渦街流量計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，尤其是在蒸汽和中低壓氣體的 純水，污水流量 測量方面，占有重要地位。這是因?yàn)樗哂芯_度較高、范圍度較寬、線性分度、無零點(diǎn)漂移，而且結(jié)構(gòu)簡單、牢固、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。與此同時(shí)，它也存在耐振性較差、脈動(dòng)流影響嚴(yán)重、抗干擾能力弱等局限性，這就吸引著人們對它進(jìn)行研究，取其所長，避其所短。
渦街流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥(減壓閥)安裝設(shè)計(jì)在同一根管道上，兩者經(jīng)常容易碰到。如圖1所示，來自鍋爐房或熱力公司的外來蒸汽，在測量流量后經(jīng)穩(wěn)壓閥(或減壓閥)，進(jìn)入分配器，供各用汽設(shè)備使用。在流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥直接連接，如圖2所示。
從儀表的實(shí)際運(yùn)行情況來看，調(diào)節(jié)閥(或減壓閥)在運(yùn)行中出現(xiàn)振蕩的情況也時(shí)有發(fā)生。有的是在 流速儀 某些時(shí)段出現(xiàn)振蕩;有的是在某一些開度出現(xiàn)振蕩，而產(chǎn)生振蕩的原因更是復(fù)雜多樣。
按照引起振蕩的原因分類，大致有以下幾種原因[2-3]：
①閥芯存在不平衡力，而閥門又在小開度條件下工作，從而引起振蕩，有時(shí)甚至發(fā)出嘯叫;
?、谡{(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定不當(dāng)，引起系統(tǒng)等幅振蕩，調(diào)節(jié)閥也振蕩不停;
?、壅{(diào)節(jié)閥的閥芯存在干摩擦，從而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩;
④由于覺察不到的原因而引起的難以覺察的振蕩。
振蕩的幅值和振蕩頻率也有很大差異，但總的來說，振蕩都會(huì)引起流動(dòng)脈動(dòng)，進(jìn)而改變渦街流量計(jì)的輸出。
1 閥門振蕩對渦街流量計(jì)的影響
渦街流量計(jì)是最容易受流動(dòng)脈動(dòng)傷害的流量計(jì)之一。流動(dòng)脈動(dòng)從發(fā)生源經(jīng)流體向下游或上游傳遞到渦街流量計(jì)，并作用在其傳感器上， 明渠流量計(jì) 導(dǎo)致傳感器輸出脈沖數(shù)量額外增加，更嚴(yán)重的是渦街流量計(jì)還會(huì)出現(xiàn)一種“鎖定”現(xiàn)象[4]。
1.1 脈動(dòng)頻率的影響
在分析流動(dòng)脈動(dòng)對渦街流量計(jì)影響時(shí)，脈動(dòng)頻率是重要參數(shù)，起決定性作用的是脈動(dòng)頻率fP與旋渦剝離頻率fv的比值。當(dāng)此比值較小時(shí)，具有近似的穩(wěn)定流特性，旋渦剝離頻率隨流速變化，斯特羅哈爾數(shù)或校準(zhǔn)常數(shù)不變。當(dāng)脈動(dòng)頻率與旋渦剝離頻率的比值較大時(shí)，就出現(xiàn)一種強(qiáng)烈的趨勢，即旋渦剝離周期被“鎖定”，即與脈動(dòng)周期相同(fv=fP)或是脈動(dòng)周期的一半
在鎖定條件下，流量計(jì)輸出停頓，流量指示誤差可高達(dá)±80%。當(dāng)脈動(dòng)頻率大大高于旋渦剝離頻率時(shí)，無明顯的鎖定現(xiàn)象，但斯特羅哈爾數(shù)發(fā)生變化，造成穩(wěn)定流校準(zhǔn)數(shù)據(jù)明顯偏離，達(dá)到10-1的數(shù)量級。
流速脈動(dòng)幅值U′rms/U的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此幅值不能超過20%。其中，U′rms為流速脈動(dòng)均方根值;U為軸向流速。脈動(dòng)頻率的限定是指在最低流速時(shí)，脈動(dòng)頻率應(yīng)小于旋渦剝離頻率的25%[2]。
1.2 渦街流量計(jì)測量脈動(dòng)流流量
采取合適的阻尼方法將脈動(dòng)衰減到足夠小的幅值(通常為3%)是渦街流量計(jì)測量脈動(dòng)流流量時(shí)常用且有效的方法。但當(dāng)脈動(dòng)幅值仍高于3%時(shí)，可對測量不確定度進(jìn)行估算，然后對誤差進(jìn)行校正。
脈動(dòng)引起的鎖定現(xiàn)象應(yīng)設(shè)法避免。可行的方法有兩個(gè)：一是制造發(fā)生體較窄的渦街流量計(jì)，提高儀表的輸出頻率，從而使旋渦剝離頻率同脈動(dòng)頻率錯(cuò)開得遠(yuǎn)一些;二是采用插入式渦街流量計(jì)測量大管徑流量。在相同流速的條件下，小口徑流量計(jì)輸出頻率比大口徑高若干倍。因此，采用插入式渦街流量計(jì)也能將旋渦剝離頻率同脈動(dòng)頻率有效錯(cuò)開。
1.3 測量不確定度的估算
如果fv/fP<0.25，且U′rms/U<0.2，測量不確定度約為1%;如果fv比fP高得多，但無明顯的鎖定現(xiàn)象，流速脈動(dòng)幅值在0.1～0.2之間，則誤差可能為流量示值的10-1的數(shù)量級。
2 應(yīng)用實(shí)例
為了增加讀者對調(diào)節(jié)閥(減壓閥)振蕩對渦街流量計(jì)影響的感性認(rèn)識，下面列舉兩個(gè)來自使用現(xiàn)場的實(shí)例。
2.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩引入的脈動(dòng)及其克服方法
上海米其林輪胎公司新建兩臺(tái)35t/h鍋爐供3.9MPa飽和蒸汽。蒸汽流量使用渦街流量計(jì)測量，儀表配置如圖3所示[5-6]。鍋爐投入運(yùn)行后，各路蒸汽分表的示值之和與總表經(jīng)平衡計(jì)算的差值≤1%R，發(fā)汽量與進(jìn)水量平衡測試結(jié)果也令人滿意。運(yùn)行三個(gè)星期后出現(xiàn)了新情況，即去除氧器的一套蒸汽流量計(jì)示值有時(shí)會(huì)突然跳高，從而使分表之和比總表示值高約20%。
在現(xiàn)場了解情況時(shí)，儀表人員觀察到了流量計(jì)示值突然跳高的現(xiàn)象。從記錄紙上可清楚看出，測量范圍為0～10t/h的除氧器耗汽流量，正常時(shí)在3t/h左右波動(dòng)，最高時(shí)也未高于5t/h;但在異常情況發(fā)生后，流量示值突然跳到10t/h以上并長時(shí)間維持此值。
儀表人員立即到蒸汽分配器處觀察，發(fā)現(xiàn)去除氧器的一路蒸汽管有異常的振動(dòng)，管內(nèi)壓力有周期性的小幅度擺動(dòng)。儀表人員又到除氧器處觀察，其蒸汽系統(tǒng)如圖4所示。
3.9MPa蒸汽經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器直接作用，減壓到0.6MPa后，再經(jīng)用于除氧溫度控制的偏芯旋轉(zhuǎn)閥送出。觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)減壓后的蒸汽壓力在0.1～0.8MPa之間大幅度、周期性地?cái)[動(dòng)，周期約4s;而偏芯旋轉(zhuǎn)閥閥位并無明顯擺動(dòng)。顯然，壓力振蕩是由直接作用式壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩引起的。
因此，建議熱力工程師將減壓前的切斷閥緩慢關(guān)小，直至振蕩停止，流量示值也就恢復(fù)正常。分析上述現(xiàn)象，歸納如下。
?、倭髁渴局低蝗惶呤怯捎诹黧w從定常流突然變?yōu)槊}動(dòng)流。
②脈動(dòng)流的形成源于減壓閥振蕩。
③減壓閥振蕩是因其兩端壓差大，閥門開度小，閥芯還可能存在一定的干摩擦。
?、荜P(guān)小調(diào)節(jié)閥的上游切斷閥后，減壓閥開度增大，振蕩停止。這是因?yàn)殚y門開大后，減壓閥兩端壓差減小，等效放大系數(shù)相應(yīng)減小。
?、轀p壓閥應(yīng)盡早拆開檢查，改善干摩擦、清除卡滯，以徹底消除產(chǎn)生脈動(dòng)的根源。
2.2 減壓閥引入的脈動(dòng)及其克服方法
該實(shí)例發(fā)生在上海的一幢88層大廈。大廈所屬鍋爐房經(jīng)分配器向洗衣房供汽。因蒸汽壓力太高，所以中間設(shè)置了一個(gè)直接作用式減壓系統(tǒng)。減壓與流量測量系統(tǒng)如圖5所示。
該系統(tǒng)投運(yùn)后的最初幾年，運(yùn)行一直良好。白天和上半夜，洗衣房開工，蒸汽流量在1.0～2.5t/h之間波動(dòng);后半夜收工后，流量減為0.2t/h左右。
但在2007年1月的一次停車小修之后，情況發(fā)生了變化。其中，開工期間的流量變化范圍并無異樣，而停工期間的流量示值卻大幅度升高，甚至比開工期間的最大流量還要大。因此，有關(guān)人員特地在收工期間進(jìn)行檢查。典型流量曲線如圖6所示。
分析減壓閥異常原因過程中，因?yàn)椴徽摿髁看笈c小，減壓閥后的壓力總是穩(wěn)定在0.4MPa，所以，人們一直認(rèn)為它是好的，沒有懷疑的必要。但在一籌莫展的情況下，不得不開始懷疑減壓閥。于是，通過閥門V3對出口壓力進(jìn)行控制，而將閥門V2逐步關(guān)小，直至關(guān)死。待切換完畢，流量示值跌到0.2t/h以下，從而真相大白。后來，維修人員更換了減壓閥的金屬膜片，最終處理了故障。
這一故障的處理帶給筆者的啟發(fā)大致有以下幾條。
?、僖慌_(tái)減壓閥能將出口壓力(或進(jìn)口壓力)穩(wěn)定地控制在規(guī)定值，從而完成其主要任務(wù)，但不能因此而忽視其對流量測量可能存在的影響。
?、谝慌_(tái)減壓閥在開度大的時(shí)候可能對流量測量不存在影響，但不能因此斷定在開度小的時(shí)候也不存在影響。因?yàn)殚y門前后的壓差不同、開度不同、管網(wǎng)的配置不同等，都可能影響減壓閥的穩(wěn)定性。
?、蹨p壓閥是否振蕩，通常觀察它是否存在明顯的振動(dòng)，閥芯是否存在明顯的抖動(dòng)，是否發(fā)出振蕩叫聲。但即使無振動(dòng)、無抖動(dòng)也無叫聲，也不能作出不振蕩的判斷。
?、軝z驗(yàn)減壓閥是否振蕩并對渦街流量計(jì)產(chǎn)生干擾，最可靠和簡單的辦法就是跳開減壓閥，改由旁通閥控制。
?、轀p壓閥振蕩(或僅在某一開度存在振蕩現(xiàn)象)導(dǎo)致渦街流量計(jì)示值偏高，是由于振蕩引起流動(dòng)脈動(dòng)，干擾渦街流量傳感器的工作。
⑥解決減壓閥振蕩的方法是對減壓閥進(jìn)行維修或改善其工作條件，使振蕩條件不成立。
