渦街流量計的選型與應用

2019-01-28 01:11:12陳忠革

船電技術 2019年1期

陳忠革

渦街流量計的選型與應用

陳忠革

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

本文首先介紹了渦街流量計的工作原理，并對渦街流量計的優缺點進行了分析；其次結合采油平臺實際工況進行了流量儀表選型；并且介紹了針對渦街流量計的防振措施；最后通過計算對比分析，證明渦街流量計是一款相對節能的流量計。

渦街流量計振動節能

0 引言

在工業生產過程中，為了有效地指導生產操作、監視和控制生產過程，經常需要檢測生產過程中各種流動介質（如液體、氣體或蒸汽）的流量，以便為管理和控制生產提供依據。同時，工業生產的各環節之間經常有物料的輸送，需要對它們進行精確的計量，作為經濟核算的重要依據。所以，流量監測在現代化工業生產過程中顯得十分重要。

1 工作原理

渦街流量計（又稱漩渦流量計）是根據“卡門漩渦”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表。“卡門漩渦”現象是在流動的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線型柱狀物時，流體在柱狀物兩側交替地分離釋放出兩列規則的漩渦。在測量管道的流體中設置非流線型的漩渦發生體，當雷諾數達到一定值時，從漩渦發生體下游兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的漩渦，這種漩渦稱為卡門渦街，在一定雷諾數范圍內漩渦的分離頻率與漩渦發生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關，漩渦的頻域正比于流量，并可由各種形式的傳感器檢出[1-3]。

圖1 卡門渦街

流量計利用卡門渦街原理如圖1所示，有如下關系式：

式中——阻流件的寬度，m；

圖2 斯特勞哈爾數與雷諾數關系曲線

當測量氣體流量時，渦街流量計的標準體積流量計算式為

P，——標準參比條件下和工況下的絕對壓力，Pa；

T，——標準參比條件下和工況下的熱力學溫度，K;

Z，Z——標準參比條件下和工況下的氣體壓縮系數；

由式(5)可見，渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與漩渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。

2 優勢與局限性

2.1 優點

1) 渦街流量計結構簡單，安裝維護方便。

2) 無可移動部件，可靠性高。

3) 重量輕，價格便宜，在眾多的流量計中，渦街流量計的經濟性較好，是一種經濟實惠的流量計。

4) 適應性強，結構形式多種多樣，可計量多種流體介質，如液體、氣體、高溫蒸汽、低溫液體和部分混相流體[4]。

5) 在一定的雷諾數范圍，輸出頻率信號不受流體物性（密度、黏度）和組分的影響。

6) 壓力損失小。

7) 在一種典型介質中校驗，而適用于各種介質。

8) 可以通過確定斯特勞哈爾數與發生體幾何參數之間的關系，來實現干標定。

2.2 局限性

2)漩渦分離的穩定性受流速分布畸變及旋轉流的影響。

3)除了熱敏和超聲式，其他種類的渦街流量計對管道機械振動均較敏感，不宜用于強震動場所。

4)儀表口徑不宜過大，一般口徑不超過300 mm。

5)渦街流量計適用的流體比較廣泛，但不適用于臟污流體。

6)渦街流量計在混相流體中的應用經驗還少。

3 渦街流量計的初步選型

渦街流量計同樣具有局限性，也有其適用范圍，因此何種工況選用渦街流量計，選用哪一類的渦街流量計，選用多大口徑都是需要重點研究的課題。下面本文根據已經投產的某油氣生產平臺實際工況（表1）進行了流量儀表的初步選型。

由表1中的工藝參數可知，管道介質為生產水。它由原油處理系統的生產污水經過斜板除油器除掉浮油后產生。除掉浮油后的生產污水進入溶氣式氣浮進一步去除污水中的小油滴。首先從管道尺寸考慮，由于管道尺寸為8*25.4=203.2 mm，超出靶式流量計（15~50 mm）和科氏流量計（150~200 mm）的常用測量管道尺寸范圍，排除靶式、浮子流量計和科氏流量計；從壓損方面考慮，排除孔板流量計（壓損：20~50 kPaG）；從安裝方式方面考慮，排除浮子流量計（需要垂直安裝）；容積式、超聲式、電磁式、渦街流量計滿足上述要求。最后從購置考慮，由于渦街流量計的購置、安裝、運行、維護費用較低的特點，因此在此選擇渦街流量計作為初步選型儀表。

表1 某油氣生產平臺生產污水處理工況

通用項設備位號PSP-FE/FT-3004A 服務對象斜板除油器精度要求1 % 管線號8"-PW-3004-A1-HT5 管線尺寸8'' 管線等級STD 管線儀表圖紙號LD32-2-DWG-PSP-PR-3002(1/2) 工藝條件流體生產水流速(m3/h)最小65正常150最大220 溫度(℃)最小正常50~80最大110 壓力(kPa/g)最小正常50最大比重1 黏度(cP)0.35~0.55 最大允許壓差(kpa)20

4 防振措施探討

海洋平臺本身空間比較緊湊，在較小的空間內布置了大量的工藝和生產設備。一些振動源比如空氣壓縮機和泵會對渦街流量計的使用產生影響。在此介紹幾種減振措施[5,6]：

1）在儀表選型之初，就要確保渦街流量計安裝環境無振動或振動較小，不影響渦街流量計的正常工作；

2）抗振接頭耐壓、耐腐蝕、價格低、安裝簡單易行，可以擴大渦街流量計的使用范圍，也適用于其他減振場所，此方法在海洋平臺中的渦街流量計的選型和使用過程中值得借鑒；

3）當管道振動速度大于1 g或者振動頻率達到500 Hz以上時，在傳感器2倍口徑處安裝固定支撐點；

4）將渦街流量計軸向旋轉適當角度，適當調整渦街流量計觸發電平；

5）在小管徑流量測量中可以采用彈性軟管連接渦街流量計。

5 渦街流量計的能耗分析

渦街流量計屬于阻力型流量計。它們阻礙流體的流動，使流體流經流量計時產生壓力損失，從而引起輸送單位流體所用的推動功的增加，即需要多消耗能量，實際使用的流量計多為阻力型流量計。

不同的阻力型流量計對流體阻礙作用的大小不同，阻礙作用的大小可由壓力損失表示。阻礙作用大的引起的能耗就大，如孔板、噴嘴流量計，渦街流量計次之。通常把能耗相對較小的流量計叫節能型流量計，相對于孔板、噴嘴流量計，渦街流量計能耗較小。從這三種流量計看，孔板流量計的壓損最大，通常為20~50 kPa；渦街流量計最小，通常為2~15 kPa。只有通過對流量計的能耗計算，才能了解每種流量計的能耗，也才能進一步比較節能型流量計節能量的大小。

5.1 測量液體時壓損及能耗計算[7]

由于液體介質可看作是不可壓縮性流體，壓力變化但密度不變。

1）用孔板時，壓損計算

2）用渦街時

由于不同資料上推薦的壓損計算公式略有不同，主要區別在于所用阻力系數不同，因此結果也不同，但差別不大，這里我們以下式計算:

5.2 測量氣體時壓損及能耗分析計算

若把氣體看作理想氣體，通過流量計的過程看作絕熱過程，則由工程熱力學可知：

壓損仍由式（6），式（8）計算。

表2 不同工況表格

介質類型流速壓力溫度密度管徑孔徑比孔板前后壓差電機和泵效率水38 m3/h717.5 MPa30 ℃994.6 kg/m350.8 mm0.54949 kPa0.85 空氣772 m3/h683 kPa52 ℃64 kg/h101.6 mm0.40349 kPa0.85 蒸氣5400 kg/h500 kPa151.84 ℃2.669 kg/m3100mm0.711860 kPa0.85

表3 能耗對比