渦街流量計(jì)氣體測量的影響因素分析與改進(jìn)

上海自動(dòng)化儀表計(jì)量作為源頭節(jié)能的重要一環(huán)，其測量準(zhǔn)確性、科學(xué)性及其關(guān)鍵。本文通過分析影響渦街流量計(jì)在氣體測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素與控制措施應(yīng)用，對有效提高渦街流量計(jì)在氣體測量中的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，進(jìn)而達(dá)到控制、降本減費(fèi)的目的。

煉化企業(yè)生產(chǎn)過程中，蒸汽、氮?dú)?、氧氣、壓縮空氣各類公用工程氣體用量大、能耗高，如何有效控制其用量，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、推進(jìn)源頭減排、推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展不容忽視的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)計(jì)量中，超聲流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)等是氣體計(jì)量的主流儀器。其中，渦街流量計(jì)因具備無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、安裝簡便、運(yùn)行穩(wěn)定、適用性強(qiáng)、維護(hù)成本低、準(zhǔn)確、測量范圍大等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)

渦街流量計(jì)是速度式流量計(jì)的一種，一般按測量流量頻率輸出方式劃分為 ：應(yīng)變式、電容式、超聲式、應(yīng)力式、光電式及熱敏式、振動(dòng)式等[3] ，由傳感器和變送器兩部分組成，是利用旋渦發(fā)生體在流體中產(chǎn)生滿足雷諾數(shù)為2*104～7*104范圍的交錯(cuò)旋渦，通過對一定條件下旋渦分離的頻率f與發(fā)生體側(cè)平均流速及旋渦發(fā)生體寬度d的固定關(guān)系，通過qf公式測量出體積流量。

溫壓補(bǔ)償渦街流量計(jì)

2 影響分析與改進(jìn)

渦街流量計(jì)決定了其測量準(zhǔn)確性受到機(jī)械振動(dòng)、信號傳輸、被測介質(zhì)、安裝位置方式以及流體流動(dòng)狀況等多種因素影響。

2.1 管道振動(dòng)

某烯烴生產(chǎn)企業(yè)在儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存輕質(zhì)石腦油作為生產(chǎn)原料。為避免罐存石腦油揮發(fā)排放，減少大氣污染，降低儲(chǔ)存損失，故使用低壓氮?dú)膺M(jìn)行氣封，企業(yè)采用渦街流量計(jì)測量用氣量。由于工藝原因，造成石腦油儲(chǔ)罐罐位頻繁變化，低壓氮?dú)獠欢ㄆ谶M(jìn)行補(bǔ)充，且用量不穩(wěn)定。使用過程中發(fā)現(xiàn)儀表測量量與理論用量有較大差異。經(jīng)觀察，當(dāng)停止補(bǔ)氣時(shí)，流量計(jì)仍存在計(jì)數(shù)現(xiàn)象，但儀表經(jīng)檢定結(jié)果合格，且安裝符合技術(shù)要求。實(shí)地排查發(fā)現(xiàn)，距氮?dú)夤芫€50米處有4臺(tái)原料輸送泵，當(dāng)啟泵輸送原料時(shí)，產(chǎn)生較大振動(dòng)。測量工作原理決定渦街流量計(jì)是一種振動(dòng)型流體測量儀表，除測量信號為壓電晶體形式測量的渦街流量計(jì)，其它種類渦街流量計(jì)對振動(dòng)較為敏感。由于渦街流計(jì)傳感器輸出的脈沖頻率與流速呈正比例，同時(shí)測量旋渦與被測流體的密度和流速的平方呈正比例，所以當(dāng)測量低于臨界流量時(shí)，由于渦街流量傳輸信號的脈沖頻率較低且頻率振幅較小，被低頻的機(jī)械振動(dòng)所干擾而影響比較嚴(yán)重,其疊加輸出信號與真實(shí)信號相對誤差較大；隨著流量的不斷增大，其測量傳感器信號脈沖頻率也相應(yīng)變大，且信號頻率幅值也相應(yīng)增大，受到低頻的機(jī)械振動(dòng)干擾影響量相對比逐步減小，輸出信號相對誤差也隨之變小[2]。當(dāng)渦街流量計(jì)在所安裝的位置附近出現(xiàn)了管道上的振動(dòng)時(shí)，它可以分別采取以下三種方法予以減小或消除：

（1）增設(shè)管道固定支架，限制管道振幅；

（2）調(diào)整儀表電路的設(shè)定狀態(tài)，力求排除振動(dòng)影響；

（3）如以上兩種方法無法消除時(shí)，可根據(jù)其抗振動(dòng)能力的不同，在安裝管線上的流量計(jì)方向加以調(diào)整，渦街流量計(jì)發(fā)生體方向的抗振能力強(qiáng)，而發(fā)生體垂直左右方向及橫向力作用的方向差。觀察或測量管道的主要振動(dòng)方向，旋轉(zhuǎn)流量計(jì)，直到發(fā)生體與此主振方向重合，把儀表固定在該方向上，盡可能減小管道振動(dòng)對流量計(jì)測量的影響。

法蘭連接溫壓補(bǔ)償渦街流量計(jì)

2.2 信號傳輸

某化工廠使用一臺(tái)渦街流量計(jì)對氧氣進(jìn)行測量，使用過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場讀數(shù)與DCS顯示流量存在差異，對現(xiàn)場工藝調(diào)整造成困惑。經(jīng)檢查流量計(jì)與DCS參數(shù)設(shè)置一致，流量量程均為（0～60）m3/h。測量現(xiàn)場儀表信號輸出為12.48mA，核算理論流量為31.80 m3/h，現(xiàn)場儀表顯示正常。測量DCS信號接收為12.35mA，核算理論流量為31.32 m3

/h，DCS顯示正?！，F(xiàn)場觀察渦街流量計(jì)距DCS控制室直線距離不足700米，但信號線管廊距離為1200米左右，并采用一般兩芯電纜進(jìn)行信號傳輸。

2.3 測量介質(zhì)（蒸汽測量從壓力溫度查表確定是否過熱）

一用熱企業(yè)采用DN250口徑渦街流量計(jì)監(jiān)督1.0MPa蒸汽用量，計(jì)量過程發(fā)現(xiàn)監(jiān)督表量低于計(jì)量表量，差率2.5%左右。檢查監(jiān)督表無異常、供熱單位計(jì)量表性能符合計(jì)量技術(shù)要求。查工況運(yùn)行條件發(fā)現(xiàn)，計(jì)量表運(yùn)行壓力為1.02MPa，溫度為213.05℃，監(jiān)督表運(yùn)行壓力為1.00MPa，溫度為178.13℃。經(jīng)查閱蒸汽特性發(fā)現(xiàn)，壓力在1.0MPa的蒸汽飽和溫度為184℃以上。說明從計(jì)量表至監(jiān)督表輸送過程中，由于熱量散失與流動(dòng)阻力，致使蒸汽溫度下降，形成不飽和蒸汽，造成監(jiān)督表測量為氣液兩相流。

目前流量測量儀表大多對單相流體進(jìn)行測量，而渦街流量計(jì)也不例外。當(dāng)發(fā)現(xiàn)被測介質(zhì)存在二相流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，其測量誤差將出現(xiàn)明顯偏移。如測量遠(yuǎn)距離輸送的過熱蒸汽時(shí)，因?yàn)閭鬏斁嚯x遠(yuǎn)，管道保溫不良或彎頭、閥門、分支多等原因，均可引起蒸汽流動(dòng)阻力過大，從而導(dǎo)致過熱蒸汽在輸送過程中的工作溫度逐步下降。當(dāng)蒸汽從過熱狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時(shí)，介質(zhì)中會(huì)出現(xiàn)冷凝的不均勻水滴。而冷凝水的標(biāo)準(zhǔn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過熱蒸汽標(biāo)準(zhǔn)密度，從而直接導(dǎo)致渦街流量計(jì)測量過熱蒸汽流量明顯由大變小。應(yīng)對易于液化氣體介質(zhì)進(jìn)行增加背壓、改善保溫或同時(shí)加裝氣液分離設(shè)備等措施，并對被測介質(zhì)的工作溫度與工作壓力進(jìn)行監(jiān)督，防止二相流體出現(xiàn)。

2.4 流體狀況

流量計(jì)確保正常工作的流體要素：（1） 被測流體具備無旋渦、充分滿足湍流速度分布、流速軸均勻分布的特點(diǎn);（2）測量介質(zhì)為單項(xiàng)流，且應(yīng)充滿測量管道;（3） 流量基本穩(wěn)定，避免出現(xiàn)脈沖流。（4）符合牛頓流體[4]要求;流量計(jì)在測量過程中如無法完全滿足以上四種條件將會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)測量附加誤差同時(shí)產(chǎn)生。在工藝現(xiàn)場流體流動(dòng)特性常是難以滿足以上要求，將不可避免的會(huì)造成測量附加誤差的增大，且量值增大多少難以通過定量分析確定。因此在現(xiàn)場儀表安裝設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能加大測量儀表前后直管段或加裝整流設(shè)備，使流體趨于測量條件要求。

法蘭卡裝渦街流量計(jì)

2.5 氣體標(biāo)況測量附件

目前，煉化企業(yè)氣體計(jì)量交接多采用標(biāo)況體積量結(jié)算，需引入介質(zhì)溫度及壓力進(jìn)行換算。部分廠家產(chǎn)品能夠測量標(biāo)況量，但多采用溫壓定值計(jì)算，對于溫度、壓力穩(wěn)定流體，可以較為準(zhǔn)確進(jìn)行測量，但絕大部分流體會(huì)隨著氣候變化、工藝變動(dòng)而產(chǎn)生較大差異。為了確保測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，各企業(yè)多使用在線溫度、壓力信號引入二次儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算。

某煉化企業(yè)采用口徑150mm渦街流量計(jì)測量低壓氮?dú)?，其介質(zhì)傳輸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為壓力0.70MPa、溫度25℃，待使用方安裝同一口徑、同一廠家渦街流量計(jì)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)其比對差率嚴(yán)重超差（表1）。

壓力整改前主輔比對差率

現(xiàn)場檢查主計(jì)量、溫度及壓力發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場壓力取壓點(diǎn)設(shè)置于表前，且位于DN300與DN150變徑大管徑處。根據(jù)廠家安裝說明，壓力取壓點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在表后4D處，根據(jù)JJG1029《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》，壓力的測量位置應(yīng)設(shè)置在流量計(jì)下游側(cè)（2～7）D處。 經(jīng)廠家計(jì)算，在此工況下，流量計(jì)壓損為15.07kPa。同時(shí)根據(jù)流體特性及流速計(jì)算，由于管道變徑同樣造成（2～3）kPa的壓力損失。由此引入測量誤差理論計(jì)算：15+2/80×100%=2.13%。（15kp為儀表壓損；2kp為變徑壓損；800kp為介質(zhì)壓力）。

3 結(jié)束語

石油石化行業(yè)是國家能源安全的命脈，上海自動(dòng)化儀表直接關(guān)系著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民美好生活的改善，石油石化計(jì)量作為石油石化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，與企業(yè)的運(yùn)行優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益、成本控制、綠色發(fā)展等密切相關(guān)。通過對影響渦街流量計(jì)氣體測量準(zhǔn)確性的多項(xiàng)因素進(jìn)行深入分析，提出有效的改進(jìn)對策來提升渦街流量計(jì)對氣體測量的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)控制、成本管理、優(yōu)化創(chuàng)效、節(jié)能減排提供可靠數(shù)據(jù)支撐，對企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型、源頭減排降碳、高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。