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蒸汽介質(zhì)的超高流速對于蒸汽計量表計量的影響及解決方案

蒸汽計量表的測量技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟,其主要優(yōu)點是:無可動部件,結(jié)構(gòu)簡單牢固,安裝方便,易于維護,費用支出少。量程比一般在10∶1以上,精度也相對較高,測量氣體一般在1.0級到1.5級之間,測量液體一般在1.0級。蒸汽計量表被廣泛 應(yīng)用于蒸汽流量的計量,我們知道,一般情況下,流量計對于所測的流體的流速都有一定的要求,尤其于蒸汽計量表是依靠流體產(chǎn)生的規(guī)律性的渦街進行工作的,更要將流速限定于規(guī)定的范圍之內(nèi),太低和太高都會導(dǎo)致渦街不能工作或數(shù)值失真。但是在實踐工作中,我們卻發(fā)現(xiàn)有人利用蒸汽計量表對于流速的要求來做文章,做一些違法的事情,使計量數(shù)值嚴重失真,導(dǎo)致客戶產(chǎn)生損失。做法就是使用一些看似無意其實違法的手段,致使下游的壓力驟降,導(dǎo)致蒸汽流速超過蒸汽計量表測量流速上限,蒸汽計量表不能正常工作,計量嚴重偏小。
具體說明如下:
在多年的檢定工作中,我們發(fā)現(xiàn)有人使用了一個蒸汽蒸汽計量表的漏洞,在保持蒸汽計量表計量管段原封不動的情況下,只在蒸汽出口處做文章,即可致使蒸汽計量表計量嚴重偏小。

圖1中我們看到在蒸汽計量表計量段,沒有任何修改,而在其后的大型儲氣罐卻大有文章。整個系統(tǒng)根據(jù)儲氣罐內(nèi)壓力變化來對前后閥門分別進行自動控制,從而進行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環(huán)操作。整個循環(huán)過程是:開始時,儲氣罐是空的,閥門1、閥門2都關(guān)閉。然后閥門1快速打開,上游0.8MPa的過和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲氣罐充氣漸滿,壓力升高至一定壓力后,關(guān)閉閥門1,打開閥門2,讓儲氣罐中蒸汽排出以供使用。這樣操作的目的主要是使大部分流過蒸汽計量表的蒸汽以*高流速通過。
為什么這樣會使蒸汽流速達到非常高的程度呢?而蒸汽計量表在高流速下計量會有什么問題呢?
1 分析蒸汽的流速
臨界壓力比是分析管內(nèi)流動的一個重要數(shù)值,蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時,在臨界截面上,蒸汽流速達到臨界值音速c。
臨界壓力比:γcr=pcr/p1
水蒸汽音速:c=√ kpv
當過流氣體為過熱蒸汽時:k=1.3,γcr=0.546
pcr稱為:臨界壓力。
所以我們得到:通過降低背壓比,能讓通過蒸汽的流速提升到相對于蒸汽計量表來說非常高的程度,甚至達到音速,過熱蒸汽音速可以達到500m/s以上。從熱網(wǎng)過來的蒸汽壓力一般高于0.8MPa,而在儲氣罐開始充氣時,罐內(nèi)壓力幾乎為常壓。根據(jù)蒸汽的臨界流原理。蒸汽管道和容器的前后壓力比只要低于臨界壓力比γcr=0.546,那么管內(nèi)蒸汽的流速將達到音速。在這個案例里,儲氣罐內(nèi)壓力按充氣階段中后期才逐漸升高到的0.4MPa來計算,背壓比為0.5。也就是說,在大部分蒸汽通過階段,背壓比都小于0.546,蒸汽的流速都保持在音速,音速是大大超過蒸汽計量表測量流速上限的。通過這樣一個辦法,即能大幅度提高通過蒸汽計量表的蒸汽流速,致使蒸汽計量表計量嚴重偏少。不法用戶還狡辯,我的所有計量器具都通過了**法定計量檢定機構(gòu)的檢定。確實,這種情況,單是檢定流量計是無法發(fā)現(xiàn)問題的。我們可以判斷,介質(zhì)的高流速對蒸汽計量表的計量性能產(chǎn)生了很大的影響致使其計量不準。為什么這么說呢?我們再來分析氣體的高流速對蒸汽計量表的影響。
2 蒸汽計量表工作原理
在流體中安放漩渦發(fā)生體,流體在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分列出兩列有規(guī)律的交錯排列的漩渦,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),改漩渦的頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸有關(guān),所產(chǎn)生的漩渦頻率f 正比于流量,此頻率可由各種傳感器檢出。
蒸汽計量表就是利用卡門渦街原理,得到如下關(guān)系:
f =(Sr ·u )/b
式中:b ——阻流件的寬度,m; u——流經(jīng)流量計的流體平均流速,m/s;f ——漩渦的頻率,Hz;Sr ——斯特羅哈爾數(shù)(無量綱)。
斯特羅哈爾數(shù)為無量綱參數(shù),它與漩渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)。圖3所示為三角柱漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系。

由圖3可見,在Re D=2×104~7×106范圍內(nèi) ,斯特勞哈爾數(shù)可視為常數(shù)。我們使用的蒸汽計量表都是在斯特勞哈爾數(shù)視為常數(shù)的這個范圍內(nèi)設(shè)計的。因此我們使用蒸汽計量表時一定要避免測量介質(zhì)的雷諾數(shù)在2×104~7×106這個范圍外,超過這個范圍,斯特勞哈爾數(shù)不再是常數(shù),蒸汽計量表測得的頻率與流速也不再是簡單的正比關(guān)系。也就是說,超過雷諾數(shù)2×104~7×106這個范圍,便違反了蒸汽計量表的設(shè)計原理,這時候蒸汽計量表是不能正常計量的。因為雷諾數(shù)與介質(zhì)流速有關(guān),所以我們具體到介質(zhì)流速的話,對于蒸汽來說,蒸汽計量表的流速測量范圍控制在5m/s~60m/s之間,好的蒸汽計量表量程上限*多再往上延伸20%。因此在選型蒸汽計量表的口徑和流量測量范圍時,要保證滿足這個流速限定。絕大部分蒸汽計量表對于高流速介質(zhì)是沒有辦法計量的。所以上訴案例中,用普通蒸汽計量表去計量音速下的蒸汽,得到的結(jié)果是完全不可信,不能用的。

蒸汽計量表是一種數(shù)字儀表,是通過傳感器來檢測漩渦頻率的。流量計的電氣性能必須要工作在適宜它的條件下。我們來看看在高流速下,蒸汽計量表檢測漩渦頻率的情況。引用一個高流速下蒸汽計量表的實驗[4]。該實驗在采用在線實時頻譜分析時發(fā)現(xiàn):在口徑為DN80及其以下的管線上,經(jīng)常會出現(xiàn)高于80m/s的高流速,其中有近一半的出現(xiàn)超過100m/s的高流速,更有甚者,流速高達180m/s。一般的蒸汽計量表在通過介質(zhì)流速過高時,會發(fā)生劇烈的漏波現(xiàn)象,因而產(chǎn)生難以估算的誤差。
從圖4上看漏波的結(jié)果就是檢測到的脈沖不再連續(xù),發(fā)生了漏缺。所以這種情況下,測量結(jié)果的趨勢是一般都是偏小。在高流速下,漩渦發(fā)生體后的流體運動更加復(fù)雜。渦街傳感器檢測信號需要一定的清晰度,如果流速過高,流場變得更加復(fù)雜。此時傳感器將受到嚴重干擾,目標信號清晰度急劇下降,使渦街流量傳感器測不準或者測不到。

我們可以看到,高流速下的蒸汽計量表的漏波十分明顯,正是利用了渦街的這個漏洞,讓蒸汽計量表在超高流速下大量漏波,致使*后得到的流量遠小于實際流量。
除了是上述案例中的裝置,還有一種把蒸汽直接放入水池中加熱水的熱水站,采用了手段這些都是為了設(shè)法讓蒸汽出口的壓力驟降,得到突然變小的背壓比,以大大提高蒸汽的流速。即使達不到音速,也遠高于蒸汽計量表的測量上限,導(dǎo)致蒸汽計量表的不正常工作。因此為了保證蒸汽計量表正常計量,我們必須重視蒸汽計量表的測量范圍,管內(nèi)流速必須限定在蒸汽計量表的測量范圍以內(nèi)。
對于那些在后端搞壓力驟降提高蒸汽流速的,可以想辦法把蒸汽流速限定在合理范圍內(nèi)。比如采用限流裝置,在蒸汽計量表后方管線上安裝臨界流文丘里噴嘴。當蒸汽通過臨界流文丘里噴嘴時,在噴嘴上、下游壓力比如果小于或等于該噴嘴的臨界壓力比時,噴嘴喉部形成臨界狀態(tài),流過噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量達到*大。這時蒸汽的質(zhì)量流量不受下游狀態(tài)變化的影響。根據(jù)這個原理,我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會發(fā)生壓力驟降的管段前,就能穩(wěn)穩(wěn)的限死上游通過蒸汽計量表的*大流量了。而選用文丘里噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。