關於超高溫鍋爐新型數字熱電過熱蒸汽流量計的分析與（yǔ）研究

熱電過（guò）熱蒸（zhēng）汽流量計（jì）是根據“卡門漩渦”原理製成的流量測（cè）量儀表。當一穩定（dìng）的流體流經有一定長度的直管道時，撞擊沉浸在（zài）流體中的（de）非線性（xìng）柱體，在流體的下遊會產生漩渦（即卡門漩渦）。當流體的（de）雷諾數（Re）在一定的（de）範（fàn）圍內，漩渦的發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（sù）； d為柱體迎流麵的寬度；St為斯特羅哈數。熱電過熱蒸汽流量計可廣泛用於大、中、小型各種管道給排水、工業循環、汙水處理，油類（lèi）及化學試劑（jì）以及壓縮空氣、飽（bǎo）和及過（guò）熱蒸汽、天然氣及（jí）各（gè）種介質流量的（de）計量。
熱電（diàn）過熱蒸汽流量計的特點也很（hěn）明顯，主要表現在以下方麵（miàn）:
①智能熱電過熱蒸（zhēng）汽流量計的傳感器的（de）通用性很強，從而使傳（chuán）感器具有良好的互換性采（cǎi）用先進數控設備（bèi）加工傳感（gǎn）器（qì）的表（biǎo）體和旋渦發生體等，確保加工精度（dù），從而使零部件（特別是旋渦（wō）發生體）的通用（yòng）性強，從而真正做到不（bú）會因零部（bù）件的更換而影（yǐng）響傳感器的重複性和（hé）精度；能產生強大而穩定的渦街信號。
②抗振性能特別好，無零點漂移，可靠性高。通過長時間對熱電過熱蒸汽流量（liàng）計進行（háng）的大（dà）量波形（xíng）分析和頻譜分析，加上（shàng）*佳（jiā）的探頭（tóu）形狀、壁厚，高度、探頭杆直徑及與之相配套的壓電晶體，采用先進的數控車床進行加工，確保加工的同軸度和光潔度等技術參數，配（pèi）合特殊的工（gōng）藝處理，從而*大限度的克服熱電過熱蒸汽（qì）流量（liàng）計存在的（de）固有自振蕩頻率對信號的（de）影響這個通病。
③結構簡單牢固，無可動部件，可靠性高，使用維護方便。
④檢測（cè）元件不與介質接觸，性（xìng）能穩定（dìng），使用壽命長傳感器采用檢測（cè）探頭（tóu）與旋渦發生體分（fèn）開安（ān）裝，而且耐高溫（wēn）的壓電晶體密（mì）封在檢測探頭（tóu）內，不與（yǔ）被測介質接觸（chù），所以熱電過熱蒸汽流量計具有結構簡單、通用性好和穩定性高的特點。
⑤輸出與流量成正比（bǐ）的脈衝信號或模擬（nǐ）信號，無零點漂移，精度高，方便與計算機聯網
⑥測量範圍寬，量程比可達1：10
⑦熱電（diàn）過熱蒸汽流（liú）量計測量體積（jī）流（liú）量時不需補償，渦（wō）街輸出的信號實際上是（shì）與（yǔ）流速（sù）成線性關係的，也就是與（yǔ）體積流（liú）量成正比。壓（yā）力和溫度補償的目的是為了得到流體的密度，乘以體積流（liú）量就得到質量流量，若測量氣體的體積流量就不需要補償了（le）。
⑧壓力損失小。用口徑DN50的熱電過熱蒸（zhēng）汽流量計測量（liàng）可（kě）燃氣體的流量（liàng），若（ruò）管道內的*大流量（liàng）Qmax ＝200m3/h時，傳感器的壓力損失是（shì）：△P ＝1.08×10-6 ρv2（kPa）= 0.605 KPa
⑨在一定的雷諾數（shù）範圍內，流量（liàng）特性不受流體壓力、溫度（dù）、黏度、密度、成分的影響，僅是與旋渦發生體的形狀和尺寸有關。
⑩應（yīng）用範圍廣（guǎng），蒸汽、氣體、液體（tǐ）流量均可測量。
本文介紹這種集溫度（dù）、壓力、流量就地（dì）顯示於一體的數字熱（rè）電過熱蒸汽流量（liàng）計。並分析了數字渦街流量機在測量超高溫鍋爐（lú）過熱蒸（zhēng）汽方麵的應用。采用先進的單片微機及微功耗芯片，實現在線多種信號采集和數據處理（lǐ），並采用軟件容錯技術，大大提高了儀表的（de）可靠性（xìng）和測量準確度。
1、熱電過熱蒸汽（qì）流量計的精度及適用情況
1．1熱電過熱蒸汽流量（liàng）計的精確度
熱電過熱蒸（zhēng）汽流量計的精確度對於液體大致在（zài）±O．5％R～±2％R，對（duì）於氣體在±1％R～±2％R，重複性一般為0．2％-0．5％。由於熱（rè）電過熱（rè）蒸汽（qì）流量計的儀表係數較低，頻率分辨率低，口徑（jìng）愈大愈低，故儀表口徑不宜過大（dà）(DN300 以下)。
範圍度寬是熱電過熱蒸汽流量計的特點，但重要的是下（xià）限流（liú）量為多少。一般液體平均流速下限（xiàn）為0．5m／s，氣體為4-5m／s。熱電過熱蒸汽流量計的（de）正常流量*好在正常測量（liàng）範圍的（de）1／2～2／3處。
熱電過熱蒸汽流量計的儀表常數（shù）不受（shòu）測（cè）量介質物性的影響，這是很大的優（yōu）點，可以（yǐ）用一種典型介質（zhì）校驗而應用到其他介質去，對於（yú）解決校（xiào）驗設備問題提（tí）供便利。但是應該看到由於液、氣的流速（sù）範圍（wéi）差別很大，因此頻率範（fàn）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（lù）參數也不同，因此，同（tóng）一電路參（cān）數是不能用於不同測量介質的。介質改變，電路參數也應隨之改變。 　
另外，氣體（tǐ）和液體（tǐ）的密度差別很大，旋渦（wō）分離時產生的信號強度（dù）與密（mì）度成正比。因此信號強度差（chà）別也很大，液、氣放（fàng）大器電路的增（zēng）益，觸發（fā）靈（líng）敏（mǐn）度等皆不一樣，壓電電荷（hé）差別大，電荷放大（dà）器的參數也不同。即（jí）使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著介質壓力、溫度不同，密度不同，使（shǐ）用的流量範圍不同（tóng），信號（hào）強度（dù）也不同（tóng），電路參數同樣要改變。因此一台熱電過熱（rè）蒸汽流量計不經硬件或軟件修改，改變使用介質或改變儀表口徑是不可（kě）行的。
1．2熱電過（guò）熱蒸汽流量（liàng）計的適用情況
熱（rè）電過熱蒸汽流量計不適用（yòng）於測量低雷諾係數(Re≤2×104少)流體。低雷諾係數（shù）時，斯特勞哈數（shù）隨著（zhe）雷諾係數而變（biàn），儀表線性度變差，流（liú）體粘度高會顯著影響甚至阻礙旋渦的產生（shēng），選型的一個限製條件是不（bú）能使用於界限雷諾係數之下。
熱電過熱蒸汽流量計適用的流體比較廣泛，但對於流體的髒汙性質要注意。含固體（tǐ）微粒的流體（tǐ）對旋渦發生體的衝刷會產生噪聲，磨損（sǔn）旋渦發生體。若含（hán）有的短纖維（wéi）纏繞（rào）在旋渦發生體上（shàng）將改變儀表係數。
熱電過熱蒸汽流量計在（zài）混相流體中的應用經（jīng）驗還很（hěn）少，一般可用於含分散、均勻的微小氣泡，但容積（jī）含氣率應小於7％～10％的氣、液兩相流，若超出2％就應（yīng）對儀表係數（shù）進行修正。可用（yòng）於含分（fèn）散、均勻的固體微粒。含量不大於2％的氣固、液固兩相流。可用於互不溶解的液液(如油和水)兩組分流等。
脈動流和旋轉（zhuǎn）流會對熱電過（guò）熱蒸（zhēng）汽流量（liàng）計產生嚴重影響。如果脈動頻率與渦街頻率頻帶合（hé）拍可能引起諧振（zhèn）破（pò）壞正（zhèng）常（cháng）工作和設備，使渦街信號（hào）產（chǎn）生“鎖定(lock-in)”現象，這時信號（hào）固定於某一頻率。“鎖定”與（yǔ）脈動幅值、旋渦發生體形狀（zhuàng）及堵塞比等有關（guān）。熱電過熱蒸汽（qì）流（liú）量計的（de）正常工作的（de）脈動閉值尚待試驗確定。80年（nián）代以來（lái）國內外流量測量工作者己對熱（rè）電過熱蒸汽流量計在混（hún）相流、脈動流中的應用開展許多（duō）試（shì）驗（yàn）研究，國際標準化組織(ISO)己發布的技術報告中（zhōng）亦關注這方麵內容。
1．3熱電過熱蒸汽流量計的經濟性（xìng）
在眾多的流量計中，熱電過熱蒸汽流量計的經濟（jì）性較好，是一種經濟實惠的流量計。熱電過熱蒸汽流量計的基本性能處於中等偏上水（shuǐ）平，購置費低於質量式、電磁式、容積式等，而安裝、運行、維（wéi）護費低於（yú）節流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控（kòng）製係統檢測儀表可采用幹校方式節省周期（qī）校驗費用。
2、超（chāo）高（gāo）溫鍋爐（lú）數字熱電過（guò）熱蒸汽流量計係統概述
2．1工作原理
在流體中設置旋渦發生體(阻（zǔ）流體)，從旋渦（wō）發生體兩（liǎng）側交替地產生有規則的旋（xuán）渦（wō），這種旋（xuán）渦稱為卡門渦街，如圖（tú）1所示。旋渦列在旋（xuán）渦發生體（tǐ）下遊非對稱地排列（liè）。設旋渦的發生頻率為f，被測介質來流的平均（jun1）速度為U，旋渦發生體迎麵寬度為d，表體通徑為D，根據卡門渦街原理，有如下關（guān）係式
f=SrUl／d=SrU／md (1)
式（shì）中U1--旋渦發生體兩側平均流速，m／s；
Sr—斯（sī）特勞哈爾數：
m—旋渦（wō）發生體兩側弓形麵積與管道橫截麵麵積之比
式中K--流量計的儀表係數，脈衝數／m3(p／m3)。
K除與旋渦發生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數有關。斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋（xuán）渦發生體形狀及雷諾數（shù）有關，圖2所示為圓柱狀（zhuàng）旋（xuán）渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關（guān）係圖。由圖可見，在ReD=2x104～7x106範圍內，sr可視為常數（shù），這是儀表正常工作範圍。當（dāng）測量氣體流量時，VSF的流（liú）量計算式為
式中qv．qv--分別為標準狀態下(0oC或20oC，101．325kPa)和工況下的體積流量，m3/h；
Pn．p--分別為標（biāo）準狀（zhuàng）態（tài）下和（hé）工況下的絕對壓力，Pa；
Tn．T--分（fèn）別（bié）為標準狀態下和工況下的熱（rè）力學溫度，K；
Zn．Z--分別為標準狀態下和工況下氣體壓縮係數。
由（yóu）上式可見。VSF輸出的脈（mò）衝頻率信號不受流體物性和組分變化的影響。即儀表係數在一定雷諾數範圍內僅與（yǔ）旋渦發生體（tǐ）及管道（dào）的形狀尺寸等有關。但是作為流量計（jì）在物料平衡及能源計量中需（xū）檢測質量流量，這時流量計（jì）的輸出（chū）信號應同（tóng）時監測體積流量和流體密度，流（liú）體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。　　
2．2熱電過熱蒸汽流量計結構
VSF由（yóu）傳感器和轉換器兩（liǎng）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（qì）包括前（qián）置放大器、濾波整形電路、D／A轉換電路、輸出（chū）接口電路、端子、支架和防護罩等。近年（nián）來智能式流量計（jì）還把微處理器、顯示通訊及（jí）其他功能模塊亦裝在轉換器內。
(1)旋渦發生體
旋渦發（fā）生體是檢測器（qì）的主要部件，它與（yǔ）儀表的流量特性(儀表係數、線性度、範圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關，對它的要求如下。
1)能控製旋渦在（zài）旋渦發生體（tǐ）軸線方向上同步分離：
2)在較寬的雷諾數範圍內，有穩定的旋渦分離點，保持恒（héng）定的斯特勞哈爾數（shù）：
3)能產生強烈的渦街，信號的信噪比高：
4)形狀和結構簡單，便於加工和幾（jǐ）何參數標準化，以及各種檢測元件（jiàn）的安裝和（hé）組合：
5)材質應滿足流體性質的（de）要求，耐腐蝕，耐磨蝕（shí），耐溫度（dù）變化
6)固有頻（pín）率在渦街信號（hào）的頻帶外。
已（yǐ）經（jīng）開發出形狀繁多的旋渦發生體，它可分為單旋渦發生體和多旋渦發生體兩類，如圖4所示。單旋渦發生體的基本（běn）形有（yǒu）圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形（xíng）的變形。三角柱形旋渦（wō）發生（shēng）體是應用*廣泛（fàn）的一種，如圖5所示。圖中D為儀表（biǎo）口徑。為提高渦街強度和穩定性，可采用多旋（xuán）渦發生體，不過它的（de）應（yīng）用並不普。
(2)檢測元件
流量計檢測旋渦信號有5種方式。
1)用設置在旋渦發生體內的檢測元件直接檢測（cè）發生體兩側差壓：
2)旋渦發生體上（shàng）開設導壓孔，在導（dǎo）壓孔中安（ān）裝檢測元件檢測發生（shēng）體兩側差壓：
3)檢（jiǎn）測旋渦發生體周圍交變環流：
4)檢測旋渦發生體背麵交變差壓：
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(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（bǎ）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，必須進行放大（dà）、濾波、整形（xíng）等（děng）處理才能得出與流量成比例的脈衝（chōng）信號。不同檢測方式應配備不同特性的前（qián）置放大器。轉換器原（yuán）理框圖如圖4所示。
圖4 A：轉換器原理框圖B：數字熱電過熱（rè）蒸（zhēng）汽流量（liàng）計框圖
3、數（shù）字流量計運用（yòng）於超高（gāo）溫鍋爐
濕飽和蒸汽在熱網係統中普（pǔ）遍存，鍋爐產出的飽和蒸汽一般都（dōu）含有少許的水（shuǐ）分，通過分汽缸、熱（rè）力管網送至用戶，由於管網的熱損失，蒸汽的水分含量必然（rán）增（zēng）多，導致蒸汽流量減少（shǎo）。
在計劃經濟時代，供熱按樓房麵積收費，不存在蒸汽計量收費（fèi）問題。近年來，隨著市場經濟的不斷深入，蒸汽流量必須按計量收費，因此蒸汽的熱損耗問題也提了（le）出來。目前，行（háng）政上普遍執行的辦法是由用戶多（duō）交10％的蒸汽費用，以補償蒸汽損耗（hào）。這種辦法也（yě）有一（yī）定缺點，用戶多交10％沒有科學依據，其一，濕飽和蒸（zhēng）汽水分含量與熱力管道的長短有關，短熱力管（guǎn）道能平（píng）衡減少的蒸汽量，而長熱（rè）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更無法平衡，有些企業白（bái）天上班使用幾小時蒸（zhēng）汽，下班後整個晚上都不使用（yòng）蒸汽，直到*二天上班再用（yòng），通過一整夜的冷卻（què），熱力管道中的蒸汽全凝結成水，這種蒸汽的損失就不是（shì）10％。由於這些客（kè）觀原因。熱力廠不（bú）能做（zuò）到自負盈虧，而需要政府補助（zhù）。
比較合理的作法（fǎ）是熱力（lì）廠出口的總流量認為是幹飽和汽，用流量表（biǎo）計量並作為（wéi）貿易結算的（de）基準流量。各個（gè）用戶（hù）的（de）蒸汽流量為濕飽和蒸汽，按汽（qì）水兩相流計量，根（gēn）據物質不（bú）滅定律，各個用戶的蒸汽質量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽質（zhì）量流量應相等，這就需要（yào）流（liú）量儀（yí）表準確測量總管的質量流量和分管的質量流量。
汽水兩相流（liú）的流量測（cè）量除了要確定單相流涉及的流量參（cān）數外，還必須要確定幹度（dù）(即濕蒸汽的水分（fèn）含量（liàng）)，鍋筒出口的蒸汽幹度可用電導率法測量，熱網管道的蒸汽幹度可用熱平衡（héng）法測量，也可用頻譜分析法測量。汽水兩相流比單相流要複雜得（dé）多，由於汽與水（shuǐ）的（de）密度相差甚遠（yuǎn），兩者的流速是不（bú）等的，密度大的速度快，密度小的速度慢（màn）。這種速度差又與（yǔ）幹度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關，因此濕飽和蒸（zhēng）汽流量數學模型比幹（gàn）飽和蒸汽流（liú）量數學（xué）模型要複雜得多。但是，經（jīng）過幾十年的實驗研究，濕飽和蒸汽的測量（liàng）技術已經成（chéng）熟（shú），目前濕飽和蒸（zhēng）汽數學模型精度（dù）可達±0．6％，這個計算精度完全滿足（zú）濕飽和蒸（zhēng）汽流量計量要求（qiú）。
3．1係統方案（àn）
據飽和（hé）蒸汽壓力、溫度和密度相對應的關係，隻需選擇壓力或溫（wēn）度其中一項來對流量進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，壓（yā）力波動較大，適宜（yí）采（cǎi）用壓力補償。
LUB係（xì）列熱電過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（de）本安關聯設備（bèi）(防爆標誌：ExiaC)配套組成本安防爆係統。
3．2熱電過熱蒸汽流量計的選型
根據用戶提供的所測飽和蒸汽的壓力(溫度)、流量範圍（wéi）、管道直徑等參（cān）數（shù），選擇相（xiàng）應規（guī）格的（de）LUB係列（liè）熱電過熱蒸汽流量計。所測（cè）飽和蒸汽的流量範圍應處於所選流量（liàng）計的測量範圍內，並*好處於流量計的*佳工作範圍，即流量計量程的50％～67％處。對於（yú）管道直徑與流量計（jì）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係列流量積算儀提供了1種流（liú）量補償（cháng）算法（fǎ），基本可滿（mǎn）足各種測量介質的（de）流量補償（cháng）計算，可顯（xiǎn）示（shì）瞬時流量和累積流量等參數，並且可輸出標準模（mó）擬信號供控製和記錄（lù），還提供標（biāo）準工業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（fǎ），就需（xū）要先（xiān）進入（rù）流量積算儀的參數（shù）設置狀（zhuàng）態，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（shù）字熱電過熱蒸汽流量計的設計簡（jiǎn）述
智能（néng）數字熱電（diàn）過熱蒸汽流量計是以微處理器為核（hé）心，具有自動（dòng）調零，線性化，自動補償環境因素變化功能，並配以圖形顯示（shì）直觀的表達測量結果的嵌入式數字智能熱電過熱蒸汽（qì）流量計的（de）要求。圖5是該係統傳感器基本技術原理示（shì）意圖。

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