字通訊信號兼容的標準,它采用頻移鍵控(FSK)技術(shù),在4～20mA的模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調制波,以頻率為1200HZ和2200HZ的正弦電流信號代表1和0,通訊信號只用于傳遞輔助信息和診斷信息。由于所疊加的正弦波信號平均值為0,所以數字通訊信號不會(huì )干擾4～20mA模擬信號。采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后,傳遞信號完全實(shí)現了全數字化,省去了A/D (或D/A)轉換環(huán)節,避免了模數轉換誤差,精度進(jìn)一步提高。另一方面,由于內藏CPU,可實(shí)現多種控制算法,從而可實(shí)現就地調節,省略了調節器以及大量電纜。因此,帶有現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的蒸汽流量計,前景不可估量。
2采用數字動(dòng)態(tài)濾波器,隨時(shí)跟蹤渦街信號頻率,既使在十分惡劣的應用環(huán)境中仍能提供高分辨率的信號,明顯優(yōu)于傳統的低通和高通濾波器。
3采用先進(jìn)的傳感器結構,消除任何方向的抗振動(dòng)干擾,真正實(shí)現抗三維方向的振動(dòng)流量計。
4敏感元件完全不與流體接觸,可在出現故障時(shí)隨時(shí)更換,方便拆卸。
5省去外供電,內藏高能電池,在任何不易提供電源的地方也能方便使用。
6實(shí)現真正的廣義通用性,蒸汽流量計的電路板及敏感元件完全通用,節省備件數量,而且一臺蒸汽流量計既能測量不同溫度下的液體流量,也能測量氣體和蒸汽流量。
7無(wú)空洞設計,避免臟物介質(zhì)的堵塞,敏感元件布置在管外,全焊接結構表體,從而消除任何儀表泄漏。
8實(shí)現真正質(zhì)量流量測量,發(fā)生體內藏溫度元件和壓力元件,可對流體溫度和壓力的變化而引起密度的變化實(shí)現自動(dòng)校正。
9無(wú)需標定,一個(gè)出廠(chǎng)的K系數可保持長(cháng)期穩定。
10溫度范圍進(jìn)一步拓寬,允許測量更多的過(guò)程介質(zhì)。
蒸汽流量計目前的技術(shù)水平已發(fā)展到可在控制回路中較好地應用。但是,由于所處環(huán)境、工藝介質(zhì)及管路系統等復雜性,真正應用好蒸汽流量計,還需要廣大用戶(hù)在實(shí)踐中不斷摸索?？梢韵嘈?隨著(zhù)制造工藝、新材料和微處理技術(shù)的發(fā)展,新一代的蒸汽流量計必將展示出更加優(yōu)異的性能。為越來(lái)越多的用戶(hù)所接受,未來(lái)的流量測量領(lǐng)域,蒸汽流量計必將占有重要的一環(huán)。

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