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高温型涡街流量计的工作原理及实际应用

自20世纪60年代末开始研制涡街流量计至今,人们已经相继开发出了多种类型阻挡体及漩涡检测方法的涡街流量计,并在管道流量测量中得到了广泛应用。随着相关科学技术的不断发展,涡街流量计的整体性能也在不断地提高,并以其测量精度高、量程范围宽、压力损失小以及极高的性价比等特点[1],越来越被广大用户所认可。涡街流量计也因此而跻身于通用流量计之列。 
    然而,随着普通涡街流量计使用量的增多,人们逐渐发现,虽然它具有很多优点,但在使用过程中还是存在着诸如可测介质温度低(受信号检测传感头材料限制,一般长期使用温度低于350℃)、更换传感器测头麻烦、可靠性能差等使用上的局限性。也正是因为如此,在重要的控制场合和测量高温介质的流量系统中,普通涡街还是一直不能够被选用。为了解决普通涡街在使用上的局限性,技术人员凭借多年的制造和使用经验,在普通涡街流量计的基础上,研制开发出了一种不断流传感头可拆高温型涡街流量计(后文简称为不断流涡街)。该涡街流量计将漩涡检测传力杆与信号检测传感头通过隔离装置巧妙地隔离。由于不断流涡街的传力杆与信号检测传感头是完全密闭隔离的,使得信号检测传感头的使用温度要远远低于被测介质的实际温度。这样既解决了普通涡街不能在线不断流更换以及维护信号检测传感头的问题,又解决了普通涡街测量介质温度低的问题。
    1 不断流涡街的结构原理
    不断流涡街同样是以卡门涡街原理为依据测量流体流速的,但不断流涡街表体已经在结构上有了质的改变。如图1所示,它将普通涡街单一的信号检测传感头改变为传力杆与信号检测传感头两部分,并通过隔离装置完全隔离。当表体中流过流体并产生漩涡时,由传力杆检测漩涡的变化,并以力的形式传递给信号检测传感头,完成了力信号到电信号的转换过程。虽然传力杆与流体直接接触,但其本身只是进行力传输的杠杆,因此,只对外形尺寸及钢材选择上具有要求。而信号检测传感头是通过隔离装置与流体完全密闭隔离的,再加上隔离装置本身具有的散热功能,使得信号检测传感头的使用温度要远远低于流体的实际温度,从而有效地提高了普通信号检测传感头的可测介质温度。同时,不断流涡街在进行维修更换信号检测传感头时,并不影响工艺管道内流体的流动,真正实现了信号检测传感头的不断流拆装维护。
    1.1 表体结构
    各部件功能说明如下:
    ①阻流体。和普通涡街流量计一样,阻流体作为不断流涡街的漩涡发生体,其外形尺寸与对应口径的普通型涡街阻流体在材质及外形尺寸上完全相同。
    ②传力杆。用于检测流体流过阻流体后产生漩涡振动频率的传感头。
    ③信号检测传感头。用于将振动频率转换成与之对应的电荷信号的传感头。
    ④隔离装置。实现将表体内流体与外界及信号检测传感头隔离的装置,同时还具有为信号检测传感头散热的功能。
    1.2 测原理
    由于不断流涡街的阻流体与相同口径普通涡街流量计的阻流体在结构和外形尺寸上是完全相同的(不同的只是漩涡频率的检测方法)。由卡门涡街原理可知,不断流涡街漩涡频率的计算方法与普通涡街完全相同。在不断流涡街表体中设置阻流体(漩涡发生体),从阻流体两侧交替地产生有规则的漩涡,这种漩涡称为卡门涡街,漩涡在阻挡体下游非对称地排列。
    根据卡门涡街原理,有如下关系式[2]:
    式中:m为漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比;D为表体通径,mm;d为漩涡发生体迎面宽度,mm;?为漩涡的发生频率,Hz;u1为漩涡发生体两侧平均流速,m/s;sr为斯特劳哈尔数;U为被测介质来流的平均速度,m/s。管道内体积流量qu为:
    式中。qu为瞬时体积流量,m3/s,k为流量计的仪表系数,脉冲数/m3,即p/m3。由式(3)与式(4)得出:
    式中:Q为瞬时工况体积流量,m3/h。
    在实际标定过程中,相同口径的不断流涡街与普通涡街流量计在可测流量范围、基本误差、重复性等参数上基本一致,达到了设计和使用精度的要求。
    2 不断流涡街实际检定情况
    分别用精度0.5级音速喷嘴气体标定装置、精度0.2级称重法水标定装置对DN50口径的不断流涡街进行实际标定,其标定数据如表1、表2所示。
    由表1和表2的实际标定数据可知,在量程比大于1:10的情况下,用不断流涡街流量计测量气体或液体介质时,基本误差及重复性均能达到中华人民共和国机械行业标准JB/T9249一1999《涡街流量传感器》[3]中所规定的精度要求。
    3 实际使用过程中与普通涡街流量计的对比
    3.1 可测流体温度
    普通涡街流量计受表体结构及信号传感头材料(压电晶体)的限制,一般允许最高工作温度为350℃,而长期使用温度应低于300℃,否则会大大缩短信号检测传感头的使用寿命[4]。而不断流涡街由于独特的隔离型结构设计,使信号检测传感头与高温流体介质完全隔离,再加上隔离装置本身具有散热功能,使得信号检测传感头的实际使用温度要远远低于流体温度。
    通过在大港石油420℃高温过热蒸汽主管道上近两年的实际使用情况表明,将普通耐温300℃的压电式传感头用作不断流涡街中的信号检测传感头,不断流涡街可在流体温度高达420℃工艺管道上长期、稳定、准确、可靠的运行。由此可见,这种传感头不断流拆装的隔离结构设计将普通传感头的长期使用温度提高了约120℃。
    3.2 不断流拆装
    图2a为普通涡街流量计的现场安装结构示意图[5]。在重要的流量系统中,为了在流量仪表发生故障时不影响工艺过程,安装普通涡街流量计时,一般需要同时安装旁路系统。对流量计进行维护时,为了保证管道内介质的正常流动而不影响工艺过程,将3#阀门打开后,关闭1#禅阀门、2#阀门,再将涡街表体拆下,方可进行传感头的拆装更换。这样既增加了工艺管线的旁路设施及泄漏点,又增加了维护人员的工作量。
    图2b为不断流涡街的现场安装结构示意图。由于不断流涡街具有不断流拆装信号检测传感头的功能,所以并不需要在工艺管线中安装繁琐的旁路系统。当不断流涡街出现故障或信号检测传感头损坏时,不需要关闭阀门和拆卸表体,便可以直接对信号检测传感头进行检修及拆装维护。这样不仅实现了涡街信号检测传感头的现场不断流拆装,而且还完全省却了繁琐的旁路设施。既简化了工艺管线,又减少了维护人员的工作量。
    现场两年多的实际运行情况证明,安装在蓝星石化气分装置、余碳四装置控制系统工艺管道上的不断流涡街运行稳定可靠,维护简单方便,完全能够满足现场控制精度及工艺流程的要求。同时,由于省略了以往安装流量仪表时所需的旁路设施,还为企业节省了大量的资金。
    不断流涡街不仅延续了普通涡街的全部优点,同时由于具有的不断流拆装信号传感头功能,所以去掉了以往流量仪表安装时繁琐的旁路设施,提高了可测介质温度(可长期工作在420℃高温介质的工艺管线上)。也正是融合了这些优点,不断流涡街才彻底改变了普通涡街不能被应用于重要控制系统的尴尬局面,极大地拓宽了涡街流量计的适用范围。从不断流涡街流量计的实际标定情况及现场实际使用情况来看,它运行稳定可靠,完全能够满足工艺流程要求,因此可广泛地应用于石油、化工、冶金、蒸汽热网计量以及其它重要控制系统的流量工艺管线中。
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