關於超高溫鍋爐新型數字智能乙烷（wán）流量計的分析與研究

乙烷流（liú）量計是根據“卡門漩渦”原理（lǐ）製成（chéng）的流量測量（liàng）儀表。當一穩定的流體流經（jīng）有一定長（zhǎng）度的直管道時，撞擊沉浸在流體中的非線（xiàn）性柱體，在流體的下遊會產生漩渦（即卡門漩渦）。當流體的雷諾（nuò）數（Re）在一定的範圍內，漩渦的發生規律是穩定可靠的，漩渦發生（shēng）的頻率F由公式（shì）：F=(St * V)/d 確定其中，V為流速（sù）； d為柱（zhù）體迎流麵的寬度；St為斯特羅（luó）哈數。乙烷流量計可廣泛用於大、中（zhōng）、小型各種管道給排水、工業循環、汙（wū）水處理，油類及化學試劑以及壓縮空氣、飽和及過熱蒸汽、天然氣及各種介質流量的計量。
乙烷流量計（jì）的特點也很明顯，主要表現在（zài）以下方麵:
①智能乙烷流量（liàng）計的傳感器的通用性很強，從而使傳感器具有良好的互（hù）換性（xìng）采用先進數控設備加工傳感器的表體和旋渦（wō）發生體等，確保加（jiā）工精度（dù），從而使零部件（特（tè）別是旋渦發生（shēng）體）的（de）通用性強，從而真正做到不會因零部件的更換而影響傳感器的重複性和精度；能產生（shēng）強大而穩定的渦街信號。
②抗振性能特別好，無零（líng）點漂移，可靠性高（gāo）。通過長時間對乙烷流量計進行的大量波形（xíng）分析和頻譜分析，加上*佳的探頭（tóu）形狀、壁厚，高度、探頭杆（gǎn）直（zhí）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（tóng）軸度和（hé）光潔度等技術參數（shù），配合特殊的工藝處理（lǐ），從而*大限度的克服（fú）乙烷流量（liàng）計存在的固有自（zì）振蕩頻率對信號的影（yǐng）響這個（gè）通病（bìng）。
③結構簡單牢固，無可動部件，可靠性高，使用維（wéi）護方便。
④檢（jiǎn）測元（yuán）件不與介質接觸（chù），性能穩定，使用壽命長傳感器采用檢測探頭與旋渦發生體（tǐ）分開安裝（zhuāng），而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測探頭內，不與被測介質接觸，所以乙烷流量計具有結構簡單、通用性好（hǎo）和穩定（dìng）性高的特點。
⑤輸出與流量成正（zhèng）比的脈衝信（xìn）號或模擬信號，無零點（diǎn）漂移（yí），精度高，方便與計算機聯（lián）網
⑥測量範圍寬，量程比可達1：10
⑦乙烷流量計測量體積流量時不需補償，渦（wō）街輸出的信號實（shí）際上是（shì）與流速成（chéng）線性關係的，也就是與體積流量成正比。壓力和溫（wēn）度補償的目的是為了得到流體的密度，乘以體（tǐ）積流量就得（dé）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的乙烷（wán）流量計測量（liàng）可燃氣體的流量，若管道內的*大（dà）流量（liàng）Qmax ＝200m3/h時，傳感器的壓力損失是：△P ＝1.08×10-6 ρv2（kPa）= 0.605 KPa
⑨在一定的雷諾數範圍（wéi）內，流量特（tè）性不受流體壓力、溫度、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應用範圍廣，蒸汽、氣體、液體流量（liàng）均可測量。
本文介（jiè）紹這種集溫度、壓力、流量就地顯（xiǎn）示於一（yī）體的數字乙烷流量計。並分（fèn）析了數字渦街流量機在（zài）測（cè）量超高溫鍋爐過熱蒸汽方麵的應用。采用（yòng）先進的單片微機及（jí）微功耗芯片，實現在線多種信號采集和數據處理，並采用軟件容（róng）錯技術，大大提高了儀表（biǎo）的可靠性（xìng）和測量準確度。
1、乙烷流量計的精度及適（shì）用情況
1．1乙烷流量計的精確度
乙烷流量（liàng）計的（de）精確度對於液體大致在（zài）±O．5％R～±2％R，對於氣體在±1％R～±2％R，重複性一（yī）般為0．2％-0．5％。由（yóu）於乙烷流量（liàng）計的儀表係數較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低，故儀表（biǎo）口徑不宜過大(DN300 以（yǐ）下)。
範圍度寬是乙烷流（liú）量計的特點，但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流（liú）速下限為0．5m／s，氣體為4-5m／s。乙（yǐ）烷流量計的正常流（liú）量*好（hǎo）在正常測量（liàng）範圍的（de）1／2～2／3處（chù）。
乙烷流量計的儀表常數不受測量介（jiè）質物性的影響，這是很大的優點，可以用一種典型介質校驗而應用到（dào）其他介質去，對於解決校驗設備問題提供便利（lì）。但（dàn）是應該看到由於液、氣的流速範圍差別很大，因此頻率範圍也差別很大。處理渦街信號（hào）的放大器電路中，濾波器的通（tōng）帶不同，電路參（cān）數（shù）也不同，因此，同一電路參數是不能用於不同測量（liàng）介質的。介質改（gǎi）變，電路參數也應隨之改變。 　
另（lìng）外，氣體和（hé）液體的密度差別很大，旋渦分離時（shí）產生的信號強度與密（mì）度（dù）成正比。因此信號強度差別（bié）也很大，液、氣（qì）放大器電路（lù）的增益，觸發靈敏度等皆不一樣（yàng），壓（yā）電電荷差別大，電荷放大器的參數也不同。即使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著介質壓（yā）力、溫度不同，密度不同，使用（yòng）的流量（liàng）範圍不同，信號強度也不同，電路參（cān）數同樣（yàng）要改變。因（yīn）此一台乙烷流量計不經硬件或軟件修改，改變（biàn）使用介質或改變儀表口徑是不可行的。
1．2乙烷流量計的適用情況
乙（yǐ）烷流量計（jì）不適用於測量低雷諾係數(Re≤2×104少)流體。低雷諾（nuò）係（xì）數時，斯特勞哈數隨著雷諾係數而變，儀表線性（xìng）度變差，流體粘度高會顯著影響甚至（zhì）阻礙旋渦的產生，選型的一個限製條件是不能使用於界限雷諾係數之下。
乙烷流量計適用的流體比較廣泛，但對於流體的髒汙性（xìng）質要注意。含固體微粒的流體對旋渦發生體（tǐ）的（de）衝刷會產生噪聲，磨損旋渦發生體（tǐ）。若含有的短纖維纏繞在（zài）旋渦發生體上將改變儀表係數。
乙烷流量計在混相流體（tǐ）中的應用經驗還（hái）很少（shǎo），一般（bān）可用於含分散、均勻的（de）微（wēi）小氣泡，但容積含氣率應小（xiǎo）於7％～10％的氣、液兩相流，若（ruò）超出2％就應對儀表係數進行修正。可用於（yú）含分散、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（hù）不溶解的液（yè）液(如油和水)兩組分流等。
脈動流和旋轉流會對乙烷流量計產生嚴重影響。如果脈動頻率與渦街頻（pín）率頻帶合拍可能引（yǐn）起諧振破壞正常（cháng）工作和設備，使渦街（jiē）信號產生“鎖（suǒ）定(lock-in)”現象，這時信號固定於某一頻率。“鎖定”與脈動幅值、旋渦發生體形狀及堵塞比等有關（guān）。乙烷流量（liàng）計的正常工作的脈動閉值尚待試驗確（què）定。80年代以來（lái）國內外（wài）流量測量工作者己對乙烷流量計在混相流（liú）、脈動流中的應用開展許多試驗研究，國際標準化組織(ISO)己發布的技術（shù）報告中亦關注（zhù）這方麵（miàn）內容。
1．3乙烷流量計的經濟性
在眾多的流量計中，乙（yǐ）烷流量（liàng）計的經濟性較好，是一種（zhǒng）經濟實惠的流量計。乙烷（wán）流量計的基本性能（néng）處於中等偏（piān）上（shàng）水平，購置費低於質量式、電（diàn）磁式、容（róng）積式等，而安裝（zhuāng）、運行、維（wéi）護費（fèi）低於（yú）節流式、容積式、渦（wō）輪式等，如僅作為控製係統檢測儀表可采用幹校方式節省周期校驗（yàn）費（fèi）用。
2、超高溫鍋爐數字乙烷流量計係統概述
2．1工作原理
在流體中設置（zhì）旋渦（wō）發生體(阻流體（tǐ）)，從旋渦發生體兩側交替地產生有規則（zé）的旋渦（wō），這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發生體下遊非（fēi）對稱（chēng）地排列。設旋渦（wō）的（de）發生頻率為f，被測介質來流（liú）的平均速度為U，旋渦發生體迎麵寬度（dù）為d，表體通徑為（wéi）D，根據卡門渦街原理，有如下關係式
f=SrUl／d=SrU／md (1)
式中U1--旋渦發生體兩側平均流速，m／s；
Sr—斯特勞哈爾（ěr）數：
m—旋渦發生（shēng）體兩側弓形麵積與管道橫截麵麵積（jī）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（guān）外，還與（yǔ）斯特勞（láo）哈爾數有關。斯（sī）特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發生體（tǐ）形狀及雷諾數有關，圖2所示為圓柱狀旋渦發（fā）生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關係圖。由圖可（kě）見，在ReD=2x104～7x106範圍內，sr可視為常數，這（zhè）是儀表正常工（gōng）作範圍。當測量氣體流量時，VSF的流量（liàng）計算式為
式中qv．qv--分別為標準狀態（tài）下(0oC或20oC，101．325kPa)和工況（kuàng）下的體積流量，m3/h；
Pn．p--分別為標準狀態下和工況下的絕對壓力，Pa；
Tn．T--分別為標（biāo）準狀態下和工況下的熱力學溫度，K；
Zn．Z--分別為標準狀態下和工況下氣體壓縮係數。
由上式可見。VSF輸出（chū）的脈（mò）衝頻率信號不受流體物性和組分（fèn）變化的（de）影響。即儀表（biǎo）係數在一定（dìng）雷諾數範（fàn）圍內僅與（yǔ）旋渦發生體及管道的形狀尺寸等（děng）有關。但是作為流量計在（zài）物料平衡及能源（yuán）計量中需（xū）檢測質量流量，這時流量計（jì）的輸出信號應同時監測（cè）體積流量和流（liú）體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影（yǐng）響的。　　
2．2乙烷（wán）流量計結構（gòu）
VSF由傳感器（qì）和轉換器兩（liǎng）部分組成，如圖（tú）3所示。傳感器包括旋渦（wō）發生體(阻流體)、檢測元件、儀表表體等；轉換器包括前置放（fàng）大器（qì）、濾波整形電路、D／A轉換電路、輸出接口電路、端子、支架（jià）和防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模（mó）塊亦裝在（zài）轉換器內（nèi）。
(1)旋渦發生體
旋渦發（fā）生體是檢測器的主要部件，它與儀表（biǎo）的流（liú）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)能控製旋渦在旋（xuán）渦（wō）發生體軸線（xiàn）方向上同步分離：
2)在（zài）較寬的雷諾數範圍內，有穩定的旋渦分離點，保持恒定的斯（sī）特（tè）勞哈爾數：
3)能產生強烈的渦街（jiē），信號的（de）信噪比高：
4)形狀和結構簡單（dān），便於加工和幾何參（cān）數標準化，以及（jí）各種檢測元件的安裝和組合：
5)材質應滿足（zú）流體性質的要求（qiú），耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化
6)固有頻率在渦街信（xìn）號的頻帶外（wài）。
已經開（kāi）發出（chū）形狀繁多的旋渦發生（shēng）體，它可分為（wéi）單旋渦（wō）發生（shēng）體和多旋渦發生體兩類（lèi），如圖4所示（shì）。單旋渦發生（shēng）體的基本形有圓柱、矩形柱和（hé）三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三（sān）角柱形旋渦發生體是應用*廣泛的一種，如圖5所示（shì）。圖中D為儀表（biǎo）口徑。為（wéi）提高渦街（jiē）強度和穩定性，可采用多旋渦發生體，不過它的（de）應用（yòng）並不普。
(2)檢測（cè）元件（jiàn）
流量計檢測旋渦信號（hào）有5種方式。
1)用設置在旋渦（wō）發生體內的檢測元件直接檢測發生體兩側差壓：
2)旋渦（wō）發生體上開設導（dǎo）壓孔，在導壓孔中安裝檢測元件檢（jiǎn）測發生體兩側差壓：
3)檢測旋渦發生體周圍交變環流：
4)檢測旋渦發生體（tǐ）背麵交變差（chà）壓：
5)檢測尾流中（zhōng）旋渦列。
根據這5種檢測方式，采用不同的（de）檢測技術(熱敏、超聲（shēng）、應力、應變、電容、電磁、光電（diàn）、光纖等（děng）)可以構成（chéng）不同類型的VSF。
(3) 轉換器（qì）
檢測元件把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（fàng）大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈衝（chōng）信號。不同檢測方式（shì）應配備不同特性的前置放大器。轉換器原理框圖如圖4所示。
圖4 A：轉換器（qì）原理框圖B：數字（zì）乙烷流量計框圖
3、數字流量計運（yùn）用於超高溫鍋爐
濕飽和蒸汽在熱網係統中普遍存，鍋爐產出的（de）飽和蒸汽一般都含有（yǒu）少許的水分，通過分汽缸、熱力管網送至用戶，由於管網的熱損失，蒸汽的水分含（hán）量（liàng）必然增多，導致蒸汽流量減少。
在計（jì）劃經濟時（shí）代，供熱按樓房麵積收費，不存在蒸汽計量收費問題。近年來，隨著市場經濟的不（bú）斷深入，蒸汽流（liú）量必須按（àn）計量收費，因此（cǐ）蒸汽的熱損耗問題（tí）也提了出來。目前，行政上普遍執行（háng）的辦法是由用戶多交10％的蒸汽費用，以補償蒸汽損耗。這種辦法（fǎ）也有一定缺點，用戶多交10％沒有科學依據，其一，濕飽和（hé）蒸汽（qì）水分含（hán）量與熱力管道的長（zhǎng）短有關，短熱（rè）力管道能平衡減少的（de）蒸汽（qì）量，而長熱（rè）力（lì）管道則平衡不了減少的蒸（zhēng）汽量。其二，對那（nà）些間斷（duàn）使用蒸汽的用戶更無法平衡，有些企業白天上班使用幾小時蒸汽，下（xià）班後整個晚上都不使用蒸（zhēng）汽，直到*二天上班再用，通過一整（zhěng）夜的冷卻，熱力管道（dào）中的蒸汽（qì）全凝結成水，這種蒸汽的損失就不是（shì）10％。由於這些客觀原（yuán）因（yīn）。熱力廠不能做（zuò）到自負盈（yíng）虧，而（ér）需要政府補助。
比較合理的作法是熱力廠出口的總流量認為是幹飽和汽，用流量表計（jì）量並作為貿易結算（suàn）的基準流量。各個用戶的蒸汽流量為濕飽（bǎo）和（hé）蒸汽（qì），按汽水兩相流計量，根據物質不滅定律，各個用戶的蒸汽質量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽（qì）質量流量應相等，這就需要（yào）流量儀表（biǎo）準確測量總管的質量流量和分管的質量流量。
汽（qì）水兩相流的流量（liàng）測量除了要確定單（dān）相流涉及的（de）流量參數外（wài），還必須（xū）要確定幹度(即濕蒸汽（qì）的水分含（hán）量)，鍋筒出口的（de）蒸汽幹度（dù）可用電（diàn）導率法測量，熱網（wǎng）管道的蒸汽幹度（dù）可用熱平衡法測量，也可用頻譜分析（xī）法測量。汽水（shuǐ）兩相流比單相流（liú）要複（fù）雜得多，由於（yú）汽與水的密度（dù）相差甚遠，兩者的流速是不等的，密度大的速度快（kuài），密度小的速度慢。這種速度差又與幹度高低、蒸汽壓力（lì）和流量大小等多種因素有（yǒu）關，因（yīn）此濕飽和蒸汽流量數學模型比幹飽和蒸汽流量數學模型要複雜得多。但是，經過幾十年的實驗研究，濕飽和蒸汽的測（cè）量技術已經（jīng）成熟，目前濕飽和蒸汽數學模型精度可達±0．6％，這個計算精度完全滿足濕飽和蒸汽流量（liàng）計量要求。
3．1係統方案
據飽和蒸汽壓力、溫度和密（mì）度相對應的關係（xì），隻需選擇壓（yā）力或溫度其中一項來對流量進行（háng）補償計（jì）算即可（kě）考慮。蘭州石化公司（sī）煉油（yóu）裝置內的飽和蒸（zhēng）汽管路都較長，壓（yā）力波動（dòng）較大，適宜（yí）采用壓力補償。
LUB係（xì）列乙烷流量計防爆等級為ExiaCT2～T4，它（tā）必須與已取得防爆合（hé）格證的本安關聯設備(防爆標誌：ExiaC)配套組成本安防爆係統。
3．2乙烷流量計（jì）的選型（xíng）
根據（jù）用（yòng）戶提供的所測飽（bǎo）和蒸汽的壓力(溫度)、流量範圍、管道直（zhí）徑等參數，選擇相（xiàng）應規格的LUB係列乙烷流量（liàng）計。所測飽和蒸汽的流量（liàng）範圍應處（chù）於所選流量計的測量範圍內，並*好處於流量計（jì）的*佳工（gōng）作範（fàn）圍，即流量計量程的50％～67％處。對於管道直徑（jìng）與流量計內徑不一致的，可采取縮徑或擴（kuò）管的方法（fǎ）。
3．3流量積算儀的參（cān）數設置
選用的（de）FC20係列流量積（jī）算儀提供了1種流量補償算法，基本可滿足各種測量介質的流量補償計算，可顯示瞬時流量和累積流量等參數，並（bìng）且可輸出標準模擬信號供控製和記（jì）錄，還提供標準工業RS2485串行通訊（xùn）接口。要使用流量積算儀的飽和蒸汽的壓力補償算法，就需要先進入流量積算儀的參數設置狀態，選擇飽和蒸汽壓力補償模式，設置流量單位（wèi）為千克（kè）每
4、智能數字乙烷流量計（jì）的設計簡述
智能數字乙烷流量計是以微處理器為（wéi）核心，具有自動調零，線性化，自動補償環境（jìng）因素變化功能，並配以圖形顯示直觀的（de）表達測量結果的嵌入式數字智能乙烷流量計的要求。圖5是該係統傳感器基本技（jì）術原理示意圖。

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