涡街流量计在氯碱工业中的应用

  主要用于工业管道介质流体的流量测量，其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量流体工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、黏度等参数的影响，可用来测量液体、气体、蒸汽等多种介质，且维护量小、成本低廉，因此被大范围的应用于氯碱行业。涡街流量计是基于卡门涡街原理(karmanvor-texstreet)做测量。当流体通过漩涡发生体时，发生体两侧会交替出现有规则的漩涡，这种旋涡称为卡门涡街。而且两侧漩涡的旋转方向相反(见图1)，每个漩涡将产生一个低压区，传感器监测压力变化并转换成脉冲信号。在流量计的允许量程范围内，涡街的形成具有一定的规律。因此，涡街频率与体积流量成比例关系。标定系数(K系数)为比例常数，也就是通常所说的仪表系数。K系数为流量计流量系数，其物理意义是每立方米流体的脉冲数。

  在流量计的允许量程范围内，K系数仅仅取决于流量计的几何尺寸，与流体流速和物理特性(如黏度和密度)无关。因此，K系数与被测介质类型无关。初始的测量信号(涡街频率)已进行数字化处理，与流量成线性比例关系。流量计在出厂前通过标定确定K系数。流量计的允许量程范围主要根据雷诺数(Ｒe)，Ｒe是流体的惯性力和黏性力的比值，用于表征流体的流动特性。在采用涡街流量计做测量时，当Ｒe＞4000后，仪表才会有显示值;当Ｒe＞20000后，仪表的测量值才是线性的。Ｒe的计算公式见式(1)。式中:Qe为流体流量，m3/s;di为内径，m;μ为流体动力黏度，Pa·s;ρ为流体密度，kg/m3。

  2涡街流量计的特点2．1优点(1)安装简易便捷，免维护(与差压式流量计比较)。(2)应用场景范围广，可以测量液体、气体以及蒸汽(与电磁流量计比较)。(3)测量液体、气体或蒸汽时，仪表内置的温度压力传感器直接补偿，可得出质量流量、标况流量、热量、比焓等值。(4)成本低、压损小(与科氏力质量流量计比较)。(5)结构相对比较简单牢固，无可动部件，常规使用的寿命长。(6)采用抗机械振动、抗冲击和抗脏污的结构设计。(7)更换传感器后不要重新标定。2．2缺点(1)量程比小于10∶1(质量流量计一般在25∶1，电磁流量计为100∶1)。(2)管道振动对流量计影响较大。(3)最小流量受Ｒe影响。(4)安装要求高，对直管段以及垫圈同心度有较高的要求(质量流量计无直管段要求，电磁流量计要求其前面直管段长度为10DN，其后面直管段长度为5DN)。3涡街流量计选型需要注意的几点涡街流量计按传感器形式分为法兰式、夹持式、插入式。选型时第一先考虑法兰式，其次是夹持式和插入式。原因是夹持式和插入式涡街流量计的精度受安装影响较大，不规范的安装将产生很大的测量误差。受Ｒe的影响，测量液体时，正常的情况下流量计口径小于管道口径一档，测量气体时缩径在一档到两档。要根据式(1)计算Ｒe，具体实际的要求是:最小流量时的Ｒe＞20000。如果担心计算结果的准确率，能委托涡街流量计生产厂商进行计算，厂家都有专业的计算软件(如E+H公司的Applicator流量计算软件)，可按照每个用户提出的要求(被测介质、流量范围、温度、压力)计算出介质密度、黏度、声速、流量范围(精度范围内)、压损、流速、体积流量误差、质量流量误差、Ｒe、涡街频率、推荐的仪表口径等参数。变送器的选用方式有两种:一体式和分体式，需根据现场使用条件和环境进行选型。在测量高温介质或安装在水井中的场合下，建议选用分体式仪表，以方便检修、调试或改善变送器的工作环境。在测量气体或蒸汽时，涡街流量计的选型一定要考虑温度和压力补偿问题［1］。因为气体是可压缩流体，当温度和压力变化时，其体积将随即改变。所以测量气体流量时均要求流量计输出质量流量或标准体积流量，而涡街流量计是速度式流量计，只能测量工况下的体积流量，这样就要求进行温度和压力补偿，将工况体积流量转换为质量流量或标况体积流量。测量一般气体时，补偿原理符合规定标准气体状态方程，方程式见式(2)。

  一般气体的温度和压力补偿由上位机(DCS控制管理系统)通过其专用补偿功能块实现。测量蒸汽时，不能使用标准气体状态方程，其一般有以下两种补偿方式可选用。(1)有些厂家的涡街流量计传感器内置温度和压力探头，仪表根据所测温度和压力判断蒸汽是饱和蒸汽还是过热蒸汽，由仪表内部集成的蒸汽数据库自动计算质量流量。当涡街流量计传感器无内置温度和压力测试元件时，只能在仪表内部做静态补偿(即输入固定的温度和压力值用于补偿)。此方法只适用于温度和压力变化不大的场所。(2)采用蒸汽流量积算仪，将涡街流量计所测工况体积流量以及温度和压力变送器所测信号传到蒸汽流量积算仪，通过蒸汽流量积算仪来完成温压补偿。蒸汽流量积算仪内置过热蒸汽以及饱和蒸汽所有数据，根据设计的流量测量单位可以输出质量流量、标准体积流量甚至热量和比焓等。4涡街流量计的安装要求被测介质具有稳定流态是保证涡街流量计正确测量的前提，要使涡街流量计的测量值更稳定、正确安装时需注意以下3点。(1)务必确保传感器铭牌上的箭头指向与流体流向一致。(2)涡街流量计对最小直管段的要求见图2。当现场存在2个或过多干扰源时，建议遵循最长的直管段要求。图2中的A表示前直管段，B表示后直管段，h表示管道扩径时产生的高度差;DN为管道直径。

  当现场不足以满足直管段要求时，建议采用与涡街流量计配套的流量镇流器。流量镇流器可以在确保测量精度的前提下，减少10DN的前直管段长度。(3)涡街流量计的安装方法及需要注意的几点。①涡街流量计的安装方法是安装在竖直管道上，流体自下而上流动为佳。②涡街流量计安装在水平管道时，当被测介质温度大于200℃时，变送器表头一定要向下安装，以免因介质温度过高烧坏变送器电路板［3］。③测量蒸汽时，管道保温别超过最大保温标志。④涡街流量计尽可能的避免安装在泵或压缩机出口较近或振动大的场所。⑤安装涡街流量计时，必须规范使用密封垫，密封垫口径绝不可小于流量计口径，而且密封圈不可进入管道。5涡街流量计使用中普遍的问题及对策(1)计量不准。①流速太低，Ｒe低于20000;对策:提高流速或流量计缩径。②管线振动大;对策:更改流量计安装位置、加固管线、流量计前后加软连接。③测量气体或蒸汽时补偿方式或参数不正确;对策:使用流量积算仪补偿或上位机(DCS)补偿。④流量计前后直管段不足;对策:更改流量计安装位置或加流量镇流器。⑤流量计安装时垫片不同心或伸入管道;对策:正确选用配套垫片并正确装配。⑥气液两相或液体中固含量多;对策:改善工艺过程条件。⑦仪表K系数或口径等关键参数被修改;对策:根据流量计铭牌信息输入正确参数。⑧仪表传感器损坏，导致传感器灵敏度变差;对策:更换传感器。(2)传感器损坏。①流速过快。根据经验，当流速超过仪表最大量程的95%以后，极易造成传感器的损坏;对策:减慢介质流速或更换大口径仪表。②水锤。在蒸汽测量中，99%的涡街流量计传感器损坏原因是因为水锤;对策:工艺管线增加疏水器，缓慢开启阀门以避免水锤产生。③管线吹扫时未拆下流量计，管道内残留焊渣、焊条、小铁块等会打坏传感器;对策:需拆下涡街流量计后再进行管道吹扫。④腐蚀。传感器材质选择不正确;对策:根据所测介质的特性选用正确材质的传感器。⑤高温。传感器工作时候的温度大于其额定值;对策:改善工艺条件或选用分体式传感器测量。6结论涡街流量计是依据卡门旋涡原理对封闭管道流体流量做测量的流量计，因拥有非常良好的介质适应能力，无需温度和压力补偿即可直接测量蒸汽、空气及其他气体、水及其他液体的工况体积流量，配备温度、压力传感器可测量标况体积流量和质量流量，是节流式流量计的理想替代产品。温度补偿一体型涡街流量计还带有温度传感器，可以直接测量出饱和蒸汽的温度并计算出压力，从而显示饱和蒸汽的质量流量。温压补偿一体型涡街流量计带有温度、压力传感器，用于气体流量测量，可直接测量出气体介质的温度和压力，从而显示气体的标况体积流量。涡街流量计可以测量液体、气体以及蒸汽等介质，在氯碱行业中大范围的应用。但只有在正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才可能正真的保证其测量正确稳定，发挥其应有的作用。