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江蘇捷特儀表有限公司
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閱讀：526發(fā)布時間：2013-3-22
渦街流量計的抗振型貿(mào)易結(jié)算中的應(yīng)用
引言
當前熱電行業(yè)的蒸汽貿(mào)易結(jié)算中，有不少企業(yè)采用的是傳統(tǒng)的差壓式流量計，（如孔板噴嘴等）進行蒸汽流量的計量，同時，有越來越多的企業(yè)認識到：傳統(tǒng)差壓式流量計量程比太小，也就是可準確測量的zui大流量與zui小流量之比太小，當用戶用量波動范圍超過流量計量程比時會呈現(xiàn)極大的測量誤差。也有采用更換孔板、差壓變送器來適應(yīng)流量變化的方法，例如在冬/夏季分別采用不同的孔板及差壓變送器應(yīng)對流量變化，但即使如此，孔板固有的3：1量程比范圍顯然難以滿足實際需求。
在進行小口徑管道中的蒸汽流量計量時，常出現(xiàn)大大高于大管道的大范圍流量波動，流量計的量程比限制問題更加突出，在選用孔板時，技術(shù)人員將面臨一個困難的抉擇：如照顧大流量的檢測，則必須舍棄小流量；如想避免小流量被漏計量，又會因差壓變送器輸出信號的限制，將超過量程的流量，無論多大全按照量程對應(yīng)的流量來計量，從技術(shù)層面而言，傳統(tǒng)的孔板流量計明顯無法適用于流量波動范圍超出3：1的流量計量。
但由于孔板是zui成熟、經(jīng)典的流量儀表，穩(wěn)定性、可靠性經(jīng)數(shù)十年各行各業(yè)的驗證，各類新型的流量儀表在發(fā)展過程中曾表現(xiàn)出的各種問題，令人不免產(chǎn)生疑慮。
在貿(mào)易結(jié)算計量中，一旦產(chǎn)生一些如流量計故障、無流量有指示、流量變化而流量計顯示不變等問題，往往導致供需雙方直接的利益沖突產(chǎn)生激烈矛盾，而這些問題又恰好是孔板易于解決的：
l 對于故障，孔板流量計故障多發(fā)生于差壓變送器，而差壓變送器可在使用中無需停氣即可更換；
l 對于無流量有指示，通?？赏ㄟ^小流量截除方式得以解決，反正孔板測小流量也不準；
l 對于流量變化而指示不變的問題，在孔板量程比之內(nèi)，基本上不會出現(xiàn)（蒸汽屬干凈流體，不會對差壓傳遞路線產(chǎn)生堵塞）只有在流量超出孔板流量計量程時，才會出現(xiàn)流量變化時，指示不變，對此，需方顯然是沒有意見的，基于上述優(yōu)點，很多熱電企業(yè)依舊選擇孔板作為貿(mào)易結(jié)算計量之用。
隨著流量檢測儀表技術(shù)的發(fā)展，對于蒸汽計量儀表，有越來越多的選擇，其中，渦街流量計的大量程比優(yōu)勢令對孔板狹窄量程比頭痛不已的技術(shù)人員看到一條新的思路，渦街流量計理論上可超過400：1的寬廣量程比，及結(jié)構(gòu)的堅固可靠，對蒸汽高溫的適應(yīng)能力，引起廣泛關(guān)注，越來越多的熱電企業(yè)在蒸汽計量中予以選用，特別是流量波動很大的小管徑上，大量選用。
渦街流量檢測原理自出現(xiàn)之日起，因其儀表系數(shù)恒定、量程比大、壓損低等方面的突出優(yōu)勢，在各種流量檢測原理中獨樹一幟，被*為發(fā)展前景的未來流量計之一，當前幾乎所有的儀表行業(yè)跨國公司在其他流量計種類方面或有缺失，但無一不向市場推出各具特色的渦街流量計產(chǎn)品，近20年以來，渦街流量計的*不斷提升，在一些大型石化企業(yè)，甚至成為占有率zui高的流量計類型。
在采用渦街流量計進行蒸汽貿(mào)易結(jié)算計量時，有不少用戶感受到了與孔板流量計相比下的優(yōu)勢，但也發(fā)現(xiàn)一些問題，其中，一些問題是采用渦街流量計測量氣體流量所共有的，例如零點穩(wěn)定性、小流量檢測等。也有一些問題是在用于蒸汽貿(mào)易結(jié)算上*的現(xiàn)象，如超高流量、極大的流量變化范圍帶來的問題。
<一> 零點不穩(wěn)定，無流量而有計量指示，導致貿(mào)易結(jié)算糾紛；靈敏度低，甚至小流量的測量還不如孔板。
從渦街原理而言，是足以測量低至1m/s氣體流量的，但由于漩渦升力與流體密度成正比，同時與流速的平方成正比，換言之，流體密度越低，渦街信號越弱，而流速降低時，渦街信號更以平方關(guān)系急劇下降，例如；在相同條件之下，1m/s流速的氣體產(chǎn)生的漩渦力僅是20m/s流速時的1/400，如此微弱的信號很難不被干擾，
對于渦街流量計而言，干擾主要為電磁干擾及管道的機械振動干擾，其中電磁干擾比較容易解決，而振動干擾則因其侵入途徑、信號特征與渦街信號相同而難以去除。因此，為保證零點穩(wěn)定，只能將幅度小于或等于干擾信號的流量與干擾一起除去。
當前多數(shù)市售國內(nèi)產(chǎn)品，如將靈敏度增大到可以檢測1m/s空氣流速時，人在講話時的聲波振動自空氣傳送到流速計上就會令流量計產(chǎn)生指示，很顯然這是無法接受的。由于6m/s流速產(chǎn)生的信號與人手可感知振動導致的干擾大至相當，因此，將流量計設(shè)計調(diào)整成可測zui小流速5m/s~ 6m/s,這樣可避免在管道振動強度不大于人手剛可感受到的程度時，產(chǎn)生錯誤的計量。這正是市場上國內(nèi)產(chǎn)品氣體流量測量下限定在6m/s的根本原因.
然而，即便如此，當管道振動超過人手可感知的強度時，就必須進一步降低流量計的靈敏度，更多地舍棄流量的計量；當管道振動加大到與常用流量的信號相當時，為避免在無流量時有計量，將同時導致有流量時也無計量；相反，為保證有流量時有計量，就必將導致無流量時同樣有計量.
簡單來講，傳統(tǒng)的渦街流量計，在存在管道振動時，只能選擇將強度小于等于振動強度的流量信號舍棄，才能做到無流量時無計量，管道振動越強，舍棄的流量越大，如果管道內(nèi)zui大流量產(chǎn)生的信號仍不能超過振動的強度時，渦街流量計就*不能使用。
綜合上述源于渦街流量計本質(zhì)特性的分析，可以得知：渦街流量計的實際可測流量下限與其抗振動*力密切相關(guān)，也就是：
l 振動干擾越弱，可以測量的小流量就越低。
l 抗振能力越強，可以測量的小流量就越低。
l 管道振動過強時，可導致渦街流量計*不能使用。
綜上所述，只有提升抗振動*力，才能擴展小流量測量范圍，正因為渦街流量計的這些特征，業(yè)內(nèi)*，抗振能力是決定渦街流量計性能的zui主要因素。
為此我公司耗時3年，投入數(shù)百萬元進行全面改進研發(fā)，終獲重大突破，向市場推出的抗振型系列是*通過部門進行抗振動*力測試的渦街流量計產(chǎn)品，抗振能力不低于2.0g，遠超進口產(chǎn)品1.0g的抗振能力，由此*獲得“抗振型”渦街流量計生產(chǎn)許可證，并由此獲得“抗振型渦街流量計行業(yè)標準”制定的立項批準。而我們的普通系列產(chǎn)品，經(jīng)我公司對比實測也具有國內(nèi)典型產(chǎn)品約30倍的抗振能力，因此，即使不考慮抗振型附加的振動干擾抑制措施，在同等應(yīng)用條件之下，可測流量下限也將下延至同類產(chǎn)品的1/5以下。
同時，正因“抗振能力是衡量渦街流量計性能的zui主要指標”這一觀點已成為*的共識，而渦街流量計抗振動*力的提升，是*的世界性難題，如得以*攻克，渦街流量計必將替代傳統(tǒng)差壓式流量計的市場地位。正因如此，近20年以來，幾乎國內(nèi)所有產(chǎn)品均聲稱自己的產(chǎn)品是“抗振型”，但至今為止，仍無第二家企業(yè)交由部門進行抗振能力測試。
2007年我公司W(wǎng)v全系列渦街流量計經(jīng)江蘇省*委托上海工業(yè)自動化儀表研究所進行全性能測試，產(chǎn)品全部性能優(yōu)于現(xiàn)行行業(yè)標準。特別是：在強達2g、0～110Hz的強大全向機械振動干擾下，所有滿管式流量計依舊保持優(yōu)于1%精度，插入式流量計依舊保持優(yōu)于1.5%精度。這是渦街流量計實際抗振能力在國內(nèi)經(jīng)部門嚴格測試，測試結(jié)果所表現(xiàn)出的強大抗振動*力顛覆了傳統(tǒng)認知，專家紛至測試現(xiàn)場實際了解、驗證，高度評價：“前景無量！”
我公司產(chǎn)品正因擁有遠超同類產(chǎn)品的振動干擾抑制能力，令產(chǎn)品在應(yīng)用于蒸汽流量測量時，可測量下限低至1m/s，遠超同類產(chǎn)品5m/s的測量下限，根據(jù)渦街原理，至少要將抗振能力提升至同類產(chǎn)品的25倍，才能實現(xiàn)這樣的小流量測量能力。而我們的抗振系列產(chǎn)品更將抗振能力提升至80~250倍，確保在靈敏檢測微小流量的同時，具備高度的零點穩(wěn)定性。
對于熱電企業(yè)而言，直接帶來的優(yōu)勢在于：
l 挽回低于5 m/s流速的小流量汽款損失。
l 零點穩(wěn)定，杜絕因無流量有指示帶來的，與用氣方的糾紛。
l 在較強的振動（強度2.0g）之下，依舊保證大大優(yōu)于進口產(chǎn)品的小流量測量能力。
<二> 蒸汽計量中，出人意料的超高流速及其伴生的相關(guān)問題
在近三年以來，經(jīng)我們對十家以上的熱電用戶小口徑流量計進行的現(xiàn)場實時記錄分析，發(fā)現(xiàn)一個出人意料的現(xiàn)象：在小口徑蒸汽流量上，實際的流速遠超多數(shù)設(shè)計部門、熱電企業(yè)、儀表制造商估計的60m/s左右的上限。
通常認為，管道里的蒸汽流速不會超過60m/s，在選擇流量計時，量程達到60m/s就已足夠，而我們采用在線實時頻譜分析時發(fā)現(xiàn)：?80及其以下的管線，經(jīng)常出現(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。
由于孔板原理的限制，當流量超過其量程約19％后，就不能判斷超量程量的大小；而一般的渦街流量計在流速過高時，因劇烈的漏波現(xiàn)象，出現(xiàn)難于估算的誤差，因此也難于判斷超高流速的大小。我們盡可能排除影響因素，通過對傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
對于這樣的高流速，如采用孔板流量計測量，如量程為50m/s，即使與熱用戶達成協(xié)議：“超過量程的流量按量程150%計量”，也就是對于超過50m/s量程的流速，全部按75m/s收費，如果實際zui高流速為150m/s，也會損失50%汽款，
包括孔板、渦街在內(nèi)的大多數(shù)氣體流量計實際檢測的是工況體積流量，而在蒸汽貿(mào)易結(jié)算計量中，通常采用質(zhì)量流量。為保證精度，需實時檢測蒸汽溫度及壓力，由此獲得準確的蒸汽密度值，再與流量計給出的體積流量相乘，獲得質(zhì)量流量。當孔板超量程時，流量記錄曲線本應(yīng)該呈現(xiàn)為平直直線，但在監(jiān)控系統(tǒng)上，通常顯示記錄的是運算出的質(zhì)量流量，即使孔板輸出的流量因超量程而保持不變，但由于壓力、溫度變化運算出變化的密度，質(zhì)量流量也是跟隨變化的，流量曲線依舊呈現(xiàn)為變化的曲線，并不會表現(xiàn)為超量程應(yīng)有的一條直線，操作人員由此難于辯識超量程問題。
我們在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，不少蒸汽熱用戶已掌握了這一現(xiàn)象，在用氣時，有意將流量盡可能控制在zui大流速與zui小流速，令小流量低于儀表測量下限而不會被計量，令大流量大大高于儀表量程而計量偏小。
將我們的流量計與原先的孔板或渦街流量計用于同一Ф50mm的管道進行對比發(fā)現(xiàn)：熱用戶采用這樣的用氣方法，原先的流量計可以將實際7-8噸/天的用氣量計量為2噸/天左右，熱電廠損失巨大。
令人遺憾的是：在這些實例中，同時證明了――普通的渦街流量計未能表現(xiàn)出優(yōu)于孔板的高流量測量能力。
（1） 傳統(tǒng)渦街流量計高流速檢測中的問題
a） 高流速檢測中的問題之一：高流速的漏波現(xiàn)象，導致流量計示值大幅度偏低
因為渦街流量計產(chǎn)生的漩渦本身存在強弱波動，波動的程度與流場穩(wěn)定度、渦街發(fā)生體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在技監(jiān)部門的標定裝置上進行標定、檢驗時，流量計基本處于理想運行環(huán)境――流速恒定、流場無畸變，因此漩渦強度的波動較小，不出現(xiàn)“漏波”現(xiàn)象，可輕松通過精度檢驗。但在實際運行中，不可避免地存在流場畸變（通常因流量計上游直管段不足、近距離的上游存在阻礙物、安裝誤差等因素導致的流場畸變），流量也處于不斷變化之中，此時漩渦的穩(wěn)定性必然遭受影響，表現(xiàn)為：漩渦強度出現(xiàn)波動，并且，流速越高，波動越大，當波動超過約30％時，將出現(xiàn)嚴重的“漏波”現(xiàn)象，直接導致精度大幅度下降，計量嚴重偏低。
（下圖中，上部顯示：在漩渦強度出現(xiàn)較大幅度的波動時，傳感器輸出的信號波形。下部顯示：流量計輸出的脈沖流量信號。
當信號小于觸發(fā)器閥值時，觸發(fā)器不產(chǎn)生脈沖，由此導致“漏波”現(xiàn)象，并zui終導致計量值偏小約44.3％）
a.1 漏波原因之一――簡陋的放大器令信號波動加劇
由于渦街信號強度與流速平方成正比，例如：20倍的流速差異之下，渦街信號的幅度差異將高達400倍，為測得渦街頻率從而測得流速，必須有一個放大器將不同大小的渦街信號放大成相同的幅度，國內(nèi)產(chǎn)品目前多數(shù)采用的是進口產(chǎn)品70年代的技術(shù)，也就是使用低通濾波限幅放大器實現(xiàn)這一功能，由此帶來兩個問題： l 因為渦街流量計產(chǎn)生的漩渦本身存在強弱波動，表現(xiàn)為傳感器輸出信號中的低頻干擾信號成分。而這種放大器是通過衰減高流速對應(yīng)的高頻率信號幅度，放大低流速對應(yīng)的低頻率信號，從而實現(xiàn)將整個測量范圍下，對應(yīng)的流量信號幅度，調(diào)整到基本相同的功能。但由此令信號中低頻率成分大幅度增高，信號波動幅度大增，zui終產(chǎn)生嚴重的“漏波”現(xiàn)象，直接導致計量嚴重偏低。我們應(yīng)用戶要求，在現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，某國內(nèi)品牌產(chǎn)品，在流速超過20m/s時，就開始出現(xiàn)：信號波動過大，導致漏波的現(xiàn)象，致致計量偏低40%以上。并且，隨流速增大，信號波動加劇，漏波更加嚴重，流速超過40m/s時，計量偏低90%以上。而進口渦街流量計產(chǎn)品普遍采用程控放大器、我公司產(chǎn)品采用獲發(fā)明的“恒定電平放大器”均避免采用對不同頻率信號采用不同放大倍率的方式，由此避免信號劣化，從而在電子信號處理環(huán)節(jié)上，保證高流量下信號的穩(wěn)定性，消除因放大器性能導致的漏波。
（下圖：將基本為理想工作狀態(tài)下，*的傳感器輸出信號，送入兩種放大器進行放大后，兩種放大器性能的比較測試記錄。
波形記錄清晰顯示：傳感器信號經(jīng)傳統(tǒng)放大器放大后，出現(xiàn)過大的波動，將直接導致嚴重的“漏波”現(xiàn)象，流量計量嚴重偏低。的放大器對傳感器信號相反表現(xiàn)出明顯的改善，由此杜絕“漏波”現(xiàn)象。）
由于這種低通濾波放大器采用二極管進行限幅，而溫度變化對二極管限幅特性影響巨大，zui終導致渦街流量計頻率檢測閥值隨溫度變化，表現(xiàn)為中午調(diào)好的流量計，晚上不正常，冬天調(diào)好的流量計，夏天不正常，對此，很多用戶有切身體會。
a.2 漏波原因之二――不合理的漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的漩渦穩(wěn)定性不良
渦街流量計中，用于產(chǎn)生漩渦的渦街發(fā)生體，核心指標在于所產(chǎn)生漩渦的穩(wěn)定性。我們在對渦街發(fā)生體結(jié)構(gòu)進行研究時發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的單發(fā)生體渦街，信號穩(wěn)定性不佳，并且隨流速增加，問題愈加嚴重，為此，我們采用雙發(fā)生體結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的漩渦穩(wěn)定性大幅度改善，配合“恒定電平放大器”及“鎖頻環(huán)”兩項信號處理方面的發(fā)明，大幅度改善漏波問題，從而將我們產(chǎn)品測量上限提升至的120～200m/s，配合低至1m/s的測量下限，確保*覆蓋蒸汽流量范圍，從產(chǎn)品技術(shù)層面上大幅度挽回熱電企業(yè)因流量計產(chǎn)生的貿(mào)易結(jié)算損失。
實際運行證明，我公司經(jīng)技監(jiān)部門標定、確認精度的產(chǎn)品，在實際運行中，普遍呈現(xiàn)流量示值較原流量計增高的現(xiàn)象。而計量值的增高，部分來源于小流量的測量，更多的是，來源于高流量檢測時，“漏波”問題的解決。
（下圖：我公司一臺DN40抗振型/雙發(fā)生體渦街流量計應(yīng)用中，熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)24小時記錄，在此實例中，流量計測量下限1m/s，測量上限150m/s，零點穩(wěn)定，與常規(guī)的渦街流量計及孔板比較，大幅度挽回熱電廠計量損失。
b） 高流速檢測中的問題之二：傳感器斷裂
我們在用戶現(xiàn)場及多家計量測試部門了解到，國內(nèi)的渦街流量計在測量高流速時，常出現(xiàn)傳感器斷裂的現(xiàn)象，計量測試部門大多拒國產(chǎn)渦街流量計做超過60m/s的高流速檢定，以免損傷檢定裝置，這一問題在國內(nèi)產(chǎn)品中普遍存在的原因在于；國內(nèi)產(chǎn)品幾乎都使用相同結(jié)構(gòu)的傳感器，而這種傳感器存在結(jié)構(gòu)缺陷，在高流速時將因共振而斷裂，而這也是國內(nèi)產(chǎn)品普遍流速上限在50m/s左右的主要原因之一，而進口產(chǎn)品及我公司產(chǎn)品則因*的剛性，令共振頻率遠高于渦街頻率，從而杜絕共振現(xiàn)象，由此確保高流速檢測時的安全。本文來源：電磁流量計孔板流量計超聲波流量計
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