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。 圖1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。臨界壓力比:γcr=水蒸汽音速:c=kpv當過流氣體為過熱蒸汽時:k=1.3,γcr=0.546pcr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。

   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。圖2渦街流量計就是利用卡門渦街原理,得到如下關系:f=(Sr·)b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ReD=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。