陳忠革

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渦街流量計(jì)的選型與應(yīng)用

陳忠革

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

本文首先介紹了渦街流量計(jì)的工作原理，并對渦街流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；其次結(jié)合采油平臺(tái)實(shí)際工況進(jìn)行了流量儀表選型；并且介紹了針對渦街流量計(jì)的防振措施；最后通過計(jì)算對比分析，證明渦街流量計(jì)是一款相對節(jié)能的流量計(jì)。

渦街流量計(jì) 振動(dòng) 節(jié)能

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了有效地指導(dǎo)生產(chǎn)操作、監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，經(jīng)常需要檢測生產(chǎn)過程中各種流動(dòng)介質(zhì)（如液體、氣體或蒸汽）的流量，以便為管理和控制生產(chǎn)提供依據(jù)。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)之間經(jīng)常有物料的輸送，需要對它們進(jìn)行精確的計(jì)量，作為經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)。所以，流量監(jiān)測在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中顯得十分重要。

1 工作原理

渦街流量計(jì)（又稱漩渦流量計(jì)）是根據(jù)“卡門漩渦”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表?！翱ㄩT漩渦”現(xiàn)象是在流動(dòng)的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線型柱狀物時(shí)，流體在柱狀物兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的漩渦。在測量管道的流體中設(shè)置非流線型的漩渦發(fā)生體，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，從漩渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯(cuò)排列的漩渦，這種漩渦稱為卡門渦街，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)漩渦的分離頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，漩渦的頻域正比于流量，并可由各種形式的傳感器檢出[1-3]。

圖1 卡門渦街

流量計(jì)利用卡門渦街原理如圖1所示，有如下關(guān)系式：

式中——阻流件的寬度，m；

圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

當(dāng)測量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算式為

P，——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下和工況下的絕對壓力，Pa；

T，——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下和工況下的熱力學(xué)溫度，K;

Z，Z——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下和工況下的氣體壓縮系數(shù)；

由式(5)可見，渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與漩渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。

2 優(yōu)勢與局限性

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1) 渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便。

2) 無可移動(dòng)部件，可靠性高。

3) 重量輕，價(jià)格便宜，在眾多的流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。

4) 適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，可計(jì)量多種流體介質(zhì)，如液體、氣體、高溫蒸汽、低溫液體和部分混相流體[4]。

5) 在一定的雷諾數(shù)范圍，輸出頻率信號不受流體物性（密度、黏度）和組分的影響。

6) 壓力損失小。

7) 在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)，而適用于各種介質(zhì)。

8) 可以通過確定斯特勞哈爾數(shù)與發(fā)生體幾何參數(shù)之間的關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)干標(biāo)定。

2.2 局限性

2)漩渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響。

3)除了熱敏和超聲式，其他種類的渦街流量計(jì)對管道機(jī)械振動(dòng)均較敏感，不宜用于強(qiáng)震動(dòng)場所。

4)儀表口徑不宜過大，一般口徑不超過300 mm。

5)渦街流量計(jì)適用的流體比較廣泛，但不適用于臟污流體。

6)渦街流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還少。

3 渦街流量計(jì)的初步選型

渦街流量計(jì)同樣具有局限性，也有其適用范圍，因此何種工況選用渦街流量計(jì)，選用哪一類的渦街流量計(jì)，選用多大口徑都是需要重點(diǎn)研究的課題。下面本文根據(jù)已經(jīng)投產(chǎn)的某油氣生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)際工況（表1）進(jìn)行了流量儀表的初步選型。

由表1中的工藝參數(shù)可知，管道介質(zhì)為生產(chǎn)水。它由原油處理系統(tǒng)的生產(chǎn)污水經(jīng)過斜板除油器除掉浮油后產(chǎn)生。除掉浮油后的生產(chǎn)污水進(jìn)入溶氣式氣浮進(jìn)一步去除污水中的小油滴。首先從管道尺寸考慮，由于管道尺寸為8*25.4=203.2 mm，超出靶式流量計(jì)（15~50 mm）和科氏流量計(jì)（150~200 mm）的常用測量管道尺寸范圍，排除靶式、浮子流量計(jì)和科氏流量計(jì)；從壓損方面考慮，排除孔板流量計(jì)（壓損：20~50 kPaG）；從安裝方式方面考慮，排除浮子流量計(jì)（需要垂直安裝）；容積式、超聲式、電磁式、渦街流量計(jì)滿足上述要求。最后從購置考慮，由于渦街流量計(jì)的購置、安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較低的特點(diǎn)，因此在此選擇渦街流量計(jì)作為初步選型儀表。

表1 某油氣生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)污水處理工況

通用項(xiàng)設(shè)備位號PSP-FE/FT-3004A 服務(wù)對象斜板除油器 精度要求1 % 管線號8"-PW-3004-A1-HT5 管線尺寸8'' 管線等級STD 管線儀表圖紙?zhí)朙D32-2-DWG-PSP-PR-3002(1/2) 工藝條件流體生產(chǎn)水 流速(m3/h)最小65正常150最大220 溫度(℃)最小正常50~80最大110 壓力(kPa/g)最小正常50最大 比重1 黏度(cP)0.35~0.55 最大允許壓差(kpa)20

4 防振措施探討

海洋平臺(tái)本身空間比較緊湊，在較小的空間內(nèi)布置了大量的工藝和生產(chǎn)設(shè)備。一些振動(dòng)源比如空氣壓縮機(jī)和泵會(huì)對渦街流量計(jì)的使用產(chǎn)生影響。在此介紹幾種減振措施[5,6]：

1）在儀表選型之初，就要確保渦街流量計(jì)安裝環(huán)境無振動(dòng)或振動(dòng)較小，不影響渦街流量計(jì)的正常工作；

2）抗振接頭耐壓、耐腐蝕、價(jià)格低、安裝簡單易行，可以擴(kuò)大渦街流量計(jì)的使用范圍，也適用于其他減振場所，此方法在海洋平臺(tái)中的渦街流量計(jì)的選型和使用過程中值得借鑒；

3）當(dāng)管道振動(dòng)速度大于1 g或者振動(dòng)頻率達(dá)到500 Hz以上時(shí)，在傳感器2倍口徑處安裝固定支撐點(diǎn)；

4）將渦街流量計(jì)軸向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，適當(dāng)調(diào)整渦街流量計(jì)觸發(fā)電平；

5）在小管徑流量測量中可以采用彈性軟管連接渦街流量計(jì)。

5 渦街流量計(jì)的能耗分析

渦街流量計(jì)屬于阻力型流量計(jì)。它們阻礙流體的流動(dòng)，使流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)產(chǎn)生壓力損失，從而引起輸送單位流體所用的推動(dòng)功的增加，即需要多消耗能量，實(shí)際使用的流量計(jì)多為阻力型流量計(jì)。

不同的阻力型流量計(jì)對流體阻礙作用的大小不同，阻礙作用的大小可由壓力損失表示。阻礙作用大的引起的能耗就大，如孔板、噴嘴流量計(jì)，渦街流量計(jì)次之。通常把能耗相對較小的流量計(jì)叫節(jié)能型流量計(jì)，相對于孔板、噴嘴流量計(jì)，渦街流量計(jì)能耗較小。從這三種流量計(jì)看，孔板流量計(jì)的壓損最大，通常為20~50 kPa；渦街流量計(jì)最小，通常為2~15 kPa。只有通過對流量計(jì)的能耗計(jì)算，才能了解每種流量計(jì)的能耗，也才能進(jìn)一步比較節(jié)能型流量計(jì)節(jié)能量的大小。

5.1 測量液體時(shí)壓損及能耗計(jì)算[7]

由于液體介質(zhì)可看作是不可壓縮性流體，壓力變化但密度不變。

1）用孔板時(shí)，壓損計(jì)算

2）用渦街時(shí)

由于不同資料上推薦的壓損計(jì)算公式略有不同，主要區(qū)別在于所用阻力系數(shù)不同，因此結(jié)果也不同，但差別不大，這里我們以下式計(jì)算:

5.2 測量氣體時(shí)壓損及能耗分析計(jì)算

若把氣體看作理想氣體，通過流量計(jì)的過程看作絕熱過程，則由工程熱力學(xué)可知：

壓損仍由式（6），式（8）計(jì)算。

表2 不同工況表格

介質(zhì)類型流速壓力溫度密度管徑孔徑比孔板前后壓差電機(jī)和泵效率 水38 m3/h717.5 MPa30 ℃994.6 kg/m350.8 mm0.54949 kPa0.85 空氣772 m3/h683 kPa52 ℃64 kg/h101.6 mm0.40349 kPa0.85 蒸氣5400 kg/h500 kPa151.84 ℃2.669 kg/m3100mm0.711860 kPa0.85

表3 能耗對比

類型壓損（水/ kPa）能耗（水/W）壓損（空氣/kPa）能耗（空氣/ kW）壓損（蒸氣/ kPa） 孔板33.5754.939.61291630.48 渦街0.510.844.93356.315.03

5.3 舉例計(jì)算

由表3和表4中的渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)在不同工況下的壓損和能耗對比可知，渦街流量計(jì)有相對較小的壓損和能耗，在孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)同時(shí)適用的工況下優(yōu)先選用渦街流量計(jì)。

6 結(jié)束語

本文在介紹渦街流量計(jì)的工作原理和優(yōu)點(diǎn)與局限性的基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)際工況進(jìn)行了選型并提出了具體防振措施。最后，介紹了一種壓損與能耗的計(jì)算方法，并通過與孔板流量計(jì)的對比，證明渦街流量計(jì)是一款相對節(jié)能的流量計(jì)。希望本文能對今后渦街流量計(jì)在海洋平臺(tái)中的選型和應(yīng)用提供借鑒和參考。

[1] 蔡武昌, 孫維清, 紀(jì)綱. 流量測量方法和儀表的選用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008: 143-162.

[2] 陸德民, 張振機(jī), 黃步余. 石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000: 96-100.

[3] 樂嘉謙. 儀表工手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 241-243.

[4] 王笑然. 淺析流量測量儀表——渦街流量計(jì)[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2006, 12(108): 11-13.

[5] 蘭向東. 渦街流量計(jì)應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制[J]. 煉油與化工, 2006, (2): 56-57.

[6] 薛潤林, 張勇, 劉玉霞. 渦街流量計(jì)防振措施的探討[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2001, 28(3): 69-72.

[7] 石書喜. 阻力型流量計(jì)能耗分析計(jì)算[J]. 節(jié)能, 2002, 8(241): 17-19.

Selection and Application of the Vortex Shedding Flowmeter

Chen Zhongge

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

TH814

A

1003-4862（2019）01-0061-04

2018-07-16

陳忠革（1985-），男，工程師。研究方向：儀表。E-mail: 279554135@qq.com