渦街流量計在貿易計量上的應用

劉 揚，杜 明

（1.天津市億環自動化儀表技術有限公司，天津 300409；2.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270）

渦街流量計是一種應用卡門渦街原理的流量計，用于液體、氣體和蒸汽的測量，也可測量含有微小顆粒、雜質的渾濁液體，廣泛應用于石油、化工、制藥、造紙、冶金、電力、環保、食品等行業。

1 渦街流量計的工作原理

渦街流量計是以卡門渦街理論為基礎：當流體流經非線性的三角柱擋體時，在擋體的兩側就會交替產生有規則的旋渦信號，該旋渦的分離頻率與流體的流速成正比[1]。渦街流量計結構原理如圖1所示。

圖1 渦街流量計結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of vortex flowmeter structure

根據卡門渦街原理，有如下關系式：

式中：

m—旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比（無量綱）；

D—表體通徑（單位：m）；

d—旋渦發生體迎面寬度（單位：m）；

f—旋渦的發生頻率（單位：Hz）；

U1—旋渦發生體兩側平均流速（單位：m/s）；

Sr—斯特勞哈爾數（無量綱）；

U—被測介質來流的平均速度（單位：m/s）；

qv—瞬時體積流量（單位：m3/s）；

K—流量計的儀表系數（單位：m-3）

由公式可見，平均儀表系數的大小只與渦街流量傳感器幾何尺寸即渦街口徑、阻擋體寬度與斯特勞哈爾數Sr 有關。斯特勞哈爾數與雷諾數的關系如圖2所示，可見，當雷諾數Re 在2×104～7×106之間時，Sr 可視為常數。也就是說，對于一臺口徑、阻擋體幾何尺寸已經確定的渦街流量計，它的儀表系數在一定的流速范圍內是定值的。

圖2 斯特勞哈爾數與雷諾數的關系Fig.2 Relationship between strohal number and reynolds number

2 渦街流量計的特點

1）可測量液體、氣體、蒸汽的流量；

2）輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實際體積流量成正比，且不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響；

3）結構簡單，無機械運動部件，長期運行穩定可靠；

4）量程比適中，普通傳感器量程比可達10∶1 以上，智能渦街流量計量程比可達40∶1；

5）壓力損失小，約為孔板流量計的1/4～1/2。

3 渦街流量計在貿易計量上的優勢

1）渦街流量信號為數字頻率方式，測量精度高

渦街流量計的旋渦分離頻率是與體積流量的大小成正比的，且分離頻率不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響。只要測量出旋渦個數，就可以準確計算出體積流量，而旋渦個數的測量是純數字概念，不存在測量數值上的誤差，讓渦街流量計具有了全量程范圍內流量信號精確的特點，是其它模擬類流量計不可比擬的優點。傳感器線性均為1%的脈沖型渦街和模擬類流量計精度對比如表1所示。

表1 渦街流量計和模擬型流量計精度對比Tab.1 Comparison of accuracy between vortex flowmeter and analog flowmeter

2）補償運算簡單，計算精度高，未知參數少

渦街流量計的體積流量可以通過測量旋渦分離頻率得知，蒸汽密度、氣體密度、壓縮系數都可以通過測量溫度壓力進行補償計算，且計算公式均為國標或國際公式，計算精度高。與差壓式流量計對比，差壓式流量計計算結果受密度、粘度、等熵指數、壓縮系數、氣體可膨脹系數以及結構尺寸熱脹冷縮變化的影響[2]，補償計算較復雜，且很多差壓式流量計并沒有氣體可膨脹系數的補償計算公式，因此，計量結果會存在一定偏差。

渦街流量計算法流程如圖3所示，圖中虛線框為外部采集信號，實線框為計算參數；差壓式流量計算法流程如有圖4所示，圖中虛線框為外部信號及已知參數，實線框為計算參數。

圖3 渦街流量計算法流程Fig.3 Flow chart of vortex flowmeter algorithm

圖4 差壓式流量計算法流程Fig.4 Flow chart of differential pressure flowmeter algorithm

3）儀表測量異常時，能快速分析判斷

由于卡門渦街流量信號是由旋渦頻率數值來體現的，在正常情況下，旋渦分離頻率是穩定的，只有當傳感器發生異常或工況發生變化時，旋渦分離頻率才會有很大的變化，因此，通過觀察渦街流量傳感器頻率變化范圍的大小，可以很方便的分析出傳感器是否存在故障，不會出現模擬類傳感器在使用時因為零點偏移或模擬轉換誤差而帶來不易發現的計量誤差。渦街信號如圖5所示[3]。

圖5 渦街信號Fig.5 Vortex signal

觀察渦街流量計放大整形后波形，若為均勻方波信號，則為正常流量變化；若出現明顯不均勻方波信號，則可能為外界干擾、超出測量范圍或傳感器故障導致。

4 渦街流量計在貿易計量上的注意事項

除常規的選型設計外，渦街流量計用在貿易計量時，還應注意以下幾點：

1）蒸汽狀態變化對流量測量的影響

測量蒸汽時，在蒸汽經過閥門或較長管道輸送后，可能會產生蒸汽狀態變化的情況：

（1）過熱蒸汽變為飽和蒸汽

過熱蒸汽在管道輸送過程中，會產生熱能損失，即溫度降低。當溫度降到一定程度時，會從過熱蒸汽狀態進入臨界干飽和狀態或過飽和狀態。

如進入干飽和狀態，理論上不會產生計量誤差。因干飽和蒸汽仍屬于蒸汽范疇，且測量過熱蒸汽一般選用溫度壓力雙補償方式，同時適用于過熱蒸汽和干飽和蒸汽的密度補償。

如進入過飽和狀態（即濕飽和狀態），濕度會以水滴、水霧的狀態存在，勢必影響介質的密度。但蒸汽的密度補償算法僅適用于干蒸汽的計量，因此濕度越大（干度越小），誤差越大。一般情況下，干度≥95%時，誤差較小；干度＜95%時，誤差過大。

解決方法：

①減短輸送管道距離；

②做好管道的保溫；

③當輸送管道過長時，將儀表安裝管道抬高，或增加排液裝置。

（2）飽和蒸汽變為過熱蒸汽[4]

理想的飽和蒸汽狀態是溫度、壓力、密度呈一一對應關系，知道其中一個參數，即可計算出另外兩個，因此測量飽和蒸汽一般采用單補償方式，即單溫度補償，或單壓力補償。但當飽和蒸汽經過加壓閥產生大幅降壓時，可能由飽和狀態轉變成過熱蒸汽。此時若采用單溫度補償計算的密度誤差較大，采用單壓力補償計算的密度誤差相對較小；如果能選用溫壓補償方式，則不會產生誤差。

蒸汽減壓和流量測量示意圖如圖6所示。化工廠鍋爐出口的飽和蒸汽（1 MPa，184.1 ℃），經過減壓閥后轉變為過熱蒸汽狀態（0.42 MPa，162.4 ℃，密度2.7048 kg/m3），不同補償方式計算的密度對比如表2所示，溫度補償誤差高達27.61%，而壓力補償誤差僅在2.60%。

圖6 蒸汽減壓和流量測量示意圖Fig.6 Schematic diagram of steam decompression and flow measurement

表2 飽和蒸汽的不同補償方式計算密度對比Tab.2 Comparison of calculation density of different compensation methods for saturated steam

解決方法：

①流量計安裝在減壓裝置上游；

②若安裝在減壓裝置下游，盡量采用溫壓雙補償方式，或單壓力補償方式。

2）選擇具有內置高精度標準算法的渦街流量計

軟件算法會對渦街流量計計量的精度造成較大影響。如蒸汽密度、氣體壓縮系數，都是影響計算精度的關鍵參數。

蒸汽密度的計算方法有查表法和公式法兩種，兩種算法中公式法相對精度高，并且可以對蒸汽飽和及過熱區域進行判斷；查表法覆蓋區域有限，對于蒸汽飽和及過熱區域沒有準確的界限。

氣體的壓縮系數也是隨工況條件而變化的，如果默認按1 計算，則計算結果會存在一定偏差。因此，測氣體，尤其是測天然氣時，應選用帶有壓縮系數補償功能的渦街流量計。天然氣壓縮系數曲線如圖7所示。

圖7 天然氣壓縮系數曲線Fig.7 Natural gas compression coefficient curve graph

5 結語

渦街流量計是目前最適合貿易計量的流量計之一，因為通過渦街輸出的漩渦頻率的穩定性能夠直觀地判斷出流量計工作是否異常，且壓損小、安裝方便，長期使用中渦街流量計產生的表體結構偏差對儀表系數的影響很小，因此可以長期作為計量儀表使用。