用渦街流量計測量蒸汽質量流量

1、用渦街流量計測量蒸汽質量流量渦街流量計是體積流量計，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內，其輸岀只與體積流量成正比。渦街流量計的輸岀有頻率信號和模擬信號兩種，模擬輸岀是在頻率輸岀的基礎上經f/l轉換得到的。這一轉換大約要損失0.1 %精確度。所以用來測量蒸汽流量時，用戶更愛選用頻率輸出。頻率輸岀渦街流量計更受熱力公司等用戶歡迎的另外幾個原因如下。a. 頻率輸岀渦街流量計價格略低(非智能型)。b. 頻率輸岀渦街流量計滿量程修改更方便，只需對可編程流量演算器面板上的按鍵按規(guī)定的方法進行 簡單的操作就可實現(xiàn)。c. 由頻率輸岀渦街流量計輸岀的頻率信號計算蒸汽質量流量，只需知道流體當前工況，而模擬輸岀渦街流量計的溫

2、壓補償只是對當前工況偏離設計工況而引起的誤差進行補償，因此，不僅需知道當前工況， 還需知道設計工況。后一種工況數(shù)據(jù)常常因為時間推移或人事變遷導致資料遺失而引起誤差，相比之下， 頻率輸岀渦街流量計卻不會有此問題。詳見本書第8章8.6節(jié)分析。頻率輸岀渦街流量計測量質量流量的表達式為式中qm質量流量，kg/h ;f 渦街流量計輸岀頻率，P/s ；Kt工作狀態(tài)下的流量系數(shù)，P/L ;p流體密度，kg/m3。當被測流體為過熱蒸汽時，可以pf= f(Pf,tf)(3.14)流量演算器WW- SENSOOK.圖3.6用渦街流量計測量過熱蒸汽質量流量的系統(tǒng)當被測流體為飽和蒸汽時，可以P=f(pf)(3.15)

3、或 p=f(t f)(3.16)圖3.7用渦街流量計測量飽和蒸汽質量流量的系統(tǒng)在式（3.13）中，p應是渦街流量計岀口的流體密度，因此，pf的測壓點應取在渦街流量計岀口的規(guī)定管段上。有些研究表明，臨界飽和狀態(tài)蒸汽經減壓后會發(fā)生相變，即從飽和狀態(tài)為過熱狀態(tài)，這是，將其仍作為飽和蒸汽從式（3.15）或式（3.16）的關系求取p,必將引入較大誤差2。如果出現(xiàn)這種情況，應進行溫度壓 力補償。3.1.4蒸汽密度求取方法比較從上面的分析可知，工程上普遍使用的推導式蒸汽質量流量測量系統(tǒng)，關鍵是求取蒸汽密度幾十年以來， 人們?yōu)榇俗髁舜罅垦芯抗ぷ鳌w納起來主要是采用數(shù)學模擬法和查表法兩類方法。用數(shù)學模型求取蒸汽

4、密度在工程設計和計算中，工程師們經常需要求取蒸汽密度數(shù)據(jù)，采用的傳統(tǒng)方法是由蒸汽的狀態(tài)數(shù)據(jù)查蒸汽密度表。但是未采用微處理器前，這種人工查表的方法還無法移植進儀表， 而仍采用數(shù)學模型的方法。人們建立了多種的數(shù)學模型以滿足不同的需要，下面例舉使用最廣泛的幾種。 一次函數(shù)法。這種方法的顯著特點是簡單，適用于飽和蒸汽，其表達式為p= Ap+B(3.17)式中 p汽密度，kg/m3；p流體絕對壓力，MPa；A、B系數(shù)和常數(shù)。式(3.17)不足之處是僅在較小的壓力范圍內變化適用，壓力變化范圍較大時，由于誤差太大，就不適用 了。因為對于飽和蒸汽來所， p= f (p)是一條曲線，用一條直線擬合它，范圍越大，

5、當然誤差越大。解決這個矛盾的方法是分段擬合，即在不同的壓力段采用不同的系數(shù)和常數(shù)。表3.2所示為不同壓力段對應的不同密度計算式。表3.2不同壓力段的密度計算式壓力范圍/MPa密度計算式p /( kg/m3)壓力范圍/MPa密度計算式p(kg/m3)0.1 0.32rp1= 5.2353 + 0.08161.00 2.00p4= 4.9008 + 0.24650.320.70 rp2= 5.0221 +0.15172.00 2.60P5= 4.9262 + 0.19920.70 1.00p3= 4.9283 + 0.2173 用指數(shù)函數(shù)擬合密度曲線。使用較多的是p =f AP 16(3.18)式

6、(3.18)描述的是一條曲線，用它來擬合飽和蒸汽的p= f (P)曲線能得到更高的精確度，但是在壓力變化范圍較大的情況下，仍有千分之幾的誤差。 狀態(tài)方程法。狀態(tài)方程法用于計算過熱蒸汽密度，其中著名的有烏卡諾維奇狀態(tài)方程：竺二 1+Fg +F2(T) p2 + F3(T)p3二-(3.19)式中p壓力，Pa；v比體積，m3/kg ；R氣體常數(shù)，R= 461J/ (kg.K);T 溫度，K ;5.gFi(T)=(bo+b訶 + +b 釣 X0g ；F2(T)=(Co+Ci + +cf) X0-16；823F3(T)=(do+di + d8) X10-；b0= -5.01140C0=-29.1331

7、64do=+34.551360b1=+19.6657C1=+129.65709d1=+230.69622b2=-20.9137C2=-181.85576d2=-657.21885b3=+2.32488c3=+0.704026d3=+1036.1870b4=+2.67376C4=+247.96718d4=-997.45125b5=-1.62302C5=-264.05235ds=+555.88940c6=+117.60724d6=-182.09871C7=-21.276671d7=+30.554171C8=+0.5248023d8=-1.99178134 =10/T計算機查表法上面所說的通過數(shù)學模

8、型求取蒸汽密度的誤差都是同人工查密度表方法相比較而言。現(xiàn)在智能化儀表將蒸汽密度表裝入其內存中，在CPU的控制下，模仿人工查表的方法，采用計算機查表與線性內插相結合的技術，能得到與人工查表相同的精確度。現(xiàn)在國際上通用的蒸汽密度表是根據(jù)工業(yè)用1967年IFC計算出來的。1963年于紐約舉行的第八屆國際水蒸氣性質會議上，成立了國際公式委員會（IFC）。若干年后，該委員會提出了國際公認的用業(yè)用1967年IFC公式”及 通用和科研用1968年IFC公式” 21年后在1984年于莫斯科舉行的第十屆國際蒸汽性質會議 上，又廢除了 通用和科研用1968年IFC公式”因此， 工業(yè)用1967年IFC公式”仍是當前

9、公認的描述水 蒸氣熱物性參數(shù)的權威公式。由于這個公式十分復雜，一般使用者很難直接使用它，IFC根據(jù)這個公式編制了蒸汽性質表格，供人們查閱。本書的附錄D摘錄了其中部分數(shù)據(jù)。下面以典型智能流量演算器為例說明自動查表的實施方法。在智能流量演算器的 EPROM中寫入3個蒸汽密度表，1號表是過熱蒸汽密度表，另外兩個是飽和蒸汽密 度表（見附錄D），采用的都是國際蒸汽密度表1967IFC公式計算岀來的。其中。過熱蒸汽密度表有蒸汽溫度和蒸汽壓力兩個自變量。2號表是蒸汽壓力為自變量。3號表是蒸汽溫度為自變量，這樣，測得蒸汽溫度或測得蒸汽壓力都能通過查表求得蒸汽密度。究竟是選查p=p）表格還是p=f（t表格。則在

10、填寫組態(tài)菜單時由用戶自己選定。 查表的優(yōu)先權問題。過熱蒸汽的密度表時就存在一個優(yōu)先權的問題。若先從壓力查起，就稱壓力優(yōu)先；若先從溫度查起，就稱溫度優(yōu)先。而對于飽和蒸汽，若選壓力優(yōu)先；若選溫度補償，則為溫度優(yōu)先。上述三種情況優(yōu)先關系，由用戶在填寫菜單時指定，如表3.3所列。表3.3優(yōu)先權指定表蒸汽溫度蒸汽壓力補償運算優(yōu)先項目代碼蒸汽溫度蒸汽壓力補償運算優(yōu)先測定值測定值壓力0手動設定值測定值壓力測定值手動設定值溫度1手動設定值手動測定值壓力 蒸汽狀態(tài)判別問題。典型流量演算器具有蒸汽狀態(tài)判別功能。根據(jù)判別結果，查不同的密度表。以過熱蒸汽為例，在圖 3.8所示的查表示意圖中，從壓力測定值pO出發(fā)去查溫

11、度，如果溫度測定值大于飽和溫度t1，則判別蒸汽為 過熱蒸汽”查1號密度表，例如，t=t2，則p= pf2如果溫度測定值小于t1，則 判別蒸汽狀態(tài)為 過飽和蒸汽”，查2號密度表，p=pf,1此時，溫度信號與壓力信號不平衡，所以，儀表自 診斷顯示“000800代碼，表示蒸汽狀態(tài)已進入飽和區(qū)。TOf賽畫 3S1Nb M| bi圖3.8過熱蒸汽密度查表示意圖3.9壓力優(yōu)先，求取飽和蒸汽密度圖3.10溫度優(yōu)先，求取密度飽和蒸汽密度 飽和蒸汽密度求取方法。如果優(yōu)先指定欄內填入 2 （壓力優(yōu)先），則手動設定溫度置 100C，從壓力測定值出發(fā)查出飽和溫度。因為此時溫度信號取手動設定值，所以判別蒸汽狀態(tài)為過飽和

12、蒸汽”如圖3.9所示），查2號表。如果優(yōu)先指定欄內填入 1 （溫度優(yōu)先），則手動設定壓力一般置 22Mpa（密度表中壓力上限），從溫度測定值 出發(fā)查飽和壓力。因為此時壓力信號取手動設定值， 所以判別蒸汽狀態(tài)為 過飽和蒸汽“（如圖3.10所示）， 查3號表。上面所談的蒸汽密度求取方法，用戶不一定都要搞清楚，其原因在于用戶只須根據(jù)自己所用的流體參數(shù)選 擇合適的補償方法，并在菜單中填入有關數(shù)據(jù)即可。但是對于飽和蒸汽究竟是采用壓力補償還是溫度補償 倒是很重要的。 直接查表法。有的儀表制造商采用的是直接查表法，即儀表內存放的三張蒸汽密度表由編碼開關指定其選用：采用壓力補償?shù)娘柡驼羝?，經編碼開關選擇直接查

13、以壓力為自變量的飽和蒸汽密度表；采 用溫度補償?shù)娘柡驼羝?，經編碼開關選擇直接查以溫度為自變量的飽和蒸汽密度表；對于過熱蒸汽，經編 碼開關選擇直接查以溫度和壓力為自變量的過熱蒸汽密度表。編碼開關設置完畢，長期使用。3.1.5溫度壓力測口位置的合理選擇實施流體溫度、壓力補償時，應合理選擇溫度、壓力測口的位置，因為蒸汽以一定流速流過流量測量儀表 時，測壓口選在不同的位置得到的測量值是不同的。測溫口也有類似的情況。從流量計使用現(xiàn)場的實際情況來看，用于溫壓補償?shù)臏y溫口、測壓口位置雖然多種多樣，但大多數(shù)是測壓 口在前，測溫口居后。即測壓口開在流量計上游的管道上，測溫口開在流量計下游的管道上。（1）孔板流量

14、計的測溫測壓口位置標準中的要求。國家標準 GB/T2624 - 1993提出的質量流量與各自變量的關系，用三個公式表述，其 一個是前面所述的式（3.1），另外兩個如下。(3.20)(3.21)式中2流件負端取壓口平面上的流體可膨脹性系數(shù)；P 2流件負端取壓口平面上的流體密度，kg/m3;p2 節(jié)流件負端取壓口平面上的流體壓力，Pa.3.21)假定流體為可壓縮性流體，而且在p1、p2差別不大的情況下，流體符合理想氣體定律，這是將式（代入式（3.20），就可得到（3.1），因此，式（3.20）和式（3.1）是等價的。關于流體的密度，GB/T2624 - 1993在4.4條中規(guī)定，上游或下游取壓口平

15、面處的密度可直接測量，亦可根 據(jù)相應平面處靜壓、溫度等特性的資料計算岀來。4.4.1條中進一步規(guī)定流體的靜壓應在上游或下游取壓口平面處測得”。該標準中的關鍵數(shù)據(jù)如流岀系數(shù)C和可膨脹性系數(shù),都是根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)經處理得到的，因此在采用這些實驗結果進行節(jié)流裝置的設計和有此設計的節(jié)流裝置測量流量時，實際上是實驗方法的逆過程”。至于將取壓口開在節(jié)流裝置前一定距離的管段上測得的壓力比標準規(guī)定的方法測得的壓力差多少，原則上 可以按伯努利方程、連續(xù)性方程和熱力學過程方程3計算岀來，但具體計算時還有一些困難，而如果在現(xiàn)場實測，卻是不困難的。測溫問題。GB/T2624 - 1993中規(guī)定流體溫度最好在節(jié)流件下游

16、測得 ”，如溫度計插孔或套管位于下游， 它與節(jié)流件之間的距離應等于或大于5D，如溫度計插孔或套管位于上游，它與節(jié)流件之間的距離應滿足表2 （直流段長度）的規(guī)定”，顯然，節(jié)流件上游和下游均允許設置溫度計插孔，只是不能對流體的流動狀 態(tài)帶來較大的干擾。筆者認為，如果流體為處于過熱狀態(tài)的氣體或蒸汽，溫度計插孔最好選在節(jié)流件下游。而若流體為處于飽和 狀態(tài)的蒸汽，而且又是根據(jù)測溫結果去查密度表p=f（t，進而進行密度補償，為了能使查表得到的密度恰巧為P、P2溫度計插孔從原理分析應選在正端取壓口平面處按式（3.1）計算qm或負端取壓口平面處按式（3.20）計算qm但這又因測溫套管距節(jié)流件太近而對流動狀態(tài)產

17、生太大的干擾而變得不可行，因此，用來測量飽和蒸汽的差壓式流量計，通過測量流體溫度求取pl或 p2由于實施中的困難，具體執(zhí)行時，與理想情況總是有差距，這必定要帶來一定誤差。（2）渦街流量計測溫測壓口位置渦街流量計是利用流體流過旋渦發(fā)生體時產生的穩(wěn)定旋渦，通過測量其旋渦產生頻率，得到體積流量。實驗指出，流過旋渦發(fā)生體的流體不論是液體、氣體還是蒸汽，只要雷諾數(shù)ReD在2X1047X106范圍內，就能得到穩(wěn)定的流量系數(shù)。實驗同時指岀，渦街產生的頻率，反映了渦街發(fā)生體處的流體平均流速，此流速于流通截面積的乘積即為 體積流量。要將蒸汽的這種體積流量換算成質量流量，必不可少的是測量岀渦街發(fā)生體處的流體靜壓力

18、。此處靜壓力由于流體流速較高，比渦街流量計上游管道內的流體壓力低一些。若在此處準確地測量靜壓力，由于多種原因有一定困難，但在流量計下游一定距離的管道上，測量到能與發(fā)生體后面?zhèn)鞲衅魈幍撵o壓相等或接近的靜壓，則是一個可行的方法。橫河公司要求，這個合適的距離為3.57.5陪管道內徑。E+H公司要求，這個合適的距離為從流量傳感器下游法蘭算起3.5倍管道內徑。若用上游壓力代替下游壓力會引入誤差，其估算方法如下例所述。例如有一臺YF108型旋渦流量計，用來測量過熱蒸汽流量，從流量二次表可讀岀上游流體壓力p1= 0.9Mpa （表面值）流體溫度tf = 250 C瞬時流量顯示值qm= 3.0t/h從溫度、壓力數(shù)據(jù)查表得到流體密度為 p 1 4.