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在蒸汽測量中孔板和渦街流量計的選用比較

摘要：蒸汽流量測量中孔板和渦街流量計是比較常見的兩種測量元件，在實際應用中根據應用場所環境等不同，孔板和渦街流量計各有優缺點。
蒸汽的流量測量方法按工作原理劃分，可分為直接式質量流量計和間接式質量流量計，在工業企業中蒸汽的測量多采用間接式，其中節流式差壓流量計和渦街流量計是主流。這兩種流量計在測量中各有優缺點，如差壓流量計以孔板流量計為例，其范圍度廣，穩定性好；而渦街流量計的優越性是孔板式流量計所不具備的，尤其是在蒸汽參數偏離設計值時，其測量誤差遠小于孔板式流量計的測量。本文將對兩種流量計在實際應用中的優缺點進行詳細的對比分析。
1、孔板式流量計
孔板流量計是差壓式流量計的一種。簡單的說。流體流經一個收縮截面，測量通過此截面的差壓。根據丹尼爾-伯努利在1738年的研究工作，流體經過孔板的速度和其壓力損失的平方根成比例關系。
1.1 孔板流量計的測量原理
充滿管道的流體，當它們流經管道內的節流裝置時，流束將在節流裝置的節流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力低，于是在節流件前后便產生了壓力降，即壓差，介質流動的流量越大，在節流件前后產生的壓差就越大，所以孔板流量計可以通過測量壓差來衡量流體流量的大小。這種測量方法是以能量守衡定律和流動連續性定律為基準的。
1.2 孔板流量計的安裝條件
（1）標準孔板的中心線應當與管道中心線同軸。
（2）孔板流量計安裝時應配有一段測量管,至少保持前10DN、后5DN的等徑直管段，以提高測量精度。
（3）引壓管路的內徑與管路長度和介質臟污程度有關，通常在16米以內用內徑為8-12mm的管子。
（4）引壓管路應有牢固的支架托承，兩根取壓管路應盡可能互相靠近并遠離熱源或震動源，測量水蒸汽流量時，應用保溫材料一同包扎，必須時（如氣溫0℃以下）加伴熱管防止結冰。在測量臟污流量時，應附設隔離器或沉降器。
（5）引壓管路內必須始終保持單相流體狀態。被測流體是液體時，引壓管路內全部是液相，絕對不能有氣泡。為此應在引壓管路的*低點裝排水閥或在*高點裝排氣閥，在新裝或檢修差壓變送器時時應特別注意。
1.3 孔板流量計的優缺點
孔板流量計的優點：
（1）應用*多的孔板式流量計結構牢固,性能穩定可靠,使用壽命長；
（2）檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產,便于規模經濟生產。
孔板流量計的缺點：
a.測量精度偏低；
b.量程比小，一般僅為1:3~1:5；
c.現場安裝要求高；
d.壓損大。
e.冬季需保溫處理，易凍。
f.渦街流量計
渦街流量計利用一個非線性的發生體放置在管道內，流體流經鈍體時會在其尾部產生有規則的旋渦。這些旋渦可以檢測、計算和顯示。在一定流量范圍內，渦街產生的數量與流體的體積流量成比例，這樣就可以測得流體的速度。
2.1 渦街流量計工作原理
在流體中設置旋渦發生體，則從旋渦兩側交替產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦，如圖2所示，旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。旋渦流量計是根據卡門渦街原理測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。并可作為流量變送器應用與自動化控制系統中。
2.2 渦街流量計的安裝要求
（1）避免安裝在有機械振動的管道上。當振動不可避免時，應考慮在距傳感器前后約2DN處的直管段上加固定支撐架；
（2）流量計上下游必須有足夠的直管段，一般為前10D后5D；
（3）安裝點上下游的配管應與傳感器同心，同軸偏差應不小于0.5DN；
（4）根據測量的需要，需在傳感器附近測量壓力和溫度時，測壓點應在傳感器下游的3-5D處，測溫點應在傳感器下游的6-8D處。
2.3 渦街流量計的優缺點
渦街流量計的優點：
（1）量程比大，可達到1:20；
（2）無運動部件；
（3）低阻流。
渦街流量計的缺點：
（1）振動容易引起誤差；
（2）直管段距離要求嚴格。
（3）實際應用中孔板與渦街流量計測量誤差比較
3.1 孔板流量計計量誤差分析
差壓式流量計是利用流體的動靜壓能轉換原理進行流量測量的，這一差壓與流體流量存在如下關系：
式中：mq為質量流量，kg/h；vq為工況條件下的體積流量，m3/h ；為流量系數；為流束膨脹系數；p為差壓，Pa；為工況條件下被測流體的密度，kg/m3；d為工況條件下的節流開孔直徑，mm。
由（1）式和（2）式可以看出，被測流體的流量是流體的密度和孔板前后差壓的函數。當測得某一差壓時，由于所測流體的密度不同，所代表的流量是不同的，只有當流體的密度值等于孔板設計條件中的密度值時，差壓才能真實反映所測的流量。蒸汽從發生到使用，由于熱損耗，溫度和壓力的下降是不可避免的，導致其密度與設計值的差異，從而產生了誤差，并且隨著蒸汽參數的波動而波動，實際測量時只能通過溫壓補償來修正，補償公式的嚴謹性直接影響測量誤差。
3.2 渦街流量計計量誤差分析
渦街流量計是利用振動原理進行測量的，在流體中，在流動的垂直方向插入發生體，流體流經時在其下游兩側交替產生兩列卡門渦街，卡門渦街的發生頻率存在一定的雷諾數范圍與流體的流速有關，并呈正線性關系。其關系式如下：
式中：f為渦街頻率，Hz；tS為斯特羅哈爾常數（無量綱）；v為流體經過發生體時的平均流速，m/s；d為發生體的特征寬度，m。
在實際測量中，一臺制造完成的渦街流量計其發生體的特征寬度是一定固定不變的。由此看見，卡門渦街的頻率在一定的雷諾數范圍內只與流體的平均流速有關，與流體的密度、粘度等物理參數基本無關。只要測得了渦街f和發生體處的流通面積即可測得流過發生體兩側流體的體積流量，其體積流量關系式為：
式中：vq為體積流量，m3/h；tS為斯特羅哈爾常數；m為渦街發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比；d為渦街發生體迎面寬度，m；D為表體通徑，m；f為渦街頻率，Hz。由上式可以看出，在式中沒有涉及流體的任何物理參數。所以在常規使用中，一臺渦街流量計無論用于何種流體測量，只要雷諾數2104~ 7106范圍內，就能得到穩定的流量系數。只要測得準確的渦街頻率，便可準確測得工況下流體的體積流量。這一點完全不同于差壓式流量計在流體參數偏離設計值時便產生很大誤差的情況。
4. 結束語
通過實際應用過程中問題可發現，在蒸汽測量中，渦街安裝方便而孔板流量計需要配套差壓變送器、引壓管、三組閥等附件使用，且因為冷凝水測量，在冬季使用引壓管易凍結，造成測量誤差。且在運行方面，渦街后期基本不需要維護，而孔板由于成銳角邊緣易磨損，需定期維護，分體式結構還需定期對引壓管排污，綜上所述，工業企業中非特殊惡劣環境下，建議蒸汽測量優先選用渦街流量計，更好滿足測量需求。