双旋涡发生体涡街流量计用于蒸汽流量测量的对策研究

　摘　要　论述了双旋涡发生体涡街流量计用于蒸汽流量测量遇到的难题及采用的对策。从理论和实践的结合上介绍了采用温度、压力自动补偿方法进行蒸汽流量测量的基本思想。结合实际，对温度变化引起仪表常数变化所造成的测量误差进行了分析，指出了修正方法，并就有关蒸汽测量中的一些具体问题提出了讨论。
　　关键词　双旋涡发生体　涡街　蒸汽测量　补偿　修正

　　应力式双旋涡发生体涡街流量计，由于其原理及结构的特点，可以适用于气体、液体，可以制成高温、低温、高压、耐腐蚀型流量计，用于多种流量的测量。涡街流量计是通过检测流体经过旋涡发生体处产生的旋涡数(即旋涡频率)而求得一段时间间隔内流过的流体总量。然而，流体力学中的卡门涡街理论认为，旋涡发生体的柱体宽度与管道内径的比值将直接影响旋涡的频率，如下式所示：
　　　　(1)

式中　f为旋涡频率(Hz)；d为发生体柱宽；V为管道中流体的速度(m/s)；D为管道内径；St为斯特罗哈常数。
　　涡街流量计及其旋涡发生体一般都为金属材料制作。根据分子运动理论可知，金属固体在高温下具有热膨胀的特性。当温度变化较大时，发生体的柱体宽度和流量计的本体通径将随之变化，这将引起测量误差。
　　另外，从物理学的其它基本原理可知，质量流量与介质的密度有关，而介质的密度是介质温度T与压力P的函数，温度变化也将引起密度的变化，同样会给准确的测量带来困难。因此，当涡街流量计用于蒸汽流量测量时，就有一些特殊的问题需要研究，并针对不同情况采取相应对策。

1　用于蒸汽测量的密度补偿策略
　　对于蒸汽流量的测量是能源计量中的一个主要方面。最近几年，涡街流量计在蒸汽流量检测中的应用比例逐年增大。由于蒸汽的复杂特性，使蒸汽的计量工作遇到一些困难。
1.1　蒸汽的特性
　　蒸汽有饱和蒸汽和过热蒸汽之分。未经过热处理的蒸汽称为饱和蒸汽。饱和蒸汽的温度与压力之间一一对应，二者之间只有一个独立变量。饱和蒸汽易凝结，在传输过程中如有热量损失，蒸汽中便有液滴或液雾形成。另外锅炉在正常工作中，锅炉汽包中的水处于沸腾状态，汽液之间不容易彻底分离。尤其在锅炉负荷突然增大时，蒸汽带水的可能性更大。蒸汽中含有液相水珠的饱和蒸汽称为湿饱和蒸汽。事实上，生产过程中很少有干饱和蒸汽，主要是湿饱和蒸汽。表征湿饱和蒸汽的主要参数有压力(P)、温度(T)、密度(ρ)、比焓(h)、干度(x)或湿度(y)，且有如下关系：
　　ρ=f(P)　(2)
　　　(3)
式中　m₁为湿蒸汽中汽的质量；m₂为湿蒸汽中水珠的质量；m为湿蒸汽中汽液的总质量。
　　过热蒸汽是由饱和蒸汽加热升温而获得。过热蒸汽中绝不含有液滴或液雾，是单相流体(x=100%)，其特性接近理想气体，但又不同于理想气体(所以它不符合理想气体定律)。过热蒸汽的温度和压力是两个互不相关的独立变量，过热蒸汽的密度由这两个参数决定。且有
　　ρ＝f(T,P)　(4)
　　工程上，对蒸汽是按质量流量Q_m计量的。对于涡街流量计来说，实际测得是体积流量Q_v，再经过计算而得到质量流量，即
　　Q_mi＝Q_vi^.ρ_i(5)
　　其累计总量为
　(6)
　　从以上分析可知，准确计量饱和蒸汽流量比较困难，因为饱和蒸汽的干度难以保证，蒸汽压力波动引起蒸汽密度变化，流量计示值产生附加误差。所以在蒸汽计量中，必须设法保持测量点处蒸汽的干度以满足要求。必要时还应采取补偿措施，以实现准确的计量。
　　如果流量计不采用温度或压力的自动补偿，又不能实时地检测蒸汽的密度，在设定时只能按密度不变的原则将密度定为常数。而在实际情况下，密度变化很大，致使流量量值不准，一般误差可达10%～30%。
1.2　蒸汽计量中自动补偿装置的实现
　　随着微电子技术的发展，采用单片机技术实现高精度的流量自动补偿装置已十分方便。为此，我们先后引进、研制开发了ZRJ-1型和ZRJ-2型智能流量积算仪与双旋涡发生体涡街流量计配套使用，构成智能型涡街流量计。在温度、压力变送器的配合下实时检测介质的工作温度或压力，然后运用高精度的数学模型实现流量的自动补偿积算、确保流量计量的准确性。ZRJ-1型智能流量积算仪的工作原理框图如图1所示。

图1　ZRJ系列智能积算仪工作原理框图

饱和蒸汽采用压力补偿，补偿范围为P：0.2～5MPa，
　　5≥P≥2.6　　　ρ=4.89P＋0.168
　　2.6＞P≥1.3　　ρ=4.835P＋0.1949
　　1.3＞P≥0.6　　ρ=4.863P＋0.1848
　　0.6＞P≥0.2　　ρ=5.036P＋0.1059
　　过热蒸汽采用温度、压力补偿，补偿范围为P：0.2～17MPa，t：120～540℃，

式中　t为介质温度(℃)。
　　当流量为频率信号时，其质量流量：
　　　(7)
　　智能仪表选用抗干扰能力强的MCS-51系列8031单片机作CPU，配置相应外围接口芯片构成仪表核心，再配以相应的应用软件，自动完成输入信号的采样，流量的温、压补偿，积算，累积等工作。仪表的一些主要数据都存放在RAM中，为了防止断电或电网电压波动时数据丢失，内部设置了可靠的掉电保护电路。
　　为了进一步提高仪表的抗干扰能力，防止在干扰到来时程序跑飞或死锁，在智能仪表中还设计了死机自复位电路，用来监视程序的运行。当程序运行失常时，自动再启动电路马上发出复位脉冲信号使仪表复位，程序运行恢复正常。
　　ZRJ-2型智能流量积算仪是继ZRJ-1型之后的新一代智能仪表，比ZRJ-1型有更多更突出的优点：
　　首先，在国内率先采用大规模专用芯片(PSTM501 9711 K01 JAPAN F)，将CPU、RAM、ROM、A／D、D／A及其它有关电路全部集成在一块芯片上，功能全且具有64KB的内存容量，仅配以少量的外部元件就构成一台精密的仪表。
　　通用性强，每台仪表都有多种补偿方式，并可与多种流量计配套。
　　芯片集成度高，无需扩展；总线集成在芯片内部，因此抗干扰能力强，电源适应性好。
　　随着新一代智能流量积算仪的面市，为进一步拓展涡街流量计的应用领域，提高蒸汽计量的准确度创造了良好的条件。

2　涡街流量计用于蒸汽测量时的仪表常数修正方法
　　当涡街流量计用于蒸汽流量测量时，尽管对密度的变化采取了自动补偿校正措施，但对于瞬时流量的计量误差依然存在。误差产生的原因有(1)密度公式自身的补偿误差；(2)对于过热蒸汽来说，温度T和压力P的误差，这一误差主要来源于温度变送器和压力变送器；(3)频率f的误差，这一误差主要来源于涡街流量传感器。
　　当涡街流量传感器使用在温度较高的场合时，由于传感器柱体和流量计本体通流部分钢材热膨胀，几何尺寸发生变化，直接使仪表常数发生变化，因此，在高温下使用，流量计的仪表常数必须进行修正。
　　流量计的仪表常数定义为
　　K=f/Q_v(8)
将和(1)式代入(8)式，整理后得到
　　　(9)
设相对柱宽，则有K＝6.9958St/D³。
　　上式表明，流量计的仪表常数与流量计口径D的三次方成反比，即当温度升高时，涡街流量计的仪表常数变小，且有：
　　(10)
式中　K_t、D_t为工作温度下仪表常数和流量计内径；K₂₀、D₂₀为20℃时仪表常数和流量计内径。根据固体热膨胀的定律：
　　D_t=D₂₀［1+α(t-20)］　(11)
式中　α为钢材的线膨胀系数。
　　将(11)式代入(10)式化简后得：
　　K_t=K₂₀［1+α(t-20)］^－3
　　利用数学公式(1＋ΔX)^－3≈1－3ΔX(当ΔX1时)，得到：
　　K_t＝K₂₀［1-3α(t-20)］　(12)
　　一般不锈钢材的α约为(16～17)×10^－6，例如1Cr18NI9Ti在20～300℃范围内的α＝17.2×10^－6。将此值代入(12)式，则有：
　　K_t=K₂₀［1－5.16×10^－5.(t-20)］
　　这就是实用的涡街流量计仪表常数的温度修正方法。例如，当温度t=100℃时，有
　　K₁₀₀＝0.9959K₂₀
　　仪表常数受温度变化影响引进误差分析如表1所示。

表1　不同温度下仪表常数引进的测量误差