關(guān)于超高溫鍋爐新型數字熱電過(guò)熱蒸汽流量計的分析與研究

熱電過(guò)熱蒸汽流量計是根據“卡門(mén)漩渦”原理制成的流量測量?jì)x表。當一穩定的流體流經(jīng)有一定長(cháng)度的直管道時(shí)，撞擊沉浸在流體中的非線(xiàn)性柱體，在流體的下游會(huì )產(chǎn)生漩渦（即卡門(mén)漩渦）。當流體的雷諾數（Re）在一定的范圍內，漩渦的發(fā)生規律是穩定可靠的，漩渦發(fā)生的頻率F由公式：F=(St * V)/d 確定其中，V為流速； d為柱體迎流面的寬度；St為斯特羅哈數。熱電過(guò)熱蒸汽流量計可廣泛用于大、中、小型各種管道給排水、工業(yè)循環(huán)、污水處理，油類(lèi)及化學(xué)試劑以及壓縮空氣、飽和及過(guò)熱蒸汽、天然氣及各種介質(zhì)流量的計量。
熱電過(guò)熱蒸汽流量計的特點(diǎn)也很明顯，主要表現在以下方面:
①智能熱電過(guò)熱蒸汽流量計的傳感器的通用性很強，從而使傳感器具有良好的互換性采用先進(jìn)數控設備加工傳感器的表體和旋渦發(fā)生體等，確保加工精度，從而使零部件（特別是旋渦發(fā)生體）的通用性強，從而真正做到不會(huì )因零部件的更換而影響傳感器的重復性和精度；能產(chǎn)生強大而穩定的渦街信號。
②抗振性能特別好，無(wú)零點(diǎn)漂移，可靠性高。通過(guò)長(cháng)時(shí)間對熱電過(guò)熱蒸汽流量計進(jìn)行的大量波形分析和頻譜分析，加上*佳的探頭形狀、壁厚，高度、探頭桿直徑及與之相配套的壓電晶體，采用先進(jìn)的數控車(chē)床進(jìn)行加工，確保加工的同軸度和光潔度等技術(shù)參數，配合特殊的工藝處理，從而*大限度的克服熱電過(guò)熱蒸汽流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響這個(gè)通病。
③結構簡(jiǎn)單牢固，無(wú)可動(dòng)部件，可靠性高，使用維護方便。
④檢測元件不與介質(zhì)接觸，性能穩定，使用壽命長(cháng)傳感器采用檢測探頭與旋渦發(fā)生體分開(kāi)安裝，而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測探頭內，不與被測介質(zhì)接觸，所以熱電過(guò)熱蒸汽流量計具有結構簡(jiǎn)單、通用性好和穩定性高的特點(diǎn)。
⑤輸出與流量成正比的脈沖信號或模擬信號，無(wú)零點(diǎn)漂移，精度高，方便與計算機聯(lián)網(wǎng)
⑥測量范圍寬，量程比可達1：10
⑦熱電過(guò)熱蒸汽流量計測量體積流量時(shí)不需補償，渦街輸出的信號實(shí)際上是與流速成線(xiàn)性關(guān)系的，也就是與體積流量成正比。壓力和溫度補償的目的是為了得到流體的密度，乘以體積流量就得到質(zhì)量流量，若測量氣體的體積流量就不需要補償了。
⑧壓力損失小。用口徑DN50的熱電過(guò)熱蒸汽流量計測量可燃氣體的流量，若管道內的*大流量Qmax ＝200m3/h時(shí)，傳感器的壓力損失是：△P ＝1.08×10-6 ρv2（kPa）= 0.605 KPa
⑨在一定的雷諾數范圍內，流量特性不受流體壓力、溫度、黏度、密度、成分的影響，僅是與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)。
⑩應用范圍廣，蒸汽、氣體、液體流量均可測量。
本文介紹這種集溫度、壓力、流量就地顯示于一體的數字熱電過(guò)熱蒸汽流量計。并分析了數字渦街流量機在測量超高溫鍋爐過(guò)熱蒸汽方面的應用。采用先進(jìn)的單片微機及微功耗芯片，實(shí)現在線(xiàn)多種信號采集和數據處理，并采用軟件容錯技術(shù)，大大提高了儀表的可靠性和測量準確度。
1、熱電過(guò)熱蒸汽流量計的精度及適用情況
1．1熱電過(guò)熱蒸汽流量計的精確度
熱電過(guò)熱蒸汽流量計的精確度對于液體大致在±O．5％R～±2％R，對于氣體在±1％R～±2％R，重復性一般為0．2％-0．5％。由于熱電過(guò)熱蒸汽流量計的儀表系數較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低，故儀表口徑不宜過(guò)大(DN300 以下)。
范圍度寬是熱電過(guò)熱蒸汽流量計的特點(diǎn)，但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0．5m／s，氣體為4-5m／s。熱電過(guò)熱蒸汽流量計的正常流量*好在正常測量范圍的1／2～2／3處。
熱電過(guò)熱蒸汽流量計的儀表常數不受測量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點(diǎn)，可以用一種典型介質(zhì)校驗而應用到其他介質(zhì)去，對于解決校驗設備問(wèn)題提供便利。但是應該看到由于液、氣的流速范圍差別很大，因此頻率范圍也差別很大。處理渦街信號的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數也不同，因此，同一電路參數是不能用于不同測量介質(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數也應隨之改變。 　
另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號強度與密度成正比。因此信號強度差別也很大，液、氣放大器電路的增益，觸發(fā)靈敏度等皆不一樣，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數也不同。即使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著(zhù)介質(zhì)壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號強度也不同，電路參數同樣要改變。因此一臺熱電過(guò)熱蒸汽流量計不經(jīng)硬件或軟件修改，改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。
1．2熱電過(guò)熱蒸汽流量計的適用情況
熱電過(guò)熱蒸汽流量計不適用于測量低雷諾系數(Re≤2×104少)流體。低雷諾系數時(shí)，斯特勞哈數隨著(zhù)雷諾系數而變，儀表線(xiàn)性度變差，流體粘度高會(huì )顯著(zhù)影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生，選型的一個(gè)限制條件是不能使用于界限雷諾系數之下。
熱電過(guò)熱蒸汽流量計適用的流體比較廣泛，但對于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì )產(chǎn)生噪聲，磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數。
熱電過(guò)熱蒸汽流量計在混相流體中的應用經(jīng)驗還很少，一般可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應小于7％～10％的氣、液兩相流，若超出2％就應對儀表系數進(jìn)行修正?？捎糜诤稚?、均勻的固體微粒。含量不大于2％的氣固、液固兩相流?？捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂?如油和水)兩組分流等。
脈動(dòng)流和旋轉流會(huì )對熱電過(guò)熱蒸汽流量計產(chǎn)生嚴重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設備，使渦街信號產(chǎn)生“鎖定(lock-in)”現象，這時(shí)信號固定于某一頻率。“鎖定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。熱電過(guò)熱蒸汽流量計的正常工作的脈動(dòng)閉值尚待試驗確定。80年代以來(lái)國內外流量測量工作者己對熱電過(guò)熱蒸汽流量計在混相流、脈動(dòng)流中的應用開(kāi)展許多試驗研究，國際標準化組織(ISO)己發(fā)布的技術(shù)報告中亦關(guān)注這方面內容。
1．3熱電過(guò)熱蒸汽流量計的經(jīng)濟性
在眾多的流量計中，熱電過(guò)熱蒸汽流量計的經(jīng)濟性較好，是一種經(jīng)濟實(shí)惠的流量計。熱電過(guò)熱蒸汽流量計的基本性能處于中等偏上水平，購置費低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等，而安裝、運行、維護費低于節流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控制系統檢測儀表可采用干校方式節省周期校驗費用。
2、超高溫鍋爐數字熱電過(guò)熱蒸汽流量計系統概述
2．1工作原理
在流體中設置旋渦發(fā)生體(阻流體)，從旋渦發(fā)生體兩側交替地產(chǎn)生有規則的旋渦，這種旋渦稱(chēng)為卡門(mén)渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱(chēng)地排列。設旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據卡門(mén)渦街原理，有如下關(guān)系式
f=SrUl／d=SrU／md (1)
式中U1--旋渦發(fā)生體兩側平均流速，m／s；
Sr—斯特勞哈爾數：
m—旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比
式中K--流量計的儀表系數，脈沖數／m3(p／m3)。
K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數有關(guān)。斯特勞哈爾數為無(wú)量綱參數，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數有關(guān)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關(guān)系圖。由圖可見(jiàn)，在ReD=2x104～7x106范圍內，sr可視為常數，這是儀表正常工作范圍。當測量氣體流量時(shí)，VSF的流量計算式為
式中qv．qv--分別為標準狀態(tài)下(0oC或20oC，101．325kPa)和工況下的體積流量，m3/h；
Pn．p--分別為標準狀態(tài)下和工況下的絕對壓力，Pa；
Tn．T--分別為標準狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K；
Zn．Z--分別為標準狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數。
由上式可見(jiàn)。VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響。即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質(zhì)量流量，這時(shí)流量計的輸出信號應同時(shí)監測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的?！　?br /> 2．2熱電過(guò)熱蒸汽流量計結構
VSF由傳感器和轉換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測元件、儀表表體等；轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。近年來(lái)智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉換器內。
(1)旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性(儀表系數、線(xiàn)性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān)，對它的要求如下。
1)能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線(xiàn)方向上同步分離：
2)在較寬的雷諾數范圍內，有穩定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數：
3)能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高：
4)形狀和結構簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數標準化，以及各種檢測元件的安裝和組合：
5)材質(zhì)應滿(mǎn)足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化
6)固有頻率在渦街信號的頻帶外。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類(lèi)，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應用*廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過(guò)它的應用并不普。
(2)檢測元件
流量計檢測旋渦信號有5種方式。
1)用設置在旋渦發(fā)生體內的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側差壓：
2)旋渦發(fā)生體上開(kāi)設導壓孔，在導壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側差壓：
3)檢測旋渦發(fā)生體周?chē)蛔儹h(huán)流：
4)檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓：
5)檢測尾流中旋渦列。
根據這5種檢測方式，采用不同的檢測技術(shù)(熱敏、超聲、應力、應變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構成不同類(lèi)型的VSF。
(3) 轉換器
檢測元件把渦街信號轉換成電信號，該信號既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號。不同檢測方式應配備不同特性的前置放大器。轉換器原理框圖如圖4所示。
圖4 A：轉換器原理框圖B：數字熱電過(guò)熱蒸汽流量計框圖
3、數字流量計運用于超高溫鍋爐
濕飽和蒸汽在熱網(wǎng)系統中普遍存，鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽一般都含有少許的水分，通過(guò)分汽缸、熱力管網(wǎng)送至用戶(hù)，由于管網(wǎng)的熱損失，蒸汽的水分含量必然增多，導致蒸汽流量減少。
在計劃經(jīng)濟時(shí)代，供熱按樓房面積收費，不存在蒸汽計量收費問(wèn)題。近年來(lái)，隨著(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的不斷深入，蒸汽流量必須按計量收費，因此蒸汽的熱損耗問(wèn)題也提了出來(lái)。目前，行政上普遍執行的辦法是由用戶(hù)多交10％的蒸汽費用，以補償蒸汽損耗。這種辦法也有一定缺點(diǎn)，用戶(hù)多交10％沒(méi)有科學(xué)依據，其一，濕飽和蒸汽水分含量與熱力管道的長(cháng)短有關(guān)，短熱力管道能平衡減少的蒸汽量，而長(cháng)熱力管道則平衡不了減少的蒸汽量。其二，對那些間斷使用蒸汽的用戶(hù)更無(wú)法平衡，有些企業(yè)白天上班使用幾小時(shí)蒸汽，下班后整個(gè)晚上都不使用蒸汽，直到*二天上班再用，通過(guò)一整夜的冷卻，熱力管道中的蒸汽全凝結成水，這種蒸汽的損失就不是10％。由于這些客觀(guān)原因。熱力廠(chǎng)不能做到自負盈虧，而需要政府補助。
比較合理的作法是熱力廠(chǎng)出口的總流量認為是干飽和汽，用流量表計量并作為貿易結算的基準流量。各個(gè)用戶(hù)的蒸汽流量為濕飽和蒸汽，按汽水兩相流計量，根據物質(zhì)不滅定律，各個(gè)用戶(hù)的蒸汽質(zhì)量流量之和與熱力廠(chǎng)出口的總蒸汽質(zhì)量流量應相等，這就需要流量?jì)x表準確測量總管的質(zhì)量流量和分管的質(zhì)量流量。
汽水兩相流的流量測量除了要確定單相流涉及的流量參數外，還必須要確定干度(即濕蒸汽的水分含量)，鍋筒出口的蒸汽干度可用電導率法測量，熱網(wǎng)管道的蒸汽干度可用熱平衡法測量，也可用頻譜分析法測量。汽水兩相流比單相流要復雜得多，由于汽與水的密度相差甚遠，兩者的流速是不等的，密度大的速度快，密度小的速度慢。這種速度差又與干度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關(guān)，因此濕飽和蒸汽流量數學(xué)模型比干飽和蒸汽流量數學(xué)模型要復雜得多。但是，經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)驗研究，濕飽和蒸汽的測量技術(shù)已經(jīng)成熟，目前濕飽和蒸汽數學(xué)模型精度可達±0．6％，這個(gè)計算精度完全滿(mǎn)足濕飽和蒸汽流量計量要求。
3．1系統方案
據飽和蒸汽壓力、溫度和密度相對應的關(guān)系，只需選擇壓力或溫度其中一項來(lái)對流量進(jìn)行補償計算即可考慮。蘭州石化公司煉油裝置內的飽和蒸汽管路都較長(cháng)，壓力波動(dòng)較大，適宜采用壓力補償。
LUB系列熱電過(guò)熱蒸汽流量計防爆等級為ExiaCT2～T4，它必須與已取得防爆合格證的本安關(guān)聯(lián)設備(防爆標志：ExiaC)配套組成本安防爆系統。
3．2熱電過(guò)熱蒸汽流量計的選型
根據用戶(hù)提供的所測飽和蒸汽的壓力(溫度)、流量范圍、管道直徑等參數，選擇相應規格的LUB系列熱電過(guò)熱蒸汽流量計。所測飽和蒸汽的流量范圍應處于所選流量計的測量范圍內，并*好處于流量計的*佳工作范圍，即流量計量程的50％～67％處。對于管道直徑與流量計內徑不一致的，可采取縮徑或擴管的方法。
3．3流量積算儀的參數設置
選用的FC20系列流量積算儀提供了1種流量補償算法，基本可滿(mǎn)足各種測量介質(zhì)的流量補償計算，可顯示瞬時(shí)流量和累積流量等參數，并且可輸出標準模擬信號供控制和記錄，還提供標準工業(yè)RS2485串行通訊接口。要使用流量積算儀的飽和蒸汽的壓力補償算法，就需要先進(jìn)入流量積算儀的參數設置狀態(tài)，選擇飽和蒸汽壓力補償模式，設置流量單位為千克每
4、智能數字熱電過(guò)熱蒸汽流量計的設計簡(jiǎn)述
智能數字熱電過(guò)熱蒸汽流量計是以微處理器為核心，具有自動(dòng)調零，線(xiàn)性化，自動(dòng)補償環(huán)境因素變化功能，并配以圖形顯示直觀(guān)的表達測量結果的嵌入式數字智能熱電過(guò)熱蒸汽流量計的要求。圖5是該系統傳感器基本技術(shù)原理示意圖。

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