一種蒸汽流量計在線比對方法

顧林

關鍵詞： 插入式渦街質量流量計 在線比對 高溫高壓介質 節能降耗

中圖分類號： TE967 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0080-05

目前流量計在線比對多采用便攜式超聲波流量計現場比對，可測量生產水、生活水、污水、氣體等介質，但這一方法不適用測量蒸汽這種高溫高壓介質的流量計[1]。

蒸汽作為重要的能源介質，企業很難單獨為流量計檢定而停車，實際情況多為大修期才有可能完成此項工作，受檢修期限和檢定時效的束縛，即使大修期有時也無法完成蒸汽計量儀表檢定工作，導致蒸汽流量計的送檢率一直較低。因此，急需一種蒸汽流量計在線比對方法，在不需要蒸汽管道停運放空的條件下，完成蒸汽流量計的現場在線比對。

1 現有流量計在線比對方法介紹

現有液體流量計的校準方法主要有容積法、質量法、標準體積管法和標準流量計比較法。氣體流量計的校準方法主要有音速噴嘴法、伺服式標準流量計比較法和鐘罩法[2]。

實際工作中，多為用經過檢定合格的便攜式超聲波流量計（標準表）與現場流量計進行串聯，記錄標準表和現場流量計的瞬時流量、累計流量，從而進行在線比對校準[3]，具體見圖1。常見介質為生產水、生活水、循環水、污水、壓縮空氣等。

2 蒸汽流量計比對問題提出

某新材料科技園蒸汽按質量進行貿易核算，計量器具常見配備方式為體積流量測量、壓力測量、溫度測量和流量累積。計量器具檢定工作只有在蒸汽管道停運狀態，才可能完成流量計送檢。管道停運、冷卻、拆除流量計、送檢、檢定、回裝需要3～10 個工作日（檢定時間不可控）。在實際工作中，計量器具送檢工作周期和生產裝置大修期經常無法合理銜接。計量器具配備情況如下[4]。

2.1 利用渦街流量計測量體積流量（口徑低于DN300）

渦街流量計測量體積流量，壓變和鉑電阻測量介質壓力和溫度，流量、壓力和溫度信號接入流量積算儀，流量積算儀進行溫壓補償轉換為質量流量。

2.2 利用差壓流量計測量體積流量（口徑大于DN300）

差壓流量計測量體積流量，壓變和鉑電阻測量介質壓力和溫度，流量、壓力和溫度信號接入流量積算儀，流量積算儀進行溫壓補償轉換為質量流量。常用差壓流量計有阿牛巴、德爾塔巴、槽道式等。阿牛巴流量計也可配多參量變送器，無須配備溫壓測點和積算儀。

檢定工作問題匯總如表1 所示。

3 在線比對建議性方法

因為蒸汽介質具有高溫高壓的特點，利用便攜式超聲波流量計進行現場比對目前沒有辦法實施，但對于蒸汽介質這種特殊介質，計量器具的在線比對既可以完成計量器具的校準工作，又不影響企業裝置的正常生產運行，某種程度上也避免了能源損耗（蒸汽管道需要放空）。

建議利用一種多參量插入式流量計，對現場蒸汽儀表進行在線比對，該流量計可在線插拔，自帶溫壓檢測元件，實時顯示瞬時流量、壓力、溫度和累積量。比對示意圖見圖2。

此方法不僅可對體積流量和累積量進行在線比對，壓力、溫度和質量流量也可以進行在線對比。

3.1 實現在線比對的條件

具體條件如下：（1）具有高性能、高精度、方便現場拆裝的標準表；（2）具備不停氣密封插拔技術；（3）具備不停氣安裝和開孔技術。

3.2 多參量插入式流量計

某多參量插入式流量計是20 世紀90 年代末研發的一款產品，它改變了流量測量的方式，是工業領域的第一臺多變量渦街質量流量計，是精確測量氣體、蒸汽與大多數液體的一個高性能、高經濟效益的解決方案。該流量計可提供5 種過程變量輸出的渦街流量計：質量流量、體積流量、溫度、壓力、流體密度，不僅降低了初始成本、安裝成本、儀表使用周期內的其他成本花費，多變量質量流量監測方法還簡化了過程側流體的測量，如圖3 傳感器構造圖所示，通過一個安裝孔就可以測量流體的流速、溫度、壓力和密度。設備智能模塊擴大了測量范圍：雷諾數可低至5 000，量程比為30∶1，體積流量測量精度可達±1%，溫度范圍為-200～454 ℃，測量壓力達到345 barg。該產品有中華人民共和國計量器具型式批準證書（CPA），支持第三方計量院所（機構）送檢，內置AGA-8 天然氣測量、支持HART、Modbus和BACnet的數字通信協議、FMC和ATEX認證，是理想的蒸汽測量產品。

3.2.1 傳感器構造

插入式多參數渦街質量流量計原理主要是采用獨特的傳感器，如圖3 所示，通過直接測量3 個參數：流速、溫度和壓力，監測質量、流量。內置流量模塊根據前述3 個直接測量值計算質量流量和體積流量。流速、溫度和壓力傳感器位于渦街流量計的本體內。流量計流路中配有一個非流線形體（脫落桿），通過測量由脫落桿產生的渦街頻率來測量流速；溫度由鉑電阻檢溫器（PRTD）測量；壓力由固態壓力傳感器測量。上述3 個元件構成一個完整的傳感頭組件，安裝于流量計流體中的脫落桿下游。

3.2.2 流速測量

流速測量根據著名的馮卡曼渦街脫落現象實現。渦街從脫落桿脫落，位于脫落桿下游的渦街速度傳感器探測渦街通過。該流速測量方法具有多種優點，包括固有線性、高量程比、可靠和簡單操作。

馮卡曼渦街在脫落桿下游產生，并形成截然不同的兩部分，一部分沿順時針旋轉，另一部分則沿逆時針旋轉，且一次只產生一個渦街，在脫落桿左側和右側交替出現。渦街通過控制旁邊其他即將形成的漩渦與其周圍區域相互配合。在脫落桿附近，渦街之間的距離（或波長）通常為常數，可測量。因此，每個渦街包圍的體積保持恒定，如圖4 所示，利用流速傳感器探測通過的渦街數量，即可計算總體積流量。

流速傳感器配有一個檢測渦街頻率的壓電元件。該元件測量渦街脫落桿下游的馮卡曼渦街產生的交互提升力。該壓電元件產生的交互電荷經變送器的電子電路處理，即可測得渦街脫落頻率。該壓電元件敏感度極高，適用于大量程的流量、壓力和溫度。

線性范圍常用雷諾數表示。雷諾數是指流體中慣性力和粘性力的比率，其定義如下。

Re=ρVD/μ （1）

式（1）中：ρ 為所測流體的質量密度；V 為所測流體的流速；D 為液流通道的內徑；μ 為所測流體的粘性。

斯德魯哈爾數是另一個量化渦街現象的無量綱，其定義如下。

St=fd/V （2）

式（2）中：S t 為斯德魯哈爾數；f 為渦街分離頻率；d為脫落桿寬度；V 為流速。

校正示意圖如圖5所示，渦街流量計顯示大范圍雷諾數中一個恒定的斯德魯哈爾數[5]，且表示大范圍流量和流體類型中一個統一的線性輸出。在該線性范圍以下，該流量計的智能模塊根據雷諾數自動校正斯德魯哈爾數的偏差。智能模塊通過測量過程流體溫度和壓力，同時校正其非線性因素。隨后，該數據用于計算實時雷諾數。該流量計自動校正的雷諾數可低于5 000，而普通渦街流量計雷諾數低于20 000就無法保證精度[6]。

3.2.3 溫度測量

該流量計利用1 000 Ω的鉑電阻檢溫器（PRTD）測量流體溫度。

3.2.4 壓力測量

該流量計配有一個用316 不銹鋼隔膜隔開的固態壓力傳感器。該傳感器為微硅傳感器，根據集成電路處理技術制成，每個傳感器都經過9 個點的壓力/溫度校準。數字補償使該傳感器在-40～140 ℉（-40～60 ℃）環境溫度內，在0.3% 滿量程精度下運行。壓力傳感器的隔熱性能確保在-330～750 ℉（-200～400 ℃）的容許過程流體溫度范圍內獲得上述同等精度。

3.2.5 插入式流量計的安裝

插入式流量計安裝直管段要求與普通渦街流量計相似。為了實現在線插拔，流量計需要選擇配置一個隔離閥。

插入式流量計安裝步驟。

（1）確定安裝位置滿足上、下游管道的最小直徑要求。

（2）在管道上焊接1 個DN50 的適配器，保證適配器與管道中心線夾角在±5°范圍內（流量計精度允許范圍）。管道開口的直徑不得小于48 mm。

（3）在適配器上連接1 個DN50 的工藝連接件。

（4）在工藝連接件上連接1 個隔離閥，該閥門的全開孔徑不得小于48 mm。

（5）對焊接部位進行靜壓測試，如發現壓力損失或滲漏，排除接頭故障，并再次測試。

（6）將熱攻絲設備連接到隔離閥上，打開隔離閥，并開1 個直徑不小于48 mm 的孔。

（7）縮回鉆孔機，關閉隔離閥，并移除熱攻絲設備。

（8）將流量計連接至隔離閥，并打開隔離閥。

（9）計算傳感器探頭的插入深度，將傳感器探頭插入管道中。

流量計連接件、隔離閥和配件的壓力等級不得低于主管路的壓力等級。且熱攻絲必須由經過培訓的專業人員完成。上述步驟是在線安裝情況下，如果蒸汽停運，可以在管道上直接切割開孔安裝。

傳感器必須適當安裝在管道內，因此，需符合所計算的插入深度。如傳感器探頭插入管道內的深度有誤，則將導致讀數不準確。插入式流量計適用于不小于DN50 的管道。對于尺寸不大于DN250 的管道，安裝時傳感器的中心線與管道中心線重合。對于尺寸大于DN250 的管道，傳感器的中心線位于離管道內壁125 mm 的管道橫截面上。

4 結語

以上在線比對方法理論上可以實現蒸汽計量器具的在線比對，但目前多參量插入式渦街流量計的質量流量精度和普通渦街流量計差不多，精度還不夠高；另外需要在現場流量計上游預留插入口、閥門、盲板/管帽等管件；比對實施工作中，工作人員應該做好防燙防護措施。