蒸汽计量数据是公司生产车间耗能成本考核的主要依据,无从考核也就无从节约。随着公司的发展, 车间级的考核显得尤其重要, 从供汽车间看, 可促进操作工勤快操作, 保持炉子煤层厚度, 达到节煤的目的; 从使用车间看, 可以通过挖潜力, 堵跑漏, 改设备达到节汽的目的, 总体使公司的单位产品成本降低,提高产品的市场竞争力。在改造前, 只有动力车间和烧碱车间采用孔板节流, Ⅱ型电动差压变送器的蒸汽流量计。由于Ⅱ型变送器存在零点易漂移, 加上总供给无法形成平衡系统, 无法真正考核车间生产成本。所以公司于1998 年安装23 套10VME涡街流量计, 用于完善公司二级蒸汽计量。而 10VME 涡街流量传感器在整个系统的作用最为关键, 它的安全可靠性, 影响整个蒸汽系统的计量。本文主要对10VME 涡街传感器的原理及影响其安全可靠性因素进行分析研究, 提出有效解决办法, 从而保证公司整个蒸汽计量系统有效运行。
1 10VME 涡街流量传感器流量系统构成、工作原理及影响准确性、可靠性的原因分析
1.1 蒸汽流量系统构成
10VME 涡街流量传感器由压电晶体检测探头和放大整形电路以及配套的压力变送器、智能流量积算控制仪等构成一整套蒸汽流量测量系统。
1.2 蒸汽流量系统的工作原理
10VME 涡街流量计是根据“卡门涡街”原理制成的一种流体振荡型流量仪表。在流动的流体中插入一个断面为非流型柱状物体时, 在柱体后部两侧面会产生两列交错排列的旋涡如图1。
旋涡分离的频率与流速成正比, 与柱体的宽度成反比, 可以用下式表示: f=St×V/d,式中: f: 旋涡分离频率; St:无量钢常数( 斯特劳哈尔数); V: 柱体侧面的流速; d:柱体的迎流面宽度。由此可见, 通过测量旋涡的分离频率便可测出流体流速和瞬时流量。斯特劳哈尔数 St 是可通过实验确定的无量钢常数。斯特劳哈尔数St 与雷诺数 Re 函数关系中的线性部分, 即是涡街流量计的线性测量范围。检测出频率 f 即可求得管内流体的流速, 再由流速求出体积流量。一段时间内输出的脉冲数与流体的体积之比(流过单位体积对应的脉冲数) 称为仪表系数(K 系数)。K=N/Q(1/), 式中:K: 仪表系数( 脉冲数/); N: 脉冲数; Q: 流体体积()。10VME 涡街流量计采用压电晶体元件检测旋涡分离频率。旋涡在柱后部两侧交替分离, 产生压力脉动, 安装在柱体后面尾流中的探头感受到交变力, 埋设在探头体内的压电晶体元件受到交变力的作用产生交变电压; 交变电压信号经检测放大器处理后, 以频率信号输出。
压力变送器, 根据被测蒸汽的压力变化(0～1.6MPa), 输出4～20mA 标准信号, 作为蒸汽密度补偿信号送到智能流量积算仪。
WP-L802 智能流量积算仪, 根据压力变送器输出的 4～20mA 信号, 以及饱和蒸汽蜜度测算饱和蒸汽质量流量。M=(3.6×ρ×f/K), 式中:K: 涡街传感器系数;ρ: 为饱和蒸汽的密度;M: 饱和蒸汽质量。
2 流量计测量范围的选择
根据车间提供的测量饱和蒸汽的压力(温度)、流量范围、管道直径等参数, 选择相应规格的涡街流量计, 所测量饱和蒸汽流量范围应处于所选的流量范围内, 并最好处于流量的最佳工作范围, 即流量计量程的 50%~70%。对于管道直径与流量计内径不一致时, 可采用缩管或扩管方法, 其实际可用的流量范围需要通过计算确定。涡街流量计的上限一般不受介质压力和温度的影响, 而下限流量则取决于介质的工况密度和运动粘度。因此,确定流量范围实际上是确定实际可用的下限流量。当测量的介质为饱和蒸汽时, 常用的计量单位是流量质量, 即t/h。由于饱和蒸汽在不同压力下密度是不同的, 因此蒸汽流量范围的确定可由, ρ为饱和蒸汽的密度)进行计算得出。
(1) 涡街流量传感器口径的选择
为使涡街流量传感器在良好的特性条件下工作, 首先根据以上计算蒸汽介质的流量范围, 查表确定涡街流量传感器的口径, 切不可认为管道内径与
涡街传感器口径相同时一定能计量。如本公司新旧 2 组烧碱蒸发的涡街流量传感器安装在进蒸发的总管口径为 DN250mm 的管道上, 只 1 组开车生产, 蒸汽压力在0.9MPa 左右的情况下, 这时蒸汽阀门开得很小( 生产需汽压在0.65MPa 左右), 瞬时流量在 1.5t/h 左右, 这时用 FLUKE123 示波器测 TP3 端波形, 波形时有时无, 如图 。从饱和水蒸汽质量范围表查得, DN250mm 口径, P=0.9MPa 时, 流量下限 Qmin=2.122t/h, 而实际生产用量低于要求的下限范围, 说明口径选择不合理。后重新选两台涡街流量传感器分别装在新旧组的支管道 DN150mm 上, 经跟踪测试, 波形正常。这点在选用或旧车间改造时, 往往容易被忽略, 造成在实际应用时( 车间需要最小的蒸汽量时), 涡街传不出频率信号或传出不稳定的频率信号, 使系统无法正常工作。其次, 为使管道内流速大些, 在两种口径都能满足测量范围时, 尽可能选择口径小的涡街流量传感器。
(2) 涡街流量传感器的使用环境温度对涡街流量传感器及压力变送器的电子元件会产生影响。一般在-40～55°使用较为适合。但在实际生产应用中拆开涡街检修后, 此处的保温层将被破坏, 若不及时完善保温, 则蒸汽管内的温度会散发出使周围的环境温度超过 55°, 这样会使涡街流量传感器的放大整形电路工作失常, 输出异常的频率波形, 从而使系统计量失准。
(3)涡街流量计的正确安装。
涡街流量传感器在安装时对上下游直管段要求如图2 所示。
同心收缩全开阀门前直管段 15D; 1 个 90°弯头前直管段为20D; 同一平面 2 个 90°弯头或同心扩管前直管段为 25D; 不同平面 2 个 90°弯头前直管段 40D; 调节阀半阀时前直管段为50D, 以上情况后直管段要求均为 5D。
此外, 涡街传感器在实际安装时除应符合以上要求外, 还应注意选择安装位置。如本公司固草车间的蒸汽涡街流量传感器装在蒸汽管膨胀节的前端, 由于涡街安装处的两端管道都高于涡街流量传感器, 这样涡街流量计处于低端位置, 管道内会有积水, 用 FLUKE123 示波器测试 TP3 端波形, 波形不均匀, 瞬时流量 3.5t/h 左右波动; 当积水排净时, 再测该点波形恢复正常, 这时瞬时流量为 7t/h 左右( 即使安装了疏水阀也是很难保证涡街流量计能正常工作)。后移装到蒸汽管网最高处, 经 1 个月的跟踪测试, 波形正常, 彻底解决问题。可见, 涡街流量传感器除合理选择直管段外, 选择无积水的直管段安装尤为重要, 这样才能避免由于涡街流量计管道内积水, 而使水珠击打到涡街探头检测元件上, 产生异常频率波形与正常波形相互叠加而产生虚假的信号输出, 影响系统的正确计量。
(4)涡街探头装配的要求。安装在柱体后面尾部中的涡街探头如果感受到交变力, 埋设在探头体内部的压电晶体元件受到交变力的作用产生交变电压; 交变电压信号经检测放大处理后,以频率信号输出测量, 则影响测量精度。如本公司的 4#锅炉更换 DN250mm 涡街探头, 第 1 次更换探头后, 在开车生产时, 发现瞬时流量波动大, 用 FLUKE123 示波器测放大板 TP2 端波形,发现异常, 拆下检查, 发现探头已碰到柱体壁; 重新安装探头, 且边装边用纸张测试其间隙的均匀程度, 通蒸汽后, 测量其波形正常。可见, 在检查或更换探头时, 由于 DN250mm 涡街的柱体和探头体的间隙非常小, 应注意左右及下部的间隙, 千万不能碰到柱体的壁上, 否则将影响频率波形的输出, 从而影响系统计量的准确性。
10VME 型涡街流量传感器与所配显示仪表之间采用AVPV3×0.5mm 屏蔽电缆连接, 传感器电气端子接线为 V+接+12V, 放大器主波形输出接信号线, 0 端同时接 OV 和信号电缆屏蔽层。如本公司的 2#锅炉, 管内无流量时, 显示积算仪有瞬时值为 6t/h 的显示, 调整放大板的灵敏度 SB 电位器和放大倍数调整定位器 GB, 无效果, 用 FLUKE123 示波器测试 TP3 端子,有 50HZ 的方波输出, 测 TP2 端有 50HZ 的正弦波输出。检查发现, 涡街传感器与智能积算仪的信号线的屏蔽层接地线脱落, 重新紧固后, 现象消除。值得注意的是, 信号屏蔽电缆接地应为单点接地, 应在控制室一侧接地。
3 安装和使用涡街流量计时应注意的问题
(1)涡街流量计的测量范围较大, 一般 10: 1, 但测量下限受许多因素限制: Re>10000 是涡街流量计工作的最基本条件, 除此以外, 它还受旋涡能量的限制, 介质流速较低, 则旋涡的强度、旋转速度也低, 难以引起传感元件产生响应信号, 旋涡频率 f 也小, 还会使信号处理发生困难。测量上限则受传感器的频率响应和电路的频率限制, 因此设计时一定要对流速范围进行计算、核算, 根据流体的流速进行选择。使用现场环境条件复杂, 选型时除注意环境温度、湿度、气氛等条件外, 还要考虑电磁干扰。在强干扰如高压输电电站、大型整流所等场合, 压电应力式仪表不能正常工作或不能准确测量。
(2)振动也是该类仪表的一大劲敌。因此在使用时注意避免机械振动, 尤其是管道的纵向振动(垂直于管道轴线又垂直旋涡发生体轴线的振动), 这种影响在流量计结构设计上是无法抑制和消除的。由于涡街信号对流场影响同样敏感, 故直管段长度不能保证稳定涡街所必要的流动条件时, 是不宜选用的。
(3)介质温度对涡街流量计的使用性能也有很大的影响。如压电应力式涡街流量计不能长期使用在温度 300℃状态下, 因其绝缘阻抗会由常温下的 10MΩ～100MΩ急降至 1MΩ～10KΩ,输出信号也变小, 导致测量特性恶化。
涡街流量计是一种比较新型的流量计, 合理选型、正确安装后, 还需要在使用过程中认真定期维护, 不断积累经验, 提高对系统故障的预见性以及判断、处理问题的能力, 才能达到令人满意的效果。
4 结论
本文对 10VME 涡街流量传感器和变送器的主要干扰因素进行了较为详细的分析, 针对影响涡街传感和变送器的准确可靠性各种因素, 加以分析, 采取相应的有效措施, 有效地解决了10VME 涡街流量传感器蒸汽计量在工业应用环境适用性。通过安装调试和在生产线中的使用近半年的磨合完善, 总供汽和各车间部门的用汽总和每月相差由原来的 20%左右, 降低到每月相差 8%左右的固定误差( 蒸汽管网长), 已能满足公司内各车间生产成本的考核要求。本文的这些方法也可为同行业选用10VME 涡街流量传感器测量饱和蒸汽计量系统提供参考。在使用过程中, 还要根据新的干扰因素所处的各种环境, 采用有效的抗干扰措施, 以确保 10VME 涡街流量传感器在计量系统中可靠、准确地运行。
作者简介: 裴孝清(1963~) , 男, 助理工程师, 长期从事企业计量仪表的设计造型、安装调试工作。
