蒸汽介質的超高流速對於氯乙烷流量計計量的影響及解決方案
點擊次數（shù）：2056 發布時（shí）間：2021-01-08 06:45:10
氯乙烷（wán）流（liú）量計的測量技術（shù）發展至今已經比較成熟，其主要（yào）優點是（shì）：無可動部件，結構簡單牢固，安裝方便，易於維護，費用（yòng）支出少。量程比一般在10∶1以上，精度也相（xiàng）對較高，測量氣體一般在1.0級到1.5級之間（jiān），測量（liàng）液體（tǐ）一般在1.0級（jí）。氯乙烷流量計被廣泛 應用於蒸汽流量的計量，我們知道，一般情況下，流（liú）量計對於所測（cè）的流體的流速都有一定的要求，尤其於氯（lǜ）乙烷流量計是（shì）依靠流體產生的規律性（xìng）的渦（wō）街進行工作的，更要將流速限定於（yú）規定的範（fàn）圍之內，太低和太高都會導致渦街不能工作或數值失真。但是在實踐（jiàn）工（gōng）作中，我們卻發現有人利用氯乙（yǐ）烷（wán）流量計對於流速（sù）的要（yào）求來（lái）做文（wén）章，做一些違法的事情，使計量數值嚴重失真，導致客戶產生損失。做法就是（shì）使用一些看似無意其實違法的手段，致使下遊的壓力驟降，導致蒸汽（qì）流速超過氯乙（yǐ）烷流量計測量流速上（shàng）限，氯乙烷流量計不能正常工作，計（jì）量嚴重偏小。
具體說明如下：
在多年（nián）的檢定工作中，我們發現有人使用了一個蒸汽氯乙（yǐ）烷流量計的漏洞，在保持氯乙烷流量計計（jì）量管段原封不動的情況下，隻在蒸汽出口（kǒu）處做文章，即可致（zhì）使（shǐ）氯乙烷流量（liàng）計計量（liàng）嚴重偏小。
圖1中我們看到在氯乙烷流量計計量段，沒有任何修改，而在其後的大型儲氣罐卻大有文章。整個係統根據儲氣（qì）罐內壓力變化來對前後（hòu）閥門分別進（jìn）行（háng）自動控製，從而進行一套（tào）充氣（qì）、放氣、再充氣、放氣的循（xún）環操作。整（zhěng）個循環過程是：開始（shǐ）時，儲氣罐（guàn）是空的，閥門1、閥門2都關閉。然後閥門1快速打開，上遊0.8MPa的過和熱蒸汽劇烈充入空罐。然後儲氣罐充氣漸滿，壓力升高至一定壓力後，關閉閥門1，打開閥門2，讓儲氣罐中（zhōng）蒸汽排出以供使用。這樣操作的目的主（zhǔ）要是使大部分流過氯乙烷流量計的蒸汽以*高流速通過。
為什麽這樣會使蒸汽流速達到非常高的（de）程度呢？而氯乙（yǐ）烷流量計在高流速下計量會有什麽問題（tí）呢？
1 分析蒸汽的流速
臨（lín）界壓力比（bǐ）是（shì）分析管內流動的（de）一個重要數值，蒸汽在出口外的背壓pb與（yǔ）臨界界（jiè）麵前的進口壓力P1之比小於或等於臨界（jiè）壓力比時，在臨界截麵上，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（tǐ）為過熱蒸汽時：k=1.3，γcr=0.546
pcr稱為：臨界壓力。
所以（yǐ）我們得到：通過降（jiàng）低背壓比，能讓通（tōng）過蒸汽的流速提升到相（xiàng）對於氯乙烷流量計來說非常高的程度，甚（shèn）至達到音速，過熱蒸汽音速可以達到500m/s以上。從熱網（wǎng）過（guò）來的蒸汽壓力一（yī）般高於0.8MPa，而在儲（chǔ）氣（qì）罐開始充氣時，罐（guàn）內壓（yā）力幾乎為常壓。根據蒸汽（qì）的臨界流原（yuán）理。蒸汽管（guǎn）道和容器的前（qián）後壓力（lì）比隻要低於臨（lín）界壓力比γcr=0.546，那麽管（guǎn）內蒸汽（qì）的流速將達（dá）到音速。在這個案例裏，儲氣罐內壓力按充氣階段中後期才（cái）逐漸升高（gāo）到的0.4MPa來計算，背壓比為0.5。也（yě）就是說，在大部分（fèn）蒸汽通過階段，背壓比都小於0.546，蒸汽（qì）的流速（sù）都保持在音速，音速是大（dà）大超過氯乙烷流量計測量流速上限的（de）。通過這樣一個辦法，即能大幅度提高通過氯乙烷流量計（jì）的（de）蒸汽流速，致使氯乙烷流量計計量嚴重偏少。不法用戶還狡（jiǎo）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（zhè）種情況（kuàng），單是檢定流量計是無法發現問題的。我們可以判斷，介質的高流速對氯乙烷流量計的計量性（xìng）能產（chǎn）生了很大的影響致使（shǐ）其計量不（bú）準。為什（shí）麽這麽說呢？我們再來分析氣體的高流速對氯乙烷流量計的影響。
2 氯乙烷流量計工作原理
在流（liú）體中安放漩渦發生體，流體在漩渦發生體兩側交替地分列出兩列有規律的交錯排列的（de）漩渦，在（zài）一定雷諾數範圍內，改漩渦的頻率與漩渦發（fā）生體的幾何尺寸有關，所產生的漩（xuán）渦頻率f 正比於流（liú）量，此頻率可（kě）由各種傳感（gǎn）器檢出。
氯乙烷流量計（jì）就是利用卡門渦街原（yuán）理，得到如下（xià）關係：
f =(Sr ·u )/b
式中：b ——阻流件的寬度，m； u——流經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（無量綱）。
斯特羅哈爾數為無量綱參數，它與漩渦（wō）發生體的形狀及雷諾數有關。圖3所示為三角柱漩渦發生體的斯特勞哈爾數（shù）與（yǔ）管道雷諾數的關係。
由圖3可見（jiàn），在Re D=2×104～7×106範圍內 ，斯特勞哈爾數可視為常數。我們使用的氯乙烷流量（liàng）計都是（shì）在斯特勞哈爾數視為常數的這個範圍內設計的。因此我們使用氯乙烷流量計時一定要避免測量介質（zhì）的雷諾數在2×104～7×106這個範圍外，超過這個範圍，斯特（tè）勞哈爾數不再是常數，氯（lǜ）乙烷流量計測（cè）得的頻率（lǜ）與流速也不再是簡（jiǎn）單的（de）正比關係。也就是說，超過雷諾數2×104～7×106這個範圍，便違反了氯（lǜ）乙烷流量計的設計（jì）原理，這時候（hòu）氯乙烷流量計是不能正常計量的。因為雷諾數與介質流（liú）速有關，所以我們具體到（dào）介質流速的（de）話，對於蒸汽來說，氯乙（yǐ）烷流量計的流速測量範圍控製在5m/s～60m/s之間，好的氯乙烷流量計量程上限*多再往上延伸20%。因此在選型氯（lǜ）乙烷流量計的（de）口徑和流量測量範圍時（shí），要保證滿（mǎn）足（zú）這個（gè）流速限定。絕大部（bù）分氯乙烷流量計（jì）對於高流速介（jiè）質是沒有辦法計量的。所以上訴案例中，用普通氯乙（yǐ）烷流量計去計量音速下的蒸汽，得到的結果是完（wán）全不可信，不能用的。
氯乙烷流量計是一種數字（zì）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（men）來看看在高（gāo）流速下，氯乙烷流量計檢測漩渦頻率的情況。引用一個高流速下氯乙烷流量計（jì）的實驗[4]。該實驗（yàn）在（zài）采用（yòng）在線實（shí）時頻譜分析時發現：在口徑（jìng）為DN80及其以（yǐ）下的管線上，經（jīng）常會出現高於80m/s的高流速，其中（zhōng）有近一半的出現超過100m/s的高流速，更有甚者，流速高達180m/s。一（yī）般（bān）的氯乙烷（wán）流量計在通過（guò）介質流速過高時，會發生劇烈的漏波現象，因而產生（shēng）難以估算（suàn）的誤差。
從圖4上看漏波的結果就是檢（jiǎn）測到的（de）脈衝（chōng）不再連續，發（fā）生（shēng）了漏缺。所以（yǐ）這種情況下，測量結果的趨勢（shì）是一（yī）般都是（shì）偏小（xiǎo）。在高流（liú）速下，漩渦（wō）發生體（tǐ）後的流體運動更加複雜。渦街傳感器檢測信號需要一定的清晰度，如果流速過高，流場變得更加複雜。此時傳感器將受到嚴重幹擾，目標信號清晰度（dù）急劇（jù）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（liú）速下的氯乙烷流量計的漏波十分明顯（xiǎn），正是利（lì）用了渦街的這個漏洞，讓（ràng）氯乙烷流（liú）量計在超高流速下大量（liàng）漏（lòu）波，致使*後得（dé）到的流（liú）量遠小於實際流量。
除了是上述案例（lì）中的裝置，還有一種把蒸汽直接放入水池中加熱水的（de）熱（rè）水站，采（cǎi）用了手段這些都是為了設法讓蒸汽出口的（de）壓力驟降，得到突然變小的背壓比，以大大提（tí）高蒸汽的流速。即（jí）使達不到音速，也遠高於氯乙烷流量計的測量上限，導致氯乙烷流量計（jì）的不正常（cháng）工作（zuò）。因此為了保證氯乙烷流（liú）量計正常計量，我們必須重視氯乙烷流量計的測量範（fàn）圍，管內流速（sù）必須限定（dìng）在氯乙烷流（liú）量計的測量範圍以內。
對於那些在後端（duān）搞壓力驟降提高蒸汽流速的（de），可（kě）以想辦法把蒸汽流速限定在合理（lǐ）範圍內。比如采用限流裝置，在氯乙烷（wán）流量計後方（fāng）管（guǎn）線上安裝臨界流文丘裏噴嘴。當蒸汽通過臨界流文丘裏噴嘴時，在噴嘴（zuǐ）上、下遊壓力比（bǐ）如果小於或（huò）等於該噴嘴（zuǐ）的臨界（jiè）壓（yā）力比時，噴嘴喉部形成（chéng）臨界狀態，流過噴嘴的蒸汽質量流量達（dá）到*大。這時蒸汽的質量流量不受下遊狀態變化的影響。根據這個原理，我們把臨界流文丘裏噴嘴安裝在可能會發生壓力驟（zhòu）降的管（guǎn）段（duàn）前，就能穩穩的限死上遊通過氯乙（yǐ）烷流量計的*大流量了。而選用文丘裏噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。
具體說明如下：
在多年（nián）的檢定工作中，我們發現有人使用了一個蒸汽氯乙（yǐ）烷流量計的漏洞，在保持氯乙烷流量計計（jì）量管段原封不動的情況下，隻在蒸汽出口（kǒu）處做文章，即可致（zhì）使（shǐ）氯乙烷流量（liàng）計計量（liàng）嚴重偏小。
圖1中我們看到在氯乙烷流量計計量段，沒有任何修改，而在其後的大型儲氣罐卻大有文章。整個係統根據儲氣（qì）罐內壓力變化來對前後（hòu）閥門分別進（jìn）行（háng）自動控製，從而進行一套（tào）充氣（qì）、放氣、再充氣、放氣的循（xún）環操作。整（zhěng）個循環過程是：開始（shǐ）時，儲氣罐（guàn）是空的，閥門1、閥門2都關閉。然後閥門1快速打開，上遊0.8MPa的過和熱蒸汽劇烈充入空罐。然後儲氣罐充氣漸滿，壓力升高至一定壓力後，關閉閥門1，打開閥門2，讓儲氣罐中（zhōng）蒸汽排出以供使用。這樣操作的目的主（zhǔ）要是使大部分流過氯乙烷流量計的蒸汽以*高流速通過。
為什麽這樣會使蒸汽流速達到非常高的（de）程度呢？而氯乙（yǐ）烷流量計在高流速下計量會有什麽問題（tí）呢？
1 分析蒸汽的流速
臨（lín）界壓力比（bǐ）是（shì）分析管內流動的（de）一個重要數值，蒸汽在出口外的背壓pb與（yǔ）臨界界（jiè）麵前的進口壓力P1之比小於或等於臨界（jiè）壓力比時，在臨界截麵上，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（tǐ）為過熱蒸汽時：k=1.3，γcr=0.546
pcr稱為：臨界壓力。
所以（yǐ）我們得到：通過降（jiàng）低背壓比，能讓通（tōng）過蒸汽的流速提升到相（xiàng）對於氯乙烷流量計來說非常高的程度，甚（shèn）至達到音速，過熱蒸汽音速可以達到500m/s以上。從熱網（wǎng）過（guò）來的蒸汽壓力一（yī）般高於0.8MPa，而在儲（chǔ）氣（qì）罐開始充氣時，罐（guàn）內壓（yā）力幾乎為常壓。根據蒸汽（qì）的臨界流原（yuán）理。蒸汽管（guǎn）道和容器的前（qián）後壓力（lì）比隻要低於臨（lín）界壓力比γcr=0.546，那麽管（guǎn）內蒸汽（qì）的流速將達（dá）到音速。在這個案例裏，儲氣罐內壓力按充氣階段中後期才（cái）逐漸升高（gāo）到的0.4MPa來計算，背壓比為0.5。也（yě）就是說，在大部分（fèn）蒸汽通過階段，背壓比都小於0.546，蒸汽（qì）的流速（sù）都保持在音速，音速是大（dà）大超過氯乙烷流量計測量流速上限的（de）。通過這樣一個辦法，即能大幅度提高通過氯乙烷流量計（jì）的（de）蒸汽流速，致使氯乙烷流量計計量嚴重偏少。不法用戶還狡（jiǎo）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（zhè）種情況（kuàng），單是檢定流量計是無法發現問題的。我們可以判斷，介質的高流速對氯乙烷流量計的計量性（xìng）能產（chǎn）生了很大的影響致使（shǐ）其計量不（bú）準。為什（shí）麽這麽說呢？我們再來分析氣體的高流速對氯乙烷流量計的影響。
2 氯乙烷流量計工作原理
在流（liú）體中安放漩渦發生體，流體在漩渦發生體兩側交替地分列出兩列有規律的交錯排列的（de）漩渦，在（zài）一定雷諾數範圍內，改漩渦的頻率與漩渦發（fā）生體的幾何尺寸有關，所產生的漩（xuán）渦頻率f 正比於流（liú）量，此頻率可（kě）由各種傳感（gǎn）器檢出。
氯乙烷流量計（jì）就是利用卡門渦街原（yuán）理，得到如下（xià）關係：
f =(Sr ·u )/b
式中：b ——阻流件的寬度，m； u——流經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（無量綱）。
斯特羅哈爾數為無量綱參數，它與漩渦（wō）發生體的形狀及雷諾數有關。圖3所示為三角柱漩渦發生體的斯特勞哈爾數（shù）與（yǔ）管道雷諾數的關係。
由圖3可見（jiàn），在Re D=2×104～7×106範圍內 ，斯特勞哈爾數可視為常數。我們使用的氯乙烷流量（liàng）計都是（shì）在斯特勞哈爾數視為常數的這個範圍內設計的。因此我們使用氯乙烷流量計時一定要避免測量介質（zhì）的雷諾數在2×104～7×106這個範圍外，超過這個範圍，斯特（tè）勞哈爾數不再是常數，氯（lǜ）乙烷流量計測（cè）得的頻率（lǜ）與流速也不再是簡（jiǎn）單的（de）正比關係。也就是說，超過雷諾數2×104～7×106這個範圍，便違反了氯（lǜ）乙烷流量計的設計（jì）原理，這時候（hòu）氯乙烷流量計是不能正常計量的。因為雷諾數與介質流（liú）速有關，所以我們具體到（dào）介質流速的（de）話，對於蒸汽來說，氯乙（yǐ）烷流量計的流速測量範圍控製在5m/s～60m/s之間，好的氯乙烷流量計量程上限*多再往上延伸20%。因此在選型氯（lǜ）乙烷流量計的（de）口徑和流量測量範圍時（shí），要保證滿（mǎn）足（zú）這個（gè）流速限定。絕大部（bù）分氯乙烷流量計（jì）對於高流速介（jiè）質是沒有辦法計量的。所以上訴案例中，用普通氯乙（yǐ）烷流量計去計量音速下的蒸汽，得到的結果是完（wán）全不可信，不能用的。
氯乙烷流量計是一種數字（zì）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（men）來看看在高（gāo）流速下，氯乙烷流量計檢測漩渦頻率的情況。引用一個高流速下氯乙烷流量計（jì）的實驗[4]。該實驗（yàn）在（zài）采用（yòng）在線實（shí）時頻譜分析時發現：在口徑（jìng）為DN80及其以（yǐ）下的管線上，經（jīng）常會出現高於80m/s的高流速，其中（zhōng）有近一半的出現超過100m/s的高流速，更有甚者，流速高達180m/s。一（yī）般（bān）的氯乙烷（wán）流量計在通過（guò）介質流速過高時，會發生劇烈的漏波現象，因而產生（shēng）難以估算（suàn）的誤差。
從圖4上看漏波的結果就是檢（jiǎn）測到的（de）脈衝（chōng）不再連續，發（fā）生（shēng）了漏缺。所以（yǐ）這種情況下，測量結果的趨勢（shì）是一（yī）般都是（shì）偏小（xiǎo）。在高流（liú）速下，漩渦（wō）發生體（tǐ）後的流體運動更加複雜。渦街傳感器檢測信號需要一定的清晰度，如果流速過高，流場變得更加複雜。此時傳感器將受到嚴重幹擾，目標信號清晰度（dù）急劇（jù）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（liú）速下的氯乙烷流量計的漏波十分明顯（xiǎn），正是利（lì）用了渦街的這個漏洞，讓（ràng）氯乙烷流（liú）量計在超高流速下大量（liàng）漏（lòu）波，致使*後得（dé）到的流（liú）量遠小於實際流量。
除了是上述案例（lì）中的裝置，還有一種把蒸汽直接放入水池中加熱水的（de）熱（rè）水站，采（cǎi）用了手段這些都是為了設法讓蒸汽出口的（de）壓力驟降，得到突然變小的背壓比，以大大提（tí）高蒸汽的流速。即（jí）使達不到音速，也遠高於氯乙烷流量計的測量上限，導致氯乙烷流量計（jì）的不正常（cháng）工作（zuò）。因此為了保證氯乙烷流（liú）量計正常計量，我們必須重視氯乙烷流量計的測量範（fàn）圍，管內流速（sù）必須限定（dìng）在氯乙烷流（liú）量計的測量範圍以內。
對於那些在後端（duān）搞壓力驟降提高蒸汽流速的（de），可（kě）以想辦法把蒸汽流速限定在合理（lǐ）範圍內。比如采用限流裝置，在氯乙烷（wán）流量計後方（fāng）管（guǎn）線上安裝臨界流文丘裏噴嘴。當蒸汽通過臨界流文丘裏噴嘴時，在噴嘴（zuǐ）上、下遊壓力比（bǐ）如果小於或（huò）等於該噴嘴（zuǐ）的臨界（jiè）壓（yā）力比時，噴嘴喉部形成（chéng）臨界狀態，流過噴嘴的蒸汽質量流量達（dá）到*大。這時蒸汽的質量流量不受下遊狀態變化的影響。根據這個原理，我們把臨界流文丘裏噴嘴安裝在可能會發生壓力驟（zhòu）降的管（guǎn）段（duàn）前，就能穩穩的限死上遊通過氯乙（yǐ）烷流量計的*大流量了。而選用文丘裏噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。