高流速蒸汽对涡街流量计的影响

　　HD-LU涡街流量计在计量蒸汽时，管内蒸汽流速必须限定在一个范围内，HD-LU涡街流量计才能正常工作。有人使用一些看似无意其实违法的手段，致使下游的压力骤降，导致蒸汽流速超过HD-LU涡街流量计测量流速上限，HD-LU涡街流量计不能正常工作，计量严重偏小。最后提出采用加装限流装置的方法来控制蒸汽流速以保证HD-LU涡街流量计正常计量。
目前，HD-LU涡街流量计广泛运用在蒸汽计量上。HD-LU涡街流量计是一种发展比较成熟的流量计，其主要优点有：无可动部件，结构简单牢固，安装方便，维护费用较低，量程比一般在10∶1以上，精度也相对较高，测量气体一般在1.0级到1.5级之间，测量液体一般在1.0级。
在多年的检定工作中，我们发现有人使用了一个蒸汽HD-LU涡街流量计的漏洞，在保持HD-LU涡街流量计计量管段原封不动的情况下，只在蒸汽出口处做文章，即可致使HD-LU涡街流量计计量严重偏小。
图1中我们看到在HD-LU涡街流量计计量段，没有任何修改，而在其后的大型储气罐却大有文章。整个系统根据储气罐内压力变化来对前后阀门分别进行自动控制，从而进行一套充气、放气、再充气、放气的循环操作。整个循环过程是：开始时，储气罐是空的，阀门1、阀门2都关闭。然后阀门1快速打开，上游0.8MPa的过和热蒸汽剧烈充入空罐。然后储气罐充气渐满，压力升高至一定压力后，关闭阀门1，打开阀门2，让储气罐中蒸气排出以供使用。这样操作的目的主要是使大部分流过HD-LU涡街流量计的蒸汽以极高流速通过。
为什么这样会使蒸汽流速达到非常高的程度呢？而HD-LU涡街流量计在高流速下计量会有什么问题呢？
1 分析蒸汽的流速
临界压力比是分析管内流动的一个重要数值，蒸汽在出口外的背压pb与临界界面前的进口压力P1之比小于或等于临界压力比时，在临界截面上，蒸汽流速达到临界值音速c。
当过流气体为过热蒸气时：k=1.3，γcr=0.546
pcr称为：临界压力。
所以我们得到：通过降低背压比，能让通过蒸汽的流速提升到相对于HD-LU涡街流量计来说非常高的程度，甚至达到音速，过热蒸汽音速可以达到500m/s以上。
从热网过来的蒸汽压力一般高于0.8MPa，而在储气罐开始充气时，罐内压力几乎为常压。根据蒸汽的临界流原理。蒸汽管道和容器的前后压力比只要低于临界压力比γcr=0.546，那么管内蒸汽的流速将达到音速。在这个案例里，储气罐内压力按充气阶段中后期才逐渐升高到的0.4MPa来计算，背压比为0.5。也就是说，在大部分蒸汽通过阶段，背压比都小于0.546，蒸汽的流速都保持在音速，音速是大大超过HD-LU涡街流量计测量流速上限的。通过这样一个办法，即能大幅度提高通过HD-LU涡街流量计的蒸汽流速，致使HD-LU涡街流量计计量严重偏少。不法用户还狡辩，我的所有计量器具都通过了国家法定计量检定机构的检定。确实，这种情况，单是检订流量计是无法发现问题的。我们可以判断，介质的高流速对HD-LU涡街流量计的计量性能产生了很大的影响致使其计量不准。为什么这么说呢？我们再来分析气体的高流速对HD-LU涡街流量计的影响。
2 HD-LU涡街流量计工作原理
在流体中安放漩涡发生体，流体在漩涡发生体两侧交替地分列出两列有规律的交错排列的漩涡，在一定雷诺数范围内，该漩涡的频率与漩涡发生体的几何尺寸有关，所产生的漩涡频率f 正比于流量，此频率可由各种传感器检出。
HD-LU涡街流量计就是利用卡门涡街原理，得到如下关系：
式中：b ——阻流件的宽度，m； ——流经流量计的流体平均流速，m/s；f ——旋涡的频率，Hz；Sr ——斯特罗哈尔数（无量纲）。
斯特罗哈尔数为无量纲参数，它与漩涡发生体的形状及雷诺数有关。图3所示为三角柱漩涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系。
由图3可见，在Re D=2×104～7×106范围内 ，斯特劳哈尔数可视为常数。我们使用的HD-LU涡街流量计都是在斯特劳哈尔数视为常数的这个范围内设计的。因此我们使用HD-LU涡街流量计时一定要避免测量介质的雷诺数在2×104～7×106这个范围外，超过这个范围，斯特劳哈尔数不再是常数，HD-LU涡街流量计测得的频率与流速也不再是简单的正比关系。也就是说，超过雷诺数2×104～7×106这个范围，便违反了HD-LU涡街流量计的设计原理，这时候HD-LU涡街流量计是不能正常计量的。因为雷诺数与介质流速有关，所以我们具体到介质流速的话，对于蒸汽来说，HD-LU涡街流量计的流速测量范围控制在5m/s～60m/s之间，好的HD-LU涡街流量计量程上限最多再往上延伸20%。因此在选型HD-LU涡街流量计的口径和流量测量范围时，要保证满足这个流速限定。绝大部分HD-LU涡街流量计对于高流速介质是没有办法计量的。所以上述案例中，用普通HD-LU涡街流量计去计量音速下的蒸汽，得到的结果是完全不可信，不能用的。
HD-LU涡街流量计是一种数字仪表，是通过传感器来检测旋涡频率的。流量计的电气性能必须要工作在适宜它的条件下。我们来看看在高流速下，HD-LU涡街流量计检测旋涡频率的情况。引用一个高流速下HD-LU涡街流量计的实验。该实验在采用在线实时频谱分析时发现：在口径为DN80及其以下的管线上，经常会出现高于80m/s的高流速，其中有近一半的出现超过100m/s的高流速，更有甚者，流速高达180m/s。一般的HD-LU涡街流量计在通过介质流速过高时，会发生剧烈的漏波现象，因而产生难以估算的误差。
从图4上看漏波的结果就是检测到的脉冲不再连续，发生了漏缺。所以这种情况下，测量结果的趋势是一般都是偏小。在高流速下，漩涡发生体后的流体运动更加复杂。涡街传感器检测信号需要一定的清晰度，如果流速过高，流场变得更加复杂。此时传感器将受到严重干扰，目标信号清晰度急剧下降，使涡街流量传感器测不准或者测不到。
我们可以看到，高流速下的HD-LU涡街流量计的漏波十分明显，正是利用了涡街的这个漏洞，让HD-LU涡街流量计在超高流速下大量漏波，致使最后得到的流量远小于实际流量。
除了是上述案例中的装置，还有一种把蒸汽直接放入水池中加热水的热水站，采用了手段这些都是为了设法让蒸汽出口的压力骤降，得到突然变小的背压比，以大大提高蒸汽的流速。即使达不到音速，也远高于HD-LU涡街流量计的测量上限，导致HD-LU涡街流量计的不正常工作。因此为了保证HD-LU涡街流量计正常计量，我们必须重视HD-LU涡街流量计的测量范围，管内流速必须限定在HD-LU涡街流量计的测量范围以内。
对于那些在后端搞压力骤降提高蒸汽流速的，可以想办法把蒸汽流速限定在合理范围内。比如采用限流装置，在HD-LU涡街流量计后方管线上安装临界流文丘里喷嘴。
当蒸汽通过临界流文丘里喷嘴时，在喷嘴上、下游压力比如果小于或等于该喷嘴的临界压力比时，喷嘴喉部形成临界状态，流过喷嘴的蒸汽质量流量达到最大。这时蒸汽的质量流量不受下游状态变化的影响。根据这个原理，我们把临界流文丘里喷嘴安装在可能会发生压力骤降的管段前，就能稳稳的限死上游通过HD-LU涡街流量计的最大流量了。而选用文丘里喷嘴的原因是能够减少压力损失。了解更多请搜索：江苏恒大仪表有限公司。