關(guān)于超高溫鍋爐新型數(shù)字智能乙烷流量計(jì)的分析與研究

乙烷流量計(jì)是根據(jù)“卡門漩渦”原理制成的流量測(cè)量?jī)x表。當(dāng)一穩(wěn)定的流體流經(jīng)有一定長(zhǎng)度的直管道時(shí)，撞擊沉浸在流體中的非線性柱體，在流體的下游會(huì)產(chǎn)生漩渦（即卡門漩渦）。當(dāng)流體的雷諾數(shù)（Re）在一定的范圍內(nèi)，漩渦的發(fā)生規(guī)律是穩(wěn)定可靠的，漩渦發(fā)生的頻率F由公式：F=(St * V)/d 確定其中，V為流速； d為柱體迎流面的寬度；St為斯特羅哈數(shù)。乙烷流量計(jì)可廣泛用于大、中、小型各種管道給排水、工業(yè)循環(huán)、污水處理，油類及化學(xué)試劑以及壓縮空氣、飽和及過熱蒸汽、天然氣及各種介質(zhì)流量的計(jì)量。
乙烷流量計(jì)的特點(diǎn)也很明顯，主要表現(xiàn)在以下方面:
①智能乙烷流量計(jì)的傳感器的通用性很強(qiáng)，從而使傳感器具有良好的互換性采用先進(jìn)數(shù)控設(shè)備加工傳感器的表體和旋渦發(fā)生體等，確保加工精度，從而使零部件（特別是旋渦發(fā)生體）的通用性強(qiáng)，從而真正做到不會(huì)因零部件的更換而影響傳感器的重復(fù)性和精度；能產(chǎn)生強(qiáng)大而穩(wěn)定的渦街信號(hào)。
②抗振性能特別好，無零點(diǎn)漂移，可靠性高。通過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)乙烷流量計(jì)進(jìn)行的大量波形分析和頻譜分析，加上*佳的探頭形狀、壁厚，高度、探頭桿直徑及與之相配套的壓電晶體，采用先進(jìn)的數(shù)控車床進(jìn)行加工，確保加工的同軸度和光潔度等技術(shù)參數(shù)，配合特殊的工藝處理，從而*大限度的克服乙烷流量計(jì)存在的固有自振蕩頻率對(duì)信號(hào)的影響這個(gè)通病。
③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，無可動(dòng)部件，可靠性高，使用維護(hù)方便。
④檢測(cè)元件不與介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)傳感器采用檢測(cè)探頭與旋渦發(fā)生體分開安裝，而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測(cè)探頭內(nèi)，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，所以乙烷流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
⑤輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)或模擬信號(hào)，無零點(diǎn)漂移，精度高，方便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)
⑥測(cè)量范圍寬，量程比可達(dá)1：10
⑦乙烷流量計(jì)測(cè)量體積流量時(shí)不需補(bǔ)償，渦街輸出的信號(hào)實(shí)際上是與流速成線性關(guān)系的，也就是與體積流量成正比。壓力和溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱说玫搅黧w的密度，乘以體積流量就得到質(zhì)量流量，若測(cè)量氣體的體積流量就不需要補(bǔ)償了。
⑧壓力損失小。用口徑DN50的乙烷流量計(jì)測(cè)量可燃?xì)怏w的流量，若管道內(nèi)的*大流量Qmax ＝200m3/h時(shí)，傳感器的壓力損失是：△P ＝1.08×10-6 ρv2（kPa）= 0.605 KPa
⑨在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流量特性不受流體壓力、溫度、黏度、密度、成分的影響，僅是與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)。
⑩應(yīng)用范圍廣，蒸汽、氣體、液體流量均可測(cè)量。
本文介紹這種集溫度、壓力、流量就地顯示于一體的數(shù)字乙烷流量計(jì)。并分析了數(shù)字渦街流量機(jī)在測(cè)量超高溫鍋爐過熱蒸汽方面的應(yīng)用。采用先進(jìn)的單片微機(jī)及微功耗芯片，實(shí)現(xiàn)在線多種信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，并采用軟件容錯(cuò)技術(shù)，大大提高了儀表的可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確度。
1、乙烷流量計(jì)的精度及適用情況
1．1乙烷流量計(jì)的精確度
乙烷流量計(jì)的精確度對(duì)于液體大致在±O．5％R～±2％R，對(duì)于氣體在±1％R～±2％R，重復(fù)性一般為0．2％-0．5％。由于乙烷流量計(jì)的儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低，故儀表口徑不宜過大(DN300 以下)。
范圍度寬是乙烷流量計(jì)的特點(diǎn)，但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0．5m／s，氣體為4-5m／s。乙烷流量計(jì)的正常流量*好在正常測(cè)量范圍的1／2～2／3處。
乙烷流量計(jì)的儀表常數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點(diǎn)，可以用一種典型介質(zhì)校驗(yàn)而應(yīng)用到其他介質(zhì)去，對(duì)于解決校驗(yàn)設(shè)備問題提供便利。但是應(yīng)該看到由于液、氣的流速范圍差別很大，因此頻率范圍也差別很大。處理渦街信號(hào)的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數(shù)也不同，因此，同一電路參數(shù)是不能用于不同測(cè)量介質(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數(shù)也應(yīng)隨之改變。 　
另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)強(qiáng)度差別也很大，液、氣放大器電路的增益，觸發(fā)靈敏度等皆不一樣，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著介質(zhì)壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號(hào)強(qiáng)度也不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)乙烷流量計(jì)不經(jīng)硬件或軟件修改，改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。
1．2乙烷流量計(jì)的適用情況
乙烷流量計(jì)不適用于測(cè)量低雷諾系數(shù)(Re≤2×104少)流體。低雷諾系數(shù)時(shí)，斯特勞哈數(shù)隨著雷諾系數(shù)而變，儀表線性度變差，流體粘度高會(huì)顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生，選型的一個(gè)限制條件是不能使用于界限雷諾系數(shù)之下。
乙烷流量計(jì)適用的流體比較廣泛，但對(duì)于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)產(chǎn)生噪聲，磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
乙烷流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還很少，一般可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應(yīng)小于7％～10％的氣、液兩相流，若超出2％就應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正?？捎糜诤稚?、均勻的固體微粒。含量不大于2％的氣固、液固兩相流?？捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂?如油和水)兩組分流等。
脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對(duì)乙烷流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設(shè)備，使渦街信號(hào)產(chǎn)生“鎖定(lock-in)”現(xiàn)象，這時(shí)信號(hào)固定于某一頻率。“鎖定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。乙烷流量計(jì)的正常工作的脈動(dòng)閉值尚待試驗(yàn)確定。80年代以來國(guó)內(nèi)外流量測(cè)量工作者己對(duì)乙烷流量計(jì)在混相流、脈動(dòng)流中的應(yīng)用開展許多試驗(yàn)研究，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)己發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。
1．3乙烷流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性
在眾多的流量計(jì)中，乙烷流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。乙烷流量計(jì)的基本性能處于中等偏上水平，購(gòu)置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等，而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控制系統(tǒng)檢測(cè)儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗(yàn)費(fèi)用。
2、超高溫鍋爐數(shù)字乙烷流量計(jì)系統(tǒng)概述
2．1工作原理
在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體)，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡門渦街原理，有如下關(guān)系式
f=SrUl／d=SrU／md (1)
式中U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m／s；
Sr—斯特勞哈爾數(shù)：
m—旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
式中K--流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)／m3(p／m3)。
K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見，在ReD=2x104～7x106范圍內(nèi)，sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí)，VSF的流量計(jì)算式為
式中qv．qv--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0oC或20oC，101．325kPa)和工況下的體積流量，m3/h；
Pn．p--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力，Pa；
Tn．T--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K；
Zn．Z--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
由上式可見。VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響。即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的?！　?br /> 2．2乙烷流量計(jì)結(jié)構(gòu)
VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
(1)旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件，它與儀表的流量特性(儀表系數(shù)、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān)，對(duì)它的要求如下。
1)能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離：
2)在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)：
3)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高：
4)形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合：
5)材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化
6)固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。
已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用*廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普。
(2)檢測(cè)元件
流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。
1)用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓：
2)旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓：
3)檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流：
4)檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓：
5)檢測(cè)尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測(cè)方式，采用不同的檢測(cè)技術(shù)(熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構(gòu)成不同類型的VSF。
(3) 轉(zhuǎn)換器
檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號(hào)。不同檢測(cè)方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器。轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖4所示。
圖4 A：轉(zhuǎn)換器原理框圖B：數(shù)字乙烷流量計(jì)框圖
3、數(shù)字流量計(jì)運(yùn)用于超高溫鍋爐
濕飽和蒸汽在熱網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存，鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽一般都含有少許的水分，通過分汽缸、熱力管網(wǎng)送至用戶，由于管網(wǎng)的熱損失，蒸汽的水分含量必然增多，導(dǎo)致蒸汽流量減少。
在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代，供熱按樓房面積收費(fèi)，不存在蒸汽計(jì)量收費(fèi)問題。近年來，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷深入，蒸汽流量必須按計(jì)量收費(fèi)，因此蒸汽的熱損耗問題也提了出來。目前，行政上普遍執(zhí)行的辦法是由用戶多交10％的蒸汽費(fèi)用，以補(bǔ)償蒸汽損耗。這種辦法也有一定缺點(diǎn)，用戶多交10％沒有科學(xué)依據(jù)，其一，濕飽和蒸汽水分含量與熱力管道的長(zhǎng)短有關(guān)，短熱力管道能平衡減少的蒸汽量，而長(zhǎng)熱力管道則平衡不了減少的蒸汽量。其二，對(duì)那些間斷使用蒸汽的用戶更無法平衡，有些企業(yè)白天上班使用幾小時(shí)蒸汽，下班后整個(gè)晚上都不使用蒸汽，直到*二天上班再用，通過一整夜的冷卻，熱力管道中的蒸汽全凝結(jié)成水，這種蒸汽的損失就不是10％。由于這些客觀原因。熱力廠不能做到自負(fù)盈虧，而需要政府補(bǔ)助。
比較合理的作法是熱力廠出口的總流量認(rèn)為是干飽和汽，用流量表計(jì)量并作為貿(mào)易結(jié)算的基準(zhǔn)流量。各個(gè)用戶的蒸汽流量為濕飽和蒸汽，按汽水兩相流計(jì)量，根據(jù)物質(zhì)不滅定律，各個(gè)用戶的蒸汽質(zhì)量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽質(zhì)量流量應(yīng)相等，這就需要流量?jī)x表準(zhǔn)確測(cè)量總管的質(zhì)量流量和分管的質(zhì)量流量。
汽水兩相流的流量測(cè)量除了要確定單相流涉及的流量參數(shù)外，還必須要確定干度(即濕蒸汽的水分含量)，鍋筒出口的蒸汽干度可用電導(dǎo)率法測(cè)量，熱網(wǎng)管道的蒸汽干度可用熱平衡法測(cè)量，也可用頻譜分析法測(cè)量。汽水兩相流比單相流要復(fù)雜得多，由于汽與水的密度相差甚遠(yuǎn)，兩者的流速是不等的，密度大的速度快，密度小的速度慢。這種速度差又與干度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關(guān)，因此濕飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型比干飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜得多。但是，經(jīng)過幾十年的實(shí)驗(yàn)研究，濕飽和蒸汽的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成熟，目前濕飽和蒸汽數(shù)學(xué)模型精度可達(dá)±0．6％，這個(gè)計(jì)算精度完全滿足濕飽和蒸汽流量計(jì)量要求。
3．1系統(tǒng)方案
據(jù)飽和蒸汽壓力、溫度和密度相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只需選擇壓力或溫度其中一項(xiàng)來對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算即可考慮。蘭州石化公司煉油裝置內(nèi)的飽和蒸汽管路都較長(zhǎng)，壓力波動(dòng)較大，適宜采用壓力補(bǔ)償。
LUB系列乙烷流量計(jì)防爆等級(jí)為ExiaCT2～T4，它必須與已取得防爆合格證的本安關(guān)聯(lián)設(shè)備(防爆標(biāo)志：ExiaC)配套組成本安防爆系統(tǒng)。
3．2乙烷流量計(jì)的選型
根據(jù)用戶提供的所測(cè)飽和蒸汽的壓力(溫度)、流量范圍、管道直徑等參數(shù)，選擇相應(yīng)規(guī)格的LUB系列乙烷流量計(jì)。所測(cè)飽和蒸汽的流量范圍應(yīng)處于所選流量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)，并*好處于流量計(jì)的*佳工作范圍，即流量計(jì)量程的50％～67％處。對(duì)于管道直徑與流量計(jì)內(nèi)徑不一致的，可采取縮徑或擴(kuò)管的方法。
3．3流量積算儀的參數(shù)設(shè)置
選用的FC20系列流量積算儀提供了1種流量補(bǔ)償算法，基本可滿足各種測(cè)量介質(zhì)的流量補(bǔ)償計(jì)算，可顯示瞬時(shí)流量和累積流量等參數(shù)，并且可輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)供控制和記錄，還提供標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)RS2485串行通訊接口。要使用流量積算儀的飽和蒸汽的壓力補(bǔ)償算法，就需要先進(jìn)入流量積算儀的參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，選擇飽和蒸汽壓力補(bǔ)償模式，設(shè)置流量單位為千克每
4、智能數(shù)字乙烷流量計(jì)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述
智能數(shù)字乙烷流量計(jì)是以微處理器為核心，具有自動(dòng)調(diào)零，線性化，自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境因素變化功能，并配以圖形顯示直觀的表達(dá)測(cè)量結(jié)果的嵌入式數(shù)字智能乙烷流量計(jì)的要求。圖5是該系統(tǒng)傳感器基本技術(shù)原理示意圖。

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