测量小雷诺数流量流量计

测量小雷诺数流量流量计

涡街流量计基于卡曼涡街测量原理，主要用于测量工业管道内气体、液体、蒸气等流体的流量，涡街流量计的特点是压力损失小，量程范围大，无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小，可以在-20℃～+350℃温度范围内工作，应用广泛。                              

工作原理：

在流体中设置非流线型旋涡发生体（阻流体），则从旋涡发生体两侧交替地产生两列有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图所示。

旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列，设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为V，旋涡发生体迎流面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式：
                                       f=StV/d                 

式中：

f－发生体一侧产生的卡门旋涡频率

St－斯特罗哈尔数（无量纲数）

V－流体的平均流速

d－旋涡发生体的宽度

由此可见，通过测量卡门涡街分离频率便可算出瞬时流量。 

技术参数：

测量范围：

外形尺寸：

安装要求：

一、安装环境要求：

1．尽可能避开强电设备、高频设备、强开关电源设备，仪表的供电电源尽可能与这些设备分离。

2．避开高温热源和 源的直接影响，若必须安装，须有隔热通风措施。

3．避开高湿环境和强腐蚀气体环境，若必须安装，须有通风措施。

4．涡街流量仪表应尽量避免安装在振动较强的管道上，若必须安装，须在其上下游2D处加设管道紧固装置，并加防振垫，加强抗振效果。

5．仪表建议安装在室内，安装在室外应注意防水，特别注意在电气接口处应将电缆线弯成U形，避免水顺着电缆线进入放大器壳内。

6．仪表安装点周围应该留有较充裕的空间，以便安装接线和定期维护。

二、管道安装要求：

1．涡街流量仪表对安装点的上下游直管段有一定要求，否则会影响介质在管道中的流场，影响仪表的测量精度。

2．上、下游配管内径应相同，如有差异，则配管内径Dp与涡街仪表表体内径Db，应满足以下关系：

0.98Db≤Dp≤1.05Db，上、下游配管应与流量仪表表体内径同心，它们之间的不同轴度应小于0.05Db

3．仪表与法兰之间的密封垫，在安装时不能凸入管内，其内径应比表体内径大1-2mm

4．测压孔和测温孔的安装设计，被测管道需要安装温度和压力变送器时，测压孔应设置在下游3-5D处，测温孔应设置在下游6-8D处。

流量计1：

流量计2：

在热电厂的生产过程中, 供热结算用的流量测量精度要求高, 且流量变化范围很大, 一般的流量测量方案无法满足精确测量要求。以便保持电厂供热流量精确测量的调整，详解了各种各样普遍的流量测量计划方案。对于电厂的通常负荷，明确指出了精准、精确的计量检定计划方案和成本分析报告。该精确测量计划方案已运用于实际建筑项目的各种各样负荷，预期效果比较满意。它能够在火电站相近的负荷下营销推广市场销售。
 在热电厂的生产过程中, 供热介质 (例如蒸汽和热水) 结算用流量的测量精度要求很高 (要求误差小于±0.5%) ;而且由于热负荷不稳定, 供热介质的流量变化范围很大。通常情况下，加温物质的大流量与小流量比例能够超过一百多比一，乃至达到400比1。
 但是, 常用流量计的量程比 (量程比:满足精度要求的前提下, 所能测量的*大值与*小值的比) 通常低于10∶1, 无法实现供热介质流量的全计量范围的精确测量, 尤其是小流量区域的精确测量。因此，有必要在许多过程中对热媒流量测量方案进行科学研究。
 1 现有测量方案
现阶段，蒸气和开水有二种普遍的总流量方案:气体压力蒸汽流量计和电磁流量计。
 1.1 差压式流量计
 以节流装置作为检测件的差压式流量计是历史悠久、理论和时间资料丰富、用量*大的一类流量计。节流装置配合差压变送器可用来对液体、蒸汽和气体的流量进行测量和控制。气体压力蒸汽流量计具备技术性成熟期、应用领域广、安裝维护保养简易、重复性好、使用期长等特性。
 1.1.1 节流装置
节流装置有各种类型。文中仅详细介绍火电站常见的几种节流装置:规范节流装置、等速管流量计和均衡流量计。
 标准节流装置:标准节流装置是按照国际标准ISO5167、中国标准GB/T—2624的技术规范书进行设计、制造和使用的节流装置。标准节流装置有标准孔板、标准喷嘴和标准文丘利管。标准孔板是*常用的节流件, 标准喷嘴和标准文丘利管的原理、特性与标准孔板相似;因此, 本文中以标准孔板为例讨论标准节流装置。
离心分离管流量计:离心分离管流量计是根据皮托管限速原理开发设计的新式气体压力流量测量装置，具备长期性缩小和重量轻的特性。
 平衡流量计:平衡流量计是一个多孔的圆盘节流整流器, 每个孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和测试数据而制定, 称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时, 流体被平衡整流, 涡流被*小化, 形成近似理想流体, 通过取压装置, 可获得稳定的差压信号。
 1.1.2 节流装置特性对比
 标准节流装置、均速管流量计和平衡流量计的主要性能对比如表1所示。

 表1 常用节流装置的主要性能对比表
 从常用节流装置的主要性能对比表中可以得出以下结论:
 1) 精度:平衡流量计*优, 标准孔板 (标定) 次之, 均速管流量计*差。
 2) 压力损失:均速管流量计*优, 平衡流量计次之, 标准孔板*差。
 3) 量程比:平衡流量计*优;均速管流量计的理论量程比可达到10∶1, 但是均速管流量计的适用雷诺数范围较小且对流速有要求, 均速管流量计在小流速工况的应用效果不佳, 实际量程比接近标准孔板的量程比3∶1。
基于以上结论，在三种常用节流装置中均衡流量计性能优异，比流量测量方案有利于更多行程。因此, 本专题后续讨论中以平衡流量计为例讨论大量程流量测量方案。
 1.1.3 差压变送器
气体压力蒸汽流量计由节流装置和差压变送器构成，其特性由二者决策。表2给出了当前主流变送器品牌的常用差压变送器型号主要性能参数。

 表2 常用差压变送器主要性能参数表
由表2可以得出, 常用差压变送器的量程比为100∶1。而根据流量计算公式: 
式中:Q为体积流量;▽p为差压;ρ为流体密度。可以得出:流量与差压是平方根关系。因此可以得出差压变送器用于流量测量时量程比为10∶1。
因而，当节流元器件选用规范节流装置或均速管流量计时，全部气体压力流量计的质量范围受节流元器件的限定，质量范围之比3∶1。当节流件采用平衡流量计时, 整套差压流量计的*大量程受差压变送器的限制, *大量程比为7∶1~9∶1。
1.1.4 双变送器测量方案
由于差压变送器量程比的限制, 平衡流量计大量程比 (10∶1甚至30∶1) 的优势无法充分体现。为突破差压变送器对整套差压流量计量程比的限制, 一些项目采用了双变送器的测量方案, 具体原理图具体见图1。
双变送器测量方案:一套平衡流量计的同时配两套差压变送器, 其中差压变送器1的差压测量范围覆盖整个平衡流量计刻度流量对应的差压值范围, 差压变送器2的差压测量范围覆盖平衡流量计0~60%刻度流量范围。为避免差压变送器2超量程, 可以在差压变送器2一次门后加装电磁阀。


图1 双变送器测量方案原理图
两个压力差智能变送器的精确测量值另外发送到流量计算设备(如集散控制系统、程序控制器或当地控制板)。当差压变送器1的流量计算值大于60%时, 使用差压变送器1计算流量;当差压变送器1的流量计算值小于60%, 使用差压变送器2计算流量。平衡流量计的流量计算公式按照0~60%两个流量区间分别修正。
双变送器测量方案可以克服差压变送器的有效量程比的限制;配合宽量程比的平衡流量计, 可以实现量程比为30∶1的宽量程比的流量精确测量。
1.2 涡街流量计
电磁流量计是依据“卡门涡街”原理生产制造的速率蒸汽流量计，是现阶段全世界关键的蒸汽流量计其一。适用于液体、气体和蒸汽的流量计量。涡街流量计的主要技术参数如表3所示:
涡街流量计不用附加的智能变送器，具备安装操作、测量范围比大的特性。殊不知，涡街流量计的可用温度和工作压力范畴不大，运用也非常少。
1.3 推荐方案
根据上文对差压式流量计和涡街流量计的综合分析, 本文给出不同量程比情况下的推荐流量测量方案, 具体见表4。

表4 不同量程比下的推荐测量方案
2 多测量管道方案
通过对差压式流量计和涡街流量计的分析, 可以看出采用单个流量变送器时, 流量计的量程比*大不超过30∶1。而在热电厂生产过程中, 部分工况下供热介质流量的量程比可能高达100∶1甚至更高。对于这类应用场合, 常规单套的流量测量装置无法满足流量精确测量的要求。
2.1 多测量管道方案
针对高量程比的应用场合, 本文提出多测量管道方案。本章节以两测量管道方案为例说明方案测量原理, 具体原理图详见图2。


图2 双测量管道方案原理图
本方案采用两段截面积不一样的流量测量管道, 分别为大流量管道 (PL) 和小流量管道 (PS) 。每段测量管道上相应配一个流量计用于流量测量, 分别为大流量流量计 (FL) 和小流量流量计 (FS) 。两测量管道方案对于流量计的具体方案没有要求。
每段测量管道上游均设有一个远控阀门 (可以是电动阀、气动阀, 本文以气动阀为例) , 分别为M V-PL和M V-PS。下游设有一个手动阀 (正常工作时, 处于全开状态) , 分别为HV-PL和HV-PS。正常流量测量时, 仅有一段流量测量管路上的电动阀处于全开状态, 另一个管路上的电动阀处于全关状态。测量过程如下:
当大流量测量管道PL处于测量状态时, 即阀门MV-PL全开, 大流量流量计 (FL) 处于工作状态。如大流量流量计 (FL) 的测量值大于FLmin时, 以大流量流量计 (FL) 的测量值为准;如大流量流量计 (FL) 的测量值小于FLmin时, 控制打开阀门M V-PS投入小流量测量管道PS和小流量流量计 (FS) , 待MV-PS全开后关闭MV-PL阀门。
当小流量测量管道PS处于测量状态时, 即阀门MV-PS全开, 小流量流量计 (FS) 处于工作状态。如小流量流量计 (FS) 的测量值小于FSmin, 以小流量流量计 (FS) 的测量值为准;如小流量流量计 (FS) 的测量值大于FSmax时, 控制打开阀门M V-PL投入测量管道PL和大流量流量计 (FL) , 待MV-PL全开后关闭MV-PS阀门。
测量管路切换过程中, 保持上一个有效测量值。为减短测量管路切换时间, 选择执行机构全行程动作时间尽量短 (气动阀动作时间小于10 S) 。在电厂生产制造中，热负荷转变相对性匀称，转换全过程对精确测量危害并不大。
工程项目实践经验，根据有效设计方案二级精确测量管路和挑选蒸汽流量计计划方案，能够保持大范畴的比流量测量。当两套流量计采用平衡流量计+单差压变送器方案, 本方案可以实现量程比为60∶1的流量测量。
如需工况确实需要更大量程比, 可采用量程比更大的流量计;例如:小流量流量计可以采用平衡流量计+双变送器方案, 即可以实现量程比为200∶1的流量测量。或许，几条精确测量管路的计划方案能够保持很大范畴比总流量的精确测量，但系统软件复杂性和操纵难度系数会大大增加。
2.2 实际工程案例分析
某工程提供近期的供热需求方案。实际数据见表5。

表5 某工程热负荷表Tab.5 Heating loads list
依据表5，客户甲、客户乙、客户丙精确测量用蒸汽流量计需要的测量范围比均低于3: 1，可选用规范节流阀件/均值管流量计+单独差压变送器的计划方案考虑，每上等量计设备的价钱估算为2万余元。用以精确测量供暖蒸气主管的蒸汽流量计的测量范围比超过7.03: 1，必须选用均衡流量计+单差压变送器的精确测量计划方案。据统计，流量计机器设备的价钱为11万余元。
用户D计量用的蒸汽流量计所需的量程比达到200∶1, 需要采用两段测量管路方案:其中大流量测量管道流量计采用平衡流量计+单差压变送器, 小流量测量管道流量计采用平衡流量计+双变送器。具体配置如表6.
用户4蒸汽流量测量方案的所需设备和材料价格估计如表7所示。
根据表6和表7能够下结论，二级测量管路计划方案能够得到需要范畴比总流量(200: 1)的侧量，可是测量计划方案的价钱明显提升。
3 结论
工程项目实践经验，根据两段精确测量管路的有效设计方案和蒸汽流量计计划方案的挑选，能够保持大范畴的比流量测量。因此建议各发电厂可仔细核实外部实际热负荷需求, 确定准确的、合适的量程范围, 进而相应确定精确的和经济的流量测量方案。