蒸汽介質(zhì)的超高流速對于氯乙烷流量計計量的影響及解決方案
點(diǎn)擊次數：1642 發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 06:45:10
氯乙烷流量計的測量技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，其主要優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)可動(dòng)部件，結構簡(jiǎn)單牢固，安裝方便，易于維護，費用支出少。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。氯乙烷流量計被廣泛 應用于蒸汽流量的計量，我們知道，一般情況下，流量計對于所測的流體的流速都有一定的要求，尤其于氯乙烷流量計是依靠流體產(chǎn)生的規律性的渦街進(jìn)行工作的，更要將流速限定于規定的范圍之內，太低和太高都會(huì )導致渦街不能工作或數值失真。但是在實(shí)踐工作中，我們卻發(fā)現有人利用氯乙烷流量計對于流速的要求來(lái)做文章，做一些違法的事情，使計量數值嚴重失真，導致客戶(hù)產(chǎn)生損失。做法就是使用一些看似無(wú)意其實(shí)違法的手段，致使下游的壓力驟降，導致蒸汽流速超過(guò)氯乙烷流量計測量流速上限，氯乙烷流量計不能正常工作，計量嚴重偏小。
具體說(shuō)明如下：
在多年的檢定工作中，我們發(fā)現有人使用了一個(gè)蒸汽氯乙烷流量計的漏洞，在保持氯乙烷流量計計量管段原封不動(dòng)的情況下，只在蒸汽出口處做文章，即可致使氯乙烷流量計計量嚴重偏小。
圖1中我們看到在氯乙烷流量計計量段，沒(méi)有任何修改，而在其后的大型儲氣罐卻大有文章。整個(gè)系統根據儲氣罐內壓力變化來(lái)對前后閥門(mén)分別進(jìn)行自動(dòng)控制，從而進(jìn)行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環(huán)操作。整個(gè)循環(huán)過(guò)程是：開(kāi)始時(shí)，儲氣罐是空的，閥門(mén)1、閥門(mén)2都關(guān)閉。然后閥門(mén)1快速打開(kāi)，上游0.8MPa的過(guò)和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲氣罐充氣漸滿(mǎn)，壓力升高至一定壓力后，關(guān)閉閥門(mén)1，打開(kāi)閥門(mén)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(guò)氯乙烷流量計的蒸汽以極高流速通過(guò)。
為什么這樣會(huì )使蒸汽流速達到非常高的程度呢？而氯乙烷流量計在高流速下計量會(huì )有什么問(wèn)題呢？
1 分析蒸汽的流速
臨界壓力比是分析管內流動(dòng)的一個(gè)重要數值，蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進(jìn)口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時(shí)，在臨界截面上，蒸汽流速達到臨界值音速c。
臨界壓力比：γcr=pcr/p1
水蒸汽音速：c=√ kpv
當過(guò)流氣體為過(guò)熱蒸汽時(shí)：k=1.3，γcr=0.546
pcr稱(chēng)為：臨界壓力。
所以我們得到：通過(guò)降低背壓比，能讓通過(guò)蒸汽的流速提升到相對于氯乙烷流量計來(lái)說(shuō)非常高的程度，甚至達到音速，過(guò)熱蒸汽音速可以達到500m/s以上。從熱網(wǎng)過(guò)來(lái)的蒸汽壓力一般高于0.8MPa，而在儲氣罐開(kāi)始充氣時(shí)，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(gè)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(lái)計算，背壓比為0.5。也就是說(shuō)，在大部分蒸汽通過(guò)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(guò)氯乙烷流量計測量流速上限的。通過(guò)這樣一個(gè)辦法，即能大幅度提高通過(guò)氯乙烷流量計的蒸汽流速，致使氯乙烷流量計計量嚴重偏少。不法用戶(hù)還狡辯，我的所有計量器具都通過(guò)了國家法定計量檢定機構的檢定。確實(shí)，這種情況，單是檢定流量計是無(wú)法發(fā)現問(wèn)題的。我們可以判斷，介質(zhì)的高流速對氯乙烷流量計的計量性能產(chǎn)生了很大的影響致使其計量不準。為什么這么說(shuō)呢？我們再來(lái)分析氣體的高流速對氯乙烷流量計的影響。
2 氯乙烷流量計工作原理
在流體中安放漩渦發(fā)生體，流體在漩渦發(fā)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(fā)生體的幾何尺寸有關(guān)，所產(chǎn)生的漩渦頻率f 正比于流量，此頻率可由各種傳感器檢出。
氯乙烷流量計就是利用卡門(mén)渦街原理，得到如下關(guān)系：
f =(Sr ·u )/b
式中：b ——阻流件的寬度，m； u——流經(jīng)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(wú)量綱）。
斯特羅哈爾數為無(wú)量綱參數，它與漩渦發(fā)生體的形狀及雷諾數有關(guān)。圖3所示為三角柱漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關(guān)系。
由圖3可見(jiàn)，在Re D=2×104～7×106范圍內 ，斯特勞哈爾數可視為常數。我們使用的氯乙烷流量計都是在斯特勞哈爾數視為常數的這個(gè)范圍內設計的。因此我們使用氯乙烷流量計時(shí)一定要避免測量介質(zhì)的雷諾數在2×104～7×106這個(gè)范圍外，超過(guò)這個(gè)范圍，斯特勞哈爾數不再是常數，氯乙烷流量計測得的頻率與流速也不再是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。也就是說(shuō)，超過(guò)雷諾數2×104～7×106這個(gè)范圍，便違反了氯乙烷流量計的設計原理，這時(shí)候氯乙烷流量計是不能正常計量的。因為雷諾數與介質(zhì)流速有關(guān)，所以我們具體到介質(zhì)流速的話(huà)，對于蒸汽來(lái)說(shuō)，氯乙烷流量計的流速測量范圍控制在5m/s～60m/s之間，好的氯乙烷流量計量程上限最多再往上延伸20%。因此在選型氯乙烷流量計的口徑和流量測量范圍時(shí)，要保證滿(mǎn)足這個(gè)流速限定。絕大部分氯乙烷流量計對于高流速介質(zhì)是沒(méi)有辦法計量的。所以上訴案例中，用普通氯乙烷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。
氯乙烷流量計是一種數字儀表，是通過(guò)傳感器來(lái)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(lái)看看在高流速下，氯乙烷流量計檢測漩渦頻率的情況。引用一個(gè)高流速下氯乙烷流量計的實(shí)驗[4]。該實(shí)驗在采用在線(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜分析時(shí)發(fā)現：在口徑為DN80及其以下的管線(xiàn)上，經(jīng)常會(huì )出現高于80m/s的高流速，其中有近一半的出現超過(guò)100m/s的高流速，更有甚者，流速高達180m/s。一般的氯乙烷流量計在通過(guò)介質(zhì)流速過(guò)高時(shí)，會(huì )發(fā)生劇烈的漏波現象，因而產(chǎn)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(fā)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(fā)生體后的流體運動(dòng)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(guò)高，流場(chǎng)變得更加復雜。此時(shí)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，高流速下的氯乙烷流量計的漏波十分明顯，正是利用了渦街的這個(gè)漏洞，讓氯乙烷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(shí)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，也遠高于氯乙烷流量計的測量上限，導致氯乙烷流量計的不正常工作。因此為了保證氯乙烷流量計正常計量，我們必須重視氯乙烷流量計的測量范圍，管內流速必須限定在氯乙烷流量計的測量范圍以?xún)取?br /> 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，在氯乙烷流量計后方管線(xiàn)上安裝臨界流文丘里噴嘴。當蒸汽通過(guò)臨界流文丘里噴嘴時(shí)，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(shí)，噴嘴喉部形成臨界狀態(tài)，流過(guò)噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量達到最大。這時(shí)蒸汽的質(zhì)量流量不受下游狀態(tài)變化的影響。根據這個(gè)原理，我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會(huì )發(fā)生壓力驟降的管段前，就能穩穩的限死上游通過(guò)氯乙烷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。
具體說(shuō)明如下：
在多年的檢定工作中，我們發(fā)現有人使用了一個(gè)蒸汽氯乙烷流量計的漏洞，在保持氯乙烷流量計計量管段原封不動(dòng)的情況下，只在蒸汽出口處做文章，即可致使氯乙烷流量計計量嚴重偏小。
圖1中我們看到在氯乙烷流量計計量段，沒(méi)有任何修改，而在其后的大型儲氣罐卻大有文章。整個(gè)系統根據儲氣罐內壓力變化來(lái)對前后閥門(mén)分別進(jìn)行自動(dòng)控制，從而進(jìn)行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環(huán)操作。整個(gè)循環(huán)過(guò)程是：開(kāi)始時(shí)，儲氣罐是空的，閥門(mén)1、閥門(mén)2都關(guān)閉。然后閥門(mén)1快速打開(kāi)，上游0.8MPa的過(guò)和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲氣罐充氣漸滿(mǎn)，壓力升高至一定壓力后，關(guān)閉閥門(mén)1，打開(kāi)閥門(mén)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(guò)氯乙烷流量計的蒸汽以極高流速通過(guò)。
為什么這樣會(huì )使蒸汽流速達到非常高的程度呢？而氯乙烷流量計在高流速下計量會(huì )有什么問(wèn)題呢？
1 分析蒸汽的流速
臨界壓力比是分析管內流動(dòng)的一個(gè)重要數值，蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進(jìn)口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時(shí)，在臨界截面上，蒸汽流速達到臨界值音速c。
臨界壓力比：γcr=pcr/p1
水蒸汽音速：c=√ kpv
當過(guò)流氣體為過(guò)熱蒸汽時(shí)：k=1.3，γcr=0.546
pcr稱(chēng)為：臨界壓力。
所以我們得到：通過(guò)降低背壓比，能讓通過(guò)蒸汽的流速提升到相對于氯乙烷流量計來(lái)說(shuō)非常高的程度，甚至達到音速，過(guò)熱蒸汽音速可以達到500m/s以上。從熱網(wǎng)過(guò)來(lái)的蒸汽壓力一般高于0.8MPa，而在儲氣罐開(kāi)始充氣時(shí)，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(gè)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(lái)計算，背壓比為0.5。也就是說(shuō)，在大部分蒸汽通過(guò)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(guò)氯乙烷流量計測量流速上限的。通過(guò)這樣一個(gè)辦法，即能大幅度提高通過(guò)氯乙烷流量計的蒸汽流速，致使氯乙烷流量計計量嚴重偏少。不法用戶(hù)還狡辯，我的所有計量器具都通過(guò)了國家法定計量檢定機構的檢定。確實(shí)，這種情況，單是檢定流量計是無(wú)法發(fā)現問(wèn)題的。我們可以判斷，介質(zhì)的高流速對氯乙烷流量計的計量性能產(chǎn)生了很大的影響致使其計量不準。為什么這么說(shuō)呢？我們再來(lái)分析氣體的高流速對氯乙烷流量計的影響。
2 氯乙烷流量計工作原理
在流體中安放漩渦發(fā)生體，流體在漩渦發(fā)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(fā)生體的幾何尺寸有關(guān)，所產(chǎn)生的漩渦頻率f 正比于流量，此頻率可由各種傳感器檢出。
氯乙烷流量計就是利用卡門(mén)渦街原理，得到如下關(guān)系：
f =(Sr ·u )/b
式中：b ——阻流件的寬度，m； u——流經(jīng)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(wú)量綱）。
斯特羅哈爾數為無(wú)量綱參數，它與漩渦發(fā)生體的形狀及雷諾數有關(guān)。圖3所示為三角柱漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關(guān)系。
由圖3可見(jiàn)，在Re D=2×104～7×106范圍內 ，斯特勞哈爾數可視為常數。我們使用的氯乙烷流量計都是在斯特勞哈爾數視為常數的這個(gè)范圍內設計的。因此我們使用氯乙烷流量計時(shí)一定要避免測量介質(zhì)的雷諾數在2×104～7×106這個(gè)范圍外，超過(guò)這個(gè)范圍，斯特勞哈爾數不再是常數，氯乙烷流量計測得的頻率與流速也不再是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。也就是說(shuō)，超過(guò)雷諾數2×104～7×106這個(gè)范圍，便違反了氯乙烷流量計的設計原理，這時(shí)候氯乙烷流量計是不能正常計量的。因為雷諾數與介質(zhì)流速有關(guān)，所以我們具體到介質(zhì)流速的話(huà)，對于蒸汽來(lái)說(shuō)，氯乙烷流量計的流速測量范圍控制在5m/s～60m/s之間，好的氯乙烷流量計量程上限最多再往上延伸20%。因此在選型氯乙烷流量計的口徑和流量測量范圍時(shí)，要保證滿(mǎn)足這個(gè)流速限定。絕大部分氯乙烷流量計對于高流速介質(zhì)是沒(méi)有辦法計量的。所以上訴案例中，用普通氯乙烷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。
氯乙烷流量計是一種數字儀表，是通過(guò)傳感器來(lái)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(lái)看看在高流速下，氯乙烷流量計檢測漩渦頻率的情況。引用一個(gè)高流速下氯乙烷流量計的實(shí)驗[4]。該實(shí)驗在采用在線(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜分析時(shí)發(fā)現：在口徑為DN80及其以下的管線(xiàn)上，經(jīng)常會(huì )出現高于80m/s的高流速，其中有近一半的出現超過(guò)100m/s的高流速，更有甚者，流速高達180m/s。一般的氯乙烷流量計在通過(guò)介質(zhì)流速過(guò)高時(shí)，會(huì )發(fā)生劇烈的漏波現象，因而產(chǎn)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(fā)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(fā)生體后的流體運動(dòng)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(guò)高，流場(chǎng)變得更加復雜。此時(shí)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，高流速下的氯乙烷流量計的漏波十分明顯，正是利用了渦街的這個(gè)漏洞，讓氯乙烷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(shí)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，也遠高于氯乙烷流量計的測量上限，導致氯乙烷流量計的不正常工作。因此為了保證氯乙烷流量計正常計量，我們必須重視氯乙烷流量計的測量范圍，管內流速必須限定在氯乙烷流量計的測量范圍以?xún)取?br /> 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，在氯乙烷流量計后方管線(xiàn)上安裝臨界流文丘里噴嘴。當蒸汽通過(guò)臨界流文丘里噴嘴時(shí)，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(shí)，噴嘴喉部形成臨界狀態(tài)，流過(guò)噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量達到最大。這時(shí)蒸汽的質(zhì)量流量不受下游狀態(tài)變化的影響。根據這個(gè)原理，我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會(huì )發(fā)生壓力驟降的管段前，就能穩穩的限死上游通過(guò)氯乙烷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。