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     隨著(zhù)能源短缺時(shí)代的到來(lái)以及人們環(huán)保意識的不斷提高和對安全生產(chǎn)的高度重視，集中供熱事業(yè)得到快速發(fā)展。熱能變成一種商品，供汽和收費自然成為熱力公司的根本，蒸汽計量顯得越來(lái)越重要。

    廣州恒運熱力有限公司是面向廣州經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區、高新區、出口加工區和保稅區的集中供熱企業(yè)，熱源有廣州恒運集團熱電（A、B、C、D）廠(chǎng)的二次蒸汽和熱力公司自建的3臺蒸汽鍋爐，供汽能力達300t/h，蒸汽管網(wǎng)總長(cháng)約50km，蒸汽用戶(hù)目前以區內的50多家工廠(chǎng)企業(yè)為主。工業(yè)用戶(hù)的特點(diǎn)是：（1）各用戶(hù)的蒸汽用量相差很大，小的不足1t/h，大的高達50t/h，相應的蒸汽流量計口徑大小從DN10～DN300mm；（2）連續生產(chǎn)連續用汽，尤其是一些大用戶(hù)，若意外停汽將會(huì )造成重大的經(jīng)濟損失；（3）流量變化量大，視生產(chǎn)時(shí)段而定。因此，對蒸汽計量?jì)x表選型的基本要求是：穩定可靠、量程比寬、精度高、維護工作量少。近幾年來(lái)，我們采用以差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容式渦街流量計為基礎的蒸汽流量測量系統，取得明顯的效果和經(jīng)濟效益。

    1 差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容式渦街流量計

    1.1 基本工作原理

    渦街流量計是基于“卡門(mén)渦街”原理實(shí)現流量測量的儀表。

    在流體的管路中設置非流線(xiàn)型柱狀阻力部件，在某一雷諾數Re范圍內，其下游兩側將產(chǎn)生旋渦分離現象，形成兩排交替出現的旋渦列并依次向下游流去，連續不斷，好象一條由旋渦組成的街道，形象地稱(chēng)為“渦街”。當渦列寬度h與同列相鄰兩旋渦的間距L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時(shí)，這樣的渦街陣列幾何結構才穩定，稱(chēng)為卡門(mén)渦街。產(chǎn)生旋渦分離的阻力部件稱(chēng)為旋渦發(fā)生體（見(jiàn)圖1）。當旋渦發(fā)生體為三角柱體時(shí)，其旋渦分離頻率f（單位：Hz）和管道內平均流速v、旋渦發(fā)生體迎流面寬度d之間關(guān)系為：

    f=S_t·v₁/d=S_t·v/[（1-1.25d/D）·d]   （1）

    式中：S_t為斯特勞哈爾數（無(wú)量綱），在一定Re范圍內，S_t為常數；v₁為發(fā)生體兩側流體的平均流速，m/s；D為管道內徑，m；d/D為柱寬比，即旋渦發(fā)生體寬度與管徑之比值；v為旋渦發(fā)生體前平均流速，m/s。

    因管道中平均瞬時(shí)流量q_v[m³/h]與管徑D和平均流速v關(guān)系為：

    所以f=q_v·4S_t/[（1-1.25d/D）·（d/D）··D³]=K·q_v    （3）

    式中：K為儀表系數，L^-1。

    K=4S_t/[（1-1.25d/D）·（d/D）··D³]   （4）

    實(shí)驗表明，當雷諾數Re≥20000時(shí)，斯特勞哈爾數S_t基本為恒定值，如三角柱發(fā)生體S_t=0.16，另一方面，對于給定形式的具體儀表，其幾何尺寸D、d和相互關(guān)系等已確定，故儀表系數K值也確定，與流體物性和組分無(wú)關(guān)。所以操作狀態(tài)體積流量q_v與旋渦頻率f成線(xiàn)性比例關(guān)系：

    q_v=f/K   （5）

    由此可見(jiàn)，只要準確檢測旋渦頻率便可得知體積流量，這就是渦街流量計的檢測基礎和基本工作原理。而如何準確檢測旋渦頻率則成為決定渦街流量計整體性能的關(guān)鍵，各種渦街流量計的明顯區別也在于采用的檢測技術(shù)（元件）不同，如從早期熱敏電阻元件的熱敏式渦街流量計，后來(lái)市場(chǎng)較多的壓電晶體元件的應力式渦街流量計，到近期發(fā)展起來(lái)的差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容式渦街流量計等等。

    1.2 結構原理

    差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容式渦街流量計（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電容式渦街）采用差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DSC傳感器）檢測卡門(mén)渦街產(chǎn)生的旋渦頻率信號。整個(gè)信號檢測處理過(guò)程如圖2。

    DSC傳感器為外置懸臂式結構（圖3），獨立于儀表旋渦發(fā)生體但又徑向插入發(fā)生體的中心孔中，并與兩側導壓孔連通，以檢測卡門(mén)旋渦壓力的變化。它實(shí)質(zhì)是一個(gè)電容式機-電轉換器。

    外觀(guān)為圓筒形且下端密封而管壁又很薄的振動(dòng)舌作為電容器的公共電極，其內部有兩個(gè)附于同一支座下端但又相互絕緣的弧狀形電極。這兩個(gè)電極與公共電極振動(dòng)舌內壁之間保留有充滿(mǎn)空氣的微小間隙，構成兩個(gè)電容器，電介質(zhì)為空氣，其電容的大小與電極和振動(dòng)舌內壁之間的距離成反比。當振動(dòng)舌發(fā)生形變或位移時(shí)就會(huì )使兩個(gè)電容失去平衡，產(chǎn)生差動(dòng)電容。

    當旋渦產(chǎn)生時(shí)在兩側形成微小壓差，旋渦壓力使振動(dòng)舌發(fā)生左右撓性振動(dòng)，由于內部?jì)蓚€(gè)電極及其支座仍固定不動(dòng)，從而一個(gè)電容間隙增大（電容量變?。?，同時(shí)另一電容間隙減?。娙萘孔兇螅?，反之亦然，也即導致兩電容的大小因距離相對變化而發(fā)生周期性的變化，產(chǎn)生了差動(dòng)信號。這也是差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容檢測電路所檢測到的*信號。差動(dòng)信號呈正弦波形式，經(jīng)前置放大器處理后以PFM（脈沖頻率調劑）脈沖信號形式輸出。

    2.3 性能特點(diǎn)

    當管道發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)舌和電極上，使它們在同方向上產(chǎn)生形變，由于振動(dòng)舌與兩個(gè)電極及支座的振動(dòng)特性和幾何結構相匹配，它們對于外部振動(dòng)的響應是同步的，即形變量相一致，兩個(gè)電容間隙沒(méi)有相對變化，故不產(chǎn)生差動(dòng)信號，因此能夠消除任何方向、頻率≤500Hz、加速度≤1g的強機械振動(dòng)的影響。

    應用現代工程材料與方法，使其工作溫度范圍擴展至-200℃～+400℃，而且不存在破裂、老化等問(wèn)題，能夠承受得住高達100℃/s的熱沖擊。

    振動(dòng)舌的管壁很薄，因此靈敏度很高，即流速下限可以很低（介質(zhì)為水時(shí)，流速為0.2m/s）；又因為振動(dòng)舌為圓筒形不銹鋼，機械結構堅固，可以耐高流速旋渦的壓力作用，所以流速上限較高（介質(zhì)為水時(shí)，流速為9m/s、介質(zhì)為蒸汽和氣體時(shí)，流速為75m/s）。由于兼顧了流速的兩個(gè)，因此量程比很寬（zui高可達40:1）。

    2 溫度壓力補償與測量系統

    渦街流量計是一種速度式流量計，其直接檢測結果是給出操作狀態(tài)下的體積流量，在其測量范圍內，這種體積流量不受流體溫度、壓力、密度、粘度、成分等性質(zhì)變化所影響，因而是準確的，不需要任何溫度、壓力補償。但工程上測量蒸汽流量時(shí)習慣上以質(zhì)量流量q_m，單位用kg/h或t/h表示，所以上述體積流量q_v需要引入蒸汽密度ρ（p，T）參數進(jìn)行折算：

    q_m（V，p，T）=q_v（V）·ρ（p，T）   （6）

    而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作狀態(tài)如溫度T、壓力p等影響的，例如溫度為190℃的蒸汽，當壓力由1.1MPa上升到1.2MPa時(shí)，其密度約增大了10%，可見(jiàn)，蒸汽性質(zhì)變化或操作條件波動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定的附加誤差。因此在體積流量檢測的同時(shí)還要進(jìn)行溫度壓力的檢測，也即通過(guò)T、p對ρ進(jìn)行實(shí)時(shí)補償以消除系統的附加誤差，保證zui終需要的檢測結果即質(zhì)量流量的準確性，而這些補償運算工作均在流量積算儀中自動(dòng)完成。所以，應用渦街流量計測量蒸汽流量時(shí)，溫度壓力補償是很有必要的。

    在本測量系統中，蒸汽的體積流量q_v、壓力p和溫度T分別通過(guò)電容式渦街流量計、壓力變送器和熱電阻（Pt100）的檢測而轉換為PFM脈沖、4～20mADC和電阻值信號，并同時(shí)輸入現場(chǎng)的智能流量積算儀進(jìn)行運算和顯示，其讀數即為補償后的蒸汽質(zhì)量流量q_m。

    此外，由于蒸汽用戶(hù)分散并且距離較遠，給管理帶來(lái)了諸多不便，為此我們利用流量積算儀的通訊功能（RS485）和專(zhuān)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，與上位計算機（智能終端）構成網(wǎng)絡(luò )，將各測量點(diǎn)的計量數據實(shí)時(shí)傳輸到熱力公司的主機中進(jìn)行監控與儲存，可在主機中隨時(shí)查詢(xún)任何一個(gè)用戶(hù)點(diǎn)的流量、壓力、溫度等參數和掉電情況，從而實(shí)現了遠傳監控管理，也成為企業(yè)信息化建設的一部分。

    綜上所述，每個(gè)測量點(diǎn)的系統構成如圖4。

    3 應用實(shí)例

    在50多個(gè)測量點(diǎn)中，下面是幾種典型的應用例子。

    3.1 大流量、長(cháng)管線(xiàn)

    康師傅集團屬下的頂益、頂津公司分別采用電容式渦街DN200、DN250，蒸汽流量在20～30t/h之間，蒸汽管線(xiàn)長(cháng)約5km，位于熱源點(diǎn)末端，有時(shí)蒸汽處于過(guò)熱與飽和的臨界狀態(tài)，但運行一直很正常。

    另一用戶(hù)麥芽公司的管線(xiàn)長(cháng)約3km，在設計階段，由于對蒸汽用量估算不足，僅采用DN200電容式渦街，但實(shí)際使用時(shí)，其蒸汽用量大大超出原設計用量，正常30t/h左右，有時(shí)甚至達到40t/h以上。過(guò)大的流量，造成管線(xiàn)中的蒸汽流速*（現場(chǎng)?？陕?tīng)到管道中的銳嘯聲），這對該電容式渦街的性能提出較高的要求，但使用以來(lái)，一直運行良好。

    3.2 大管道、小流量

    聯(lián)眾不銹鋼公司根據長(cháng)遠的用汽規劃，鋪設DN250蒸汽管道并選用DN200電容式渦街，雖然目前建廠(chǎng)初期蒸汽用量?jì)H5～10t/h，相對于DN200電容式渦街而言流量偏小，卻仍然落入其測量范圍之內，故理論上能準確計量。為便于了解該渦街運行情況，熱力公司在同一管道的供汽端加裝了一臺應力式渦街流量計（采用壓電晶體傳感器）作為比較，但由于小流量丟失、穩定性差等原因，其讀數誤差達5%～30%，顯然，這種數據已失去參考價(jià)值；后來(lái)?yè)Q裝成電容式渦街，結果兩臺電容式渦街的測量數據基本保
持一致。

    3.3 流量變化大

    大多蒸汽管道尺寸較小的蒸汽用戶(hù)均存在蒸汽用量變化大的特點(diǎn)，因為這些用戶(hù)主要集中在加熱攪拌、烘烤及酒店、生活區等行業(yè)，如慧達化工、秉信紙業(yè)、捷普生活區、新港碼頭等單位，蒸汽用量因不同季節（如冬天多，夏天少）和不同時(shí)段（如做飯、洗澡時(shí)用量多，其余時(shí)間用量少）差異非常大，如果安裝傳統孔板流量計，需要2～3套進(jìn)行切換，而渦街1套便可滿(mǎn)足要求。以秉信紙業(yè)公司為例，在滿(mǎn)負荷工作時(shí)，其用汽量可達到3t/h，當處于用汽低峰時(shí)，其用汽量不足0.1t/h，所以要求流量計具有非常寬的量程比，否則將會(huì )造成小流量的丟失，但從現場(chǎng)安裝的DN80電容式渦街運行情況看，幾乎不存在什么小流量丟失的問(wèn)題，因而避免了供汽用汽雙方因計量不準而引起的糾紛。

    3.4 管道機械振動(dòng)

    現場(chǎng)蒸汽管道總是存在一些振動(dòng)現象，由于機器設備運轉或車(chē)輛行駛等引起的管道機械振動(dòng)更是難以避免，zui典型的就是力嘉公司和綠箭香口膠公司兩家蒸汽用戶(hù)，它們的廠(chǎng)區緊靠馬路，蒸汽支管線(xiàn)都不可避免要經(jīng)過(guò)交通主干道。前者原來(lái)使用DN25應力式渦街，結果常常能根據現場(chǎng)突變的檢測信號（反映為瞬時(shí)流量讀數急增）而準確預測到大型車(chē)輛正在經(jīng)過(guò)，這說(shuō)明其很容易受振動(dòng)干擾；后者安裝DN80電容式渦街流量計，其在同樣有大型車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，其顯示值卻沒(méi)有什么變化，這證明其抗振動(dòng)干擾性能
良好。

    3.5 間隙性用汽

本田汽車(chē)公司安裝了DN80電容式渦街流量計，其蒸汽流量5t/h左右。由于是間隙性使用，一天之內需要頻繁多次停汽、用汽，這顯然會(huì )對渦街形成頻繁沖擊，由此所引起的干擾也會(huì )增多，因此要求所用渦街具有較高的抗流速沖擊、抗熱沖擊和抗振動(dòng)干擾的能力。從現場(chǎng)觀(guān)察和計量數據分析看，該電容式渦街完適應這一工況，儀表運行一直正常。

    4 注意事項

    渦街應用效果是產(chǎn)品性能、選型、安裝的綜合反映?，F就應用中容易疏忽的幾個(gè)問(wèn)題作一分析，以引起注意和重視。

    （1）在設計選型階段，必須依據蒸汽的實(shí)際工藝參數選擇合適的渦街口徑大小，而管道尺寸僅作為參考。經(jīng)驗表明，管路設計時(shí)往往留有很大的余量，蒸汽管道尺寸普遍偏大，如果按原管道選擇渦街口徑，經(jīng)常會(huì )造成精度下降（小流量丟失）甚至不能計量的后果；而根據參數選出的渦街口徑常常有小一檔的情況，這時(shí)安裝渦街需要一段同心縮管。

    （2）安裝時(shí)必須嚴格依據施工規范。例如，前后直管段長(cháng)度必須滿(mǎn)足渦街流量計的技術(shù)要求，渦街儀表體中心線(xiàn)與前后直管道中心線(xiàn)同軸，密封墊不能伸入管道中，這樣可以防止因部分流通面積被蓋住、流速分布發(fā)生畸變、流場(chǎng)受干擾而引起測量誤差；蒸汽管道測量段保證沒(méi)有冷凝水；對于新裝工藝管道，在吹掃時(shí)必須先把渦街拆下，吹掃干凈后方可裝回。

    （3）電氣接線(xiàn)必須規范，現場(chǎng)的防水、防高溫措施必須到位。例如，儀表體處的保溫隔熱層的*高度不能高于表頭支架的一半，這樣支架中有保溫部分（下半部）可阻止熱幅射，無(wú)保溫部分（上半部）可防止熱量傳遞到表頭；水平管道時(shí)，表頭應盡可能水平放置，以便盡量降低熱空氣對前置放大器電子元件的影響。

    5 結束語(yǔ)

    本測量系統的核心是差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容式渦街流量計，它對于測量是否成功起到?jīng)Q定性作用。幾年的應用實(shí)踐表明，這種電容式渦街工作穩定可靠，抗振動(dòng)干擾強，不存在應力式渦街流量計那種對振動(dòng)的敏感性，其測量數據是可信的、是公正的，也沒(méi)有應力式渦街常因雷擊而損壞的這類(lèi)問(wèn)題；結構堅固，沒(méi)有可動(dòng)部件，不存在磨損和堵塞問(wèn)題，無(wú)需維護，使用成本低；靈敏度高，量程比寬，減少了小流量丟失；儀表精度高（可達0.5%），且長(cháng)期運行幾乎不會(huì )改變，而精度的提高對于蒸汽計量有著(zhù)明顯的經(jīng)濟價(jià)值。它的成功應用，為解決熱力公司高溫蒸汽準確計量這個(gè)難題提供一個(gè)非常有效的途徑。