顧林

關(guān)鍵詞： 插入式渦街質(zhì)量流量計(jì) 在線比對(duì) 高溫高壓介質(zhì) 節(jié)能降耗

中圖分類號(hào)： TE967 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0080-05

目前流量計(jì)在線比對(duì)多采用便攜式超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，可測(cè)量生產(chǎn)水、生活水、污水、氣體等介質(zhì)，但這一方法不適用測(cè)量蒸汽這種高溫高壓介質(zhì)的流量計(jì)[1]。

蒸汽作為重要的能源介質(zhì)，企業(yè)很難單獨(dú)為流量計(jì)檢定而停車(chē)，實(shí)際情況多為大修期才有可能完成此項(xiàng)工作，受檢修期限和檢定時(shí)效的束縛，即使大修期有時(shí)也無(wú)法完成蒸汽計(jì)量?jī)x表檢定工作，導(dǎo)致蒸汽流量計(jì)的送檢率一直較低。因此，急需一種蒸汽流量計(jì)在線比對(duì)方法，在不需要蒸汽管道停運(yùn)放空的條件下，完成蒸汽流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)在線比對(duì)。

1 現(xiàn)有流量計(jì)在線比對(duì)方法介紹

現(xiàn)有液體流量計(jì)的校準(zhǔn)方法主要有容積法、質(zhì)量法、標(biāo)準(zhǔn)體積管法和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)比較法。氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)方法主要有音速噴嘴法、伺服式標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)比較法和鐘罩法[2]。

實(shí)際工作中，多為用經(jīng)過(guò)檢定合格的便攜式超聲波流量計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)表）與現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)進(jìn)行串聯(lián)，記錄標(biāo)準(zhǔn)表和現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量，從而進(jìn)行在線比對(duì)校準(zhǔn)[3]，具體見(jiàn)圖1。常見(jiàn)介質(zhì)為生產(chǎn)水、生活水、循環(huán)水、污水、壓縮空氣等。

2 蒸汽流量計(jì)比對(duì)問(wèn)題提出

某新材料科技園蒸汽按質(zhì)量進(jìn)行貿(mào)易核算，計(jì)量器具常見(jiàn)配備方式為體積流量測(cè)量、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量和流量累積。計(jì)量器具檢定工作只有在蒸汽管道停運(yùn)狀態(tài)，才可能完成流量計(jì)送檢。管道停運(yùn)、冷卻、拆除流量計(jì)、送檢、檢定、回裝需要3～10 個(gè)工作日（檢定時(shí)間不可控）。在實(shí)際工作中，計(jì)量器具送檢工作周期和生產(chǎn)裝置大修期經(jīng)常無(wú)法合理銜接。計(jì)量器具配備情況如下[4]。

2.1 利用渦街流量計(jì)測(cè)量體積流量（口徑低于DN300）

渦街流量計(jì)測(cè)量體積流量，壓變和鉑電阻測(cè)量介質(zhì)壓力和溫度，流量、壓力和溫度信號(hào)接入流量積算儀，流量積算儀進(jìn)行溫壓補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量。

2.2 利用差壓流量計(jì)測(cè)量體積流量（口徑大于DN300）

差壓流量計(jì)測(cè)量體積流量，壓變和鉑電阻測(cè)量介質(zhì)壓力和溫度，流量、壓力和溫度信號(hào)接入流量積算儀，流量積算儀進(jìn)行溫壓補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量。常用差壓流量計(jì)有阿牛巴、德?tīng)査?、槽道式等。阿牛巴流量?jì)也可配多參量變送器，無(wú)須配備溫壓測(cè)點(diǎn)和積算儀。

檢定工作問(wèn)題匯總?cè)绫? 所示。

3 在線比對(duì)建議性方法

因?yàn)檎羝橘|(zhì)具有高溫高壓的特點(diǎn)，利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)目前沒(méi)有辦法實(shí)施，但對(duì)于蒸汽介質(zhì)這種特殊介質(zhì)，計(jì)量器具的在線比對(duì)既可以完成計(jì)量器具的校準(zhǔn)工作，又不影響企業(yè)裝置的正常生產(chǎn)運(yùn)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(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)蒸汽儀表進(jìn)行在線比對(duì)，該流量計(jì)可在線插拔，自帶溫壓檢測(cè)元件，實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量、壓力、溫度和累積量。比對(duì)示意圖見(jiàn)圖2。

此方法不僅可對(duì)體積流量和累積量進(jìn)行在線比對(duì)，壓力、溫度和質(zhì)量流量也可以進(jìn)行在線對(duì)比。

3.1 實(shí)現(xiàn)在線比對(duì)的條件

具體條件如下：（1）具有高性能、高精度、方便現(xiàn)場(chǎng)拆裝的標(biāo)準(zhǔn)表；（2）具備不停氣密封插拔技術(shù)；（3）具備不停氣安裝和開(kāi)孔技術(shù)。

3.2 多參量插入式流量計(jì)

某多參量插入式流量計(jì)是20 世紀(jì)90 年代末研發(fā)的一款產(chǎn)品，它改變了流量測(cè)量的方式，是工業(yè)領(lǐng)域的第一臺(tái)多變量渦街質(zhì)量流量計(jì)，是精確測(cè)量氣體、蒸汽與大多數(shù)液體的一個(gè)高性能、高經(jīng)濟(jì)效益的解決方案。該流量計(jì)可提供5 種過(guò)程變量輸出的渦街流量計(jì)：質(zhì)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(nèi)的其他成本花費(fèi)，多變量質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)方法還簡(jiǎn)化了過(guò)程側(cè)流體的測(cè)量，如圖3 傳感器構(gòu)造圖所示，通過(guò)一個(gè)安裝孔就可以測(cè)量流體的流速、溫度、壓力和密度。設(shè)備智能模塊擴(kuò)大了測(cè)量范圍：雷諾數(shù)可低至5 000，量程比為30∶1，體積流量測(cè)量精度可達(dá)±1%，溫度范圍為-200～454 ℃，測(cè)量壓力達(dá)到345 barg。該產(chǎn)品有中華人民共和國(guó)計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書(shū)（CPA），支持第三方計(jì)量院所（機(jī)構(gòu)）送檢，內(nèi)置AGA-8 天然氣測(cè)量、支持HART、Modbus和BACnet的數(shù)字通信協(xié)議、FMC和ATEX認(rèn)證，是理想的蒸汽測(cè)量產(chǎn)品。

3.2.1 傳感器構(gòu)造

插入式多參數(shù)渦街質(zhì)量流量計(jì)原理主要是采用獨(dú)特的傳感器，如圖3 所示，通過(guò)直接測(cè)量3 個(gè)參數(shù)：流速、溫度和壓力，監(jiān)測(cè)質(zhì)量、流量。內(nèi)置流量模塊根據(jù)前述3 個(gè)直接測(cè)量值計(jì)算質(zhì)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(jì)的本體內(nèi)。流量計(jì)流路中配有一個(gè)非流線形體（脫落桿），通過(guò)測(cè)量由脫落桿產(chǎn)生的渦街頻率來(lái)測(cè)量流速；溫度由鉑電阻檢溫器（PRTD）測(cè)量；壓力由固態(tài)壓力傳感器測(cè)量。上述3 個(gè)元件構(gòu)成一個(gè)完整的傳感頭組件，安裝于流量計(jì)流體中的脫落桿下游。

3.2.2 流速測(cè)量

流速測(cè)量根據(jù)著名的馮卡曼渦街脫落現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)。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(cè)渦街通過(guò)。該流速測(cè)量方法具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括固有線性、高量程比、可靠和簡(jiǎn)單操作。

馮卡曼渦街在脫落桿下游產(chǎn)生，并形成截然不同的兩部分，一部分沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一部分則沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且一次只產(chǎn)生一個(gè)渦街，在脫落桿左側(cè)和右側(cè)交替出現(xiàn)。渦街通過(guò)控制旁邊其他即將形成的漩渦與其周?chē)鷧^(qū)域相互配合。在脫落桿附近，渦街之間的距離（或波長(zhǎng)）通常為常數(shù)，可測(cè)量。因此，每個(gè)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(cè)通過(guò)的渦街?jǐn)?shù)量，即可計(jì)算總體積流量。

流速傳感器配有一個(gè)檢測(cè)渦街頻率的壓電元件。該元件測(cè)量渦街脫落桿下游的馮卡曼渦街產(chǎn)生的交互提升力。該壓電元件產(chǎn)生的交互電荷經(jīng)變送器的電子電路處理，即可測(cè)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(shù)表示。雷諾數(shù)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(cè)流體的質(zhì)量密度；V 為所測(cè)流體的流速；D 為液流通道的內(nèi)徑；μ 為所測(cè)流體的粘性。

斯德魯哈爾數(shù)是另一個(gè)量化渦街現(xiàn)象的無(wú)量綱，其定義如下。

St=fd/V （2）

式（2）中：S t 為斯德魯哈爾數(shù)；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(jì)顯示大范圍雷諾數(shù)中一個(gè)恒定的斯德魯哈爾數(shù)[5]，且表示大范圍流量和流體類型中一個(gè)統(tǒng)一的線性輸出。在該線性范圍以下，該流量計(jì)的智能模塊根據(jù)雷諾數(shù)自動(dòng)校正斯德魯哈爾數(shù)的偏差。智能模塊通過(guò)測(cè)量過(guò)程流體溫度和壓力，同時(shí)校正其非線性因素。隨后，該數(shù)據(jù)用于計(jì)算實(shí)時(shí)雷諾數(shù)。該流量計(jì)自動(dòng)校正的雷諾數(shù)可低于5 000，而普通渦街流量計(jì)雷諾數(shù)低于20 000就無(wú)法保證精度[6]。

3.2.3 溫度測(cè)量

該流量計(jì)利用1 000 Ω的鉑電阻檢溫器（PRTD）測(cè)量流體溫度。

3.2.4 壓力測(cè)量

該流量計(jì)配有一個(gè)用316 不銹鋼隔膜隔開(kāi)的固態(tài)壓力傳感器。該傳感器為微硅傳感器，根據(jù)集成電路處理技術(shù)制成，每個(gè)傳感器都經(jīng)過(guò)9 個(gè)點(diǎn)的壓力/溫度校準(zhǔn)。數(shù)字補(bǔ)償使該傳感器在-40～140 ℉（-40～60 ℃）環(huán)境溫度內(nèi)，在0.3% 滿量程精度下運(yùn)行。壓力傳感器的隔熱性能確保在-330～750 ℉（-200～400 ℃）的容許過(guò)程流體溫度范圍內(nèi)獲得上述同等精度。

3.2.5 插入式流量計(jì)的安裝

插入式流量計(jì)安裝直管段要求與普通渦街流量計(jì)相似。為了實(shí)現(xiàn)在線插拔，流量計(jì)需要選擇配置一個(gè)隔離閥。

插入式流量計(jì)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(gè)DN50 的適配器，保證適配器與管道中心線夾角在±5°范圍內(nèi)（流量計(jì)精度允許范圍）。管道開(kāi)口的直徑不得小于48 mm。

（3）在適配器上連接1 個(gè)DN50 的工藝連接件。

（4）在工藝連接件上連接1 個(gè)隔離閥，該閥門(mén)的全開(kāi)孔徑不得小于48 mm。

（5）對(duì)焊接部位進(jìn)行靜壓測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)壓力損失或滲漏，排除接頭故障，并再次測(cè)試。

（6）將熱攻絲設(shè)備連接到隔離閥上，打開(kāi)隔離閥，并開(kāi)1 個(gè)直徑不小于48 mm 的孔。

（7）縮回鉆孔機(jī)，關(guān)閉隔離閥，并移除熱攻絲設(shè)備。

（8）將流量計(jì)連接至隔離閥，并打開(kāi)隔離閥。

（9）計(jì)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(jì)連接件、隔離閥和配件的壓力等級(jí)不得低于主管路的壓力等級(jí)。且熱攻絲必須由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專業(yè)人員完成。上述步驟是在線安裝情況下，如果蒸汽停運(yùn)，可以在管道上直接切割開(kāi)孔安裝。

傳感器必須適當(dāng)安裝在管道內(nèi)，因此，需符合所計(jì)算的插入深度。如傳感器探頭插入管道內(nèi)的深度有誤，則將導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。插入式流量計(jì)適用于不小于DN50 的管道。對(duì)于尺寸不大于DN250 的管道，安裝時(shí)傳感器的中心線與管道中心線重合。對(duì)于尺寸大于DN250 的管道，傳感器的中心線位于離管道內(nèi)壁125 mm 的管道橫截面上。

4 結(jié)語(yǔ)

以上在線比對(duì)方法理論上可以實(shí)現(xiàn)蒸汽計(jì)量器具的在線比對(duì)，但目前多參量插入式渦街流量計(jì)的質(zhì)量流量精度和普通渦街流量計(jì)差不多，精度還不夠高；另外需要在現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)上游預(yù)留插入口、閥門(mén)、盲板/管帽等管件；比對(duì)實(shí)施工作中，工作人員應(yīng)該做好防燙防護(hù)措施。