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        渦街流量計在能源計量中的應用探討

        發布時間:2019-09-15 15:49:22 瀏覽:

        嘉興港區化工園區在構建“外供蒸汽→冷凝水回用→脫鹽水→鍋爐給水”能源循環利用產業鏈的發展過程中,能源計量發揮了積極作用,在中低壓蒸汽外供系統 (0.8、1.3、2.5、3.5 MPa蒸汽) 、水資源回用系統 (冷凝水、脫鹽水) 和集中供氣系統 (壓縮空氣、氮氣和氧氣) 的流量測量中廣泛采用了渦街流量計,為貿易結算提供了正確可靠的能源計量數據,創造了嘉興港區化工園區企業群“共生共贏”良好局面,取得了良好的經濟效益和社會效益。

        1 渦街流量計的工作原理

        渦街流量計利用“卡門渦街”原理。在流體中安放旋渦發生體,流體在旋渦發生體的下游兩側交替地分離出兩列有規律的交錯排列的旋渦,在一定雷諾數范圍內,該旋渦頻率與旋渦發生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關,旋渦的頻率正比于流量,其結構原理如圖1所示。

        圖1 卡門渦街傳感器

        圖1 卡門渦街傳感器   下載原圖

        頻率與流速的關系式為:

         

        式中:f為旋渦頻率,Hz;St為斯特勞哈爾數;v1為發生體兩側的平均流速,m/s;d為發生體迎流面的寬度,m;v為管道平均流速,m/s;m為旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比。

        由流速得到管道的體積流量公式為:

         

        式中:D為管道內徑, m;K為渦街流量計的儀表系數;Ri為瞬時流量單位時間校正系數;若K系數單位是脈沖/升;qv單位是m3/h, 則Ri=3.6。

        從式 (3) 可見,對于不可壓縮流體,表征渦街流量計特性的儀表系數K與斯特勞哈爾數St有關,與漩渦發生體 (m, d) 、管道的幾何尺寸 (D) 有關。

        對于可壓縮流體由連續性方程可推導得到v1與管道平均流速v的關系為:

         

        v1和v關系不僅與m相關,還和被測介質的等熵指數κ、壓力p1、密度ρ1相關。被測介質的流量是由管道平均流速v所反映出來,而渦街流量計所檢測到的旋渦所表示的流速是旋渦發生體兩側的平均流速v1,對由于流體的壓縮性所引起的v1的差異性說明渦街流量計在氣體 (蒸汽) 測量中流速≥35 m/s時,測量準確度等級會降低0.5%。下面重點分析在各種不同流體介質條件下K的影響因素和變化規律。

        2 渦街流量計儀表系數K的影響因素和變化規律

        2.1 管道雷諾數的影響

        就多數渦街流量計而言,管道雷諾數ReD在2×104~7×106范圍內,斯特勞哈爾數St可看做常數,在此區間可保證測量精度。斯特勞哈爾數St是渦街流量計的重要系數。如圖2所示,曲線St≈0.17時,旋渦頻率與流速成正比。

        圖2 St與ReD的關系曲線圖

        圖2 St與ReD的關系曲線圖   下載原圖

        2.2 溫度的影響

        從式 (3) 中可以看出,溫度對渦街流量計K系數計量特性的影響主要有如下3個因素:D、m、d,在不同流體介質條件下,機械結構尺寸的變化主要是由于溫度的變化帶來的熱脹冷縮引起,對圖1所示發生體,得到m的計算公式為:

         

        對流體流通面積而言,可以把旋渦發生體看作為矩形 (寬為d,長為D,見圖1) ,面積比為

         

        將式 (7) 代入儀表系數式 (3) 中得:

         

        當渦街流量計發生體為圖1所示形狀時,在d/D=0.28時,產生的旋渦強度和旋渦的穩定性最好,故取d/D=0.28代入式 (8) 中得

         

        由金屬材料的線性膨脹公式得

         

        式中:Dt為溫度為t的殼體直徑;D20為20℃時殼體的直徑;α為材料線性膨脹系數。

        根據式 (9) 和式 (10) 得到由于溫度變化而引起的儀表系數的變化為

         

        式中:Kt、K20分別表示溫度為t和20℃時儀表系數。

        發生體和殼體為不銹鋼材質 (1Crl8Ni9Ti) ,在20~300℃時線性膨脹系數α為16.6×10-6,將α和不同溫度下的Kt帶入式 (11) 中得到數據如表1所示。

        表1 溫度變化引起儀表系數的變化     下載原表

        表1 溫度變化引起儀表系數的變化

        由此計算分析可以看出,隨著介質溫度升高或降低,渦街流量計機械結構因熱脹冷縮 (D、m、d) 尺寸發生變化,引起儀表系數Kt隨之變化,因此,渦街流量計使用時一定要重視“工況狀態下的溫度設定”這個參數設置,設定溫度越接近測量介質的溫度,測量誤差越小。

        2.3 氣體 (蒸汽) 壓縮性引起的影響

        水為不可壓縮流體,可按照式 (1) 計算得到介質為水時發生體兩側的平均流速v1w??諝夂驼羝麨榭蓧嚎s流體,由式 (5) 可得到工況下的介質為空氣和蒸汽時發生體兩側的平均流速v1a、v1s與v1w比較,可計算分析得到由于介質的可壓縮性帶來的測量誤差。

        實驗條件下空氣、蒸汽、水為測試流體介質時,各測試條件參數如表2所示。

        表2 實驗測試條件各流體介質參數     下載原表

        表2 實驗測試條件各流體介質參數

        將上述參數帶入式 (4) 中,采用matlab對公式進行分析計算,得到v1w、v1a、v1s隨v變化的數值,如表3所示。

        表3 不同條件下發生體兩側平均速度比較     下載原表

        表3 不同條件下發生體兩側平均速度比較

        表3的后2列分別表示了空氣、蒸汽由于可壓縮性而引入的計量偏差,由計算數據可以得出,相同管道平均流速v的條件下,可壓縮介質發生體兩側的流速均比不可壓縮流體的流速v1大,并且隨v的增大,引起的差值增大,v1的相對偏差也越來越大,在流速為50 m/s時由于介質的可壓縮性可引起接近0.5%的偏差,這也是大多數的渦街流量計在選型資料中提到的渦街流量計在氣體 (蒸汽) 流量測量中準確度等級是1.5級,而在液體中準確度等級能達到1.0級的原因,也有渦街流量計的選型樣本中明確氣體 (蒸汽) 流量測量中在流速低于35 m/s時準確度等級是1.0級,在流速高于35 m/s到允許的最大流速測量范圍內準確度等級是1.5級,因此在蒸汽流量測量應用中,常用流量的流速在 (20 m/s≤v≤35 m/s) 范圍內是比較合理的。

        2.4 渦街流量計在不同介質流量測量中的注意事項

        通過上述渦街流量計的測量原理和影響因素進行全面的分析,渦街流量計在不同介質流量測量中的共性、差異性及安裝應用注意事項如表4所示。

        表4 渦街流量計在不同介質流量測量中的注意事項     下載原表

        表4 渦街流量計在不同介質流量測量中的注意事項

        3 渦街流量計選型的計算舉例

        某一單位有一蒸汽計量,介質為過熱蒸汽,管道:325×10,管道材質15CrMo。設計壓力:3.7 MPa (G) ,設計溫度:400℃,設計密度ρ=12.912 5 kg/m3,操作動力粘度η=0.024 79 cP,最大流量80 000 kg/h,常用流量:60 000 kg/h,最小流量10 000 kg/h。

        在選擇渦街流量計口徑時,必須滿足條件:雷諾數在2×104~7×106的范圍內,選擇了雷諾數就確定了流速。選型經過如下。

        3.1 渦街流量計的口徑選擇

        根據公式:計算得到流速, 若渦街流量計的說明書提供口徑和標準值 (K系數和標稱脈沖頻率f標稱=f/v) , 還可以計算得到相應流速下的旋渦頻率f。

        計算得到DN200~DN300口徑的渦街流量計可保證精度的流量范圍,流速與流量的對應關系如表5所示。

        從表5可以看出,采用口徑為DN250渦街流量計常用流量下的流速為30.87 m/s,最小流速和最大流量時的流速也是滿足要求的,因此該管道蒸汽測量采用DN250、高溫型、分離型渦街流量計是比較合理的。

        3.2 選定口徑下的最大流量和最小流量時雷諾數Remax、Remin計算

         

        表5 不同口徑下流速與流量的對應關系     下載原表

        表5 不同口徑下流速與流量的對應關系
         

        式中:qm為工作狀態下的質量流量,kg/h;D為渦街流量計內徑,mm;η為工作條件下的粘度,MPa (cP) 。

        雷諾數滿足渦街流量計規定的范圍。因此,口徑選用DN250是適合的。

        4 溫度壓力補償

        由于渦街流量計屬于速度式流量計,流體流量測量所得的是工作狀態下的體積流量,而蒸汽貿易結算通常采用質量流量,氣體貿易結算通常采用標準狀態體積流量,因此需要采用溫壓補償測得溫度和壓力輸入DCS或流量結算儀得到補償系數,溫壓補償后獲得質量流量或標準狀態體積流量。

        5 檢定校準

        貿易結算的渦街流量計依法定期送國家法定計量機構進行強制檢定,按JJG 1029—2007《渦街流量計》檢定規程要求,檢定周期一般不超過2年。與渦街流量計配套的流量積算儀按JJG 1003—2016《流量積算儀》檢定規程要求,檢定周期一般不超過1年。

        6 結束語

        通過全面考慮影響渦街流量計測量精度的所有因素,正確選型、合理安裝和使用,選好儀表,用好儀表,充分發揮渦街流量計的優點,為園區企業間的貿易結算提供準確可靠的能源計量數據,從而不斷提高能源計量和能源管理水平。

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