高流速蒸汽对涡街流量计的影响

   目前，涡街流量计广泛运用在蒸汽计量上。涡街流量计是一种发展比较成熟的流量计，其主要优点有：无可动部件，结构简单牢固，安装方便，维护费用较低，量程比一般在10∶1以上，精度也相对较高，测量气体一般在1.0级到1.5级之间，测量液体一般在1.0级。

   在多年的检定工作中，我们发现有人使用了一个蒸汽涡街流量计的漏洞，在保持涡街流量计计量管段原封不动的情况下，只在蒸汽出口处做文章，即可致使涡街流量计计量严重偏小。

   图1中我们看到在涡街流量计计量段，没有任何修改，而在其后的大型储气罐却大有文章。整个系统根据储气罐内压力变化来对前后阀门分别进行自动控制，从而进行一套充气、放气、再充气、放气的循环操作。整个循环过程是：开始时，储气罐是空的，阀门1、阀门2都关闭。然后阀门1快速打开，上游0.8MPa的过和热蒸汽剧烈充入空罐。然后储气罐充气渐满，压力升高至一定压力后，关闭阀门1，打开阀门2，让储气罐中蒸汽排出以供使用。这样操作的目的主要是使大部分流过涡街流量计的蒸汽以极高流速通过。

   为什么这样会使蒸汽流速达到非常高的程度呢？而涡街流量计在高流速下计量会有什么问题呢？

1 分析蒸汽的流速

   临界压力比是分析管内流动的一个重要数值，蒸汽在出口外的背压pb与临界界面前的进口压力P1之比小于或等于临界压力比时，在临界截面上，蒸汽流速达到临界值音速c。

   当过流气体为过热蒸汽时：k=1.3，γcr=0.546

   pcr称为：临界压力。

   所以我们得到：通过降低背压比，能让通过蒸汽的流速提升到相对于涡街流量计来说非常高的程度，甚至达到音速，过热蒸汽音速可以达到500m/s以上。

   从热网过来的蒸汽压力一般高于0.8MPa，而在储气罐开始充气时，罐内压力几乎为常压。根据蒸汽的临界流原理。蒸汽管道和容器的前后压力比只要低于临界压力比γcr=0.546，那么管内蒸汽的流速将达到音速。在这个案例里，储气罐内压力按充气阶段中后期才逐渐升高到的0.4MPa来计算，背压比为0.5。也就是说，在大部分蒸汽通过阶段，背压比都小于0.546，蒸汽的流速都保持在音速，音速是大大超过涡街流量计测量流速上限的。通过这样一个办法，即能大幅度提高通过涡街流量计的蒸汽流速，致使涡街流量计计量严重偏少。不法用户还狡辩，我的所有计量器具都通过了国家法定计量检定机构的检定。确实，这种情况，单是检定流量计是无法发现问题的。我们可以判断，介质的高流速对涡街流量计的计量性能产生了很大的影响致使其计量不准。为什么这么说呢？我们再来分析气体的高流速对涡街流量计的影响。

2 涡街流量计工作原理

   在流体中安放漩涡发生体，流体在漩涡发生体两侧交替地分列出两列有规律的交错排列的漩涡，在一定雷诺数范围内，改漩涡的频率与漩涡发生体的几何尺寸有关，所产生的漩涡频率f 正比于流量，此频率可由各种传感器检出。

   涡街流量计就是利用卡门涡街原理，得到如下关系：

   式中：b ——阻流件的宽度，m； ——流经流量计的流体平均流速，m/s；f ——漩涡的频率，Hz；Sr ——斯特罗哈尔数（无量纲）。

   斯特罗哈尔数为无量纲参数，它与漩涡发生体的形状及雷诺数有关。图3所示为三角柱漩涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系。

图3 斯物劳哈尔数与雷诺数关系曲线

   由图3可见，在Re D=2×104～7×106范围内 ，斯特劳哈尔数可视为常数。我们使用的涡街流量计都是在斯特劳哈尔数视为常数的这个范围内设计的。因此我们使用涡街流量计时一定要避免测量介质的雷诺数在2×104～7×106这个范围外，超过这个范围，斯特劳哈尔数不再是常数，涡街流量计测得的频率与流速也不再是简单的正比关系。也就是说，超过雷诺数2×104～7×106这个范围，便违反了涡街流量计的设计原理，这时候涡街流量计是不能正常计量的。因为雷诺数与介质流速有关，所以我们具体到介质流速的话，对于蒸汽来说，涡街流量计的流速测量范围控制在5m/s～60m/s之间，好的涡街流量计量程上限最多再往上延伸20%。因此在选型涡街流量计的口径和流量测量范围时，要保证满足这个流速限定。绝大部分涡街流量计对于高流速介质是没有办法计量的。所以上诉案例中，用普通涡街流量计去计量音速下的蒸汽，得到的结果是完全不可信，不能用的。

   涡街流量计是一种数字仪表，是通过传感器来检测漩涡频率的。流量计的电气性能必须要工作在适宜它的条件下。我们来看看在高流速下，涡街流量计检测漩涡频率的情况。引用一个高流速下涡街流量计的实验。该实验在采用在线实时频谱分析时发现：在口径为DN80及其以下的管线上，经常会出现高于80m/s的高流速，其中有近一半的出现超过100m/s的高流速，更有甚者，流速高达180m/s。一般的涡街流量计在通过介质流速过高时，会发生剧烈的漏波现象，因而产生难以估算的误差。

   从图4上看漏波的结果就是检测到的脉冲不再连续，发生了漏缺。所以这种情况下，测量结果的趋势是一般都是偏小。在高流速下，漩涡发生体后的流体运动更加复杂。涡街传感器检测信号需要一定的清晰度，如果流速过高，流场变得更加复杂。此时传感器将受到严重干扰，目标信号清晰度急剧下降，使涡街流量传感器测不准或者测不到。

   我们可以看到，高流速下的涡街流量计的漏波十分明显，正是利用了涡街的这个漏洞，让涡街流量计在超高流速下大量漏波，致使最后得到的流量远小于实际流量。

   除了是上述案例中的装置，还有一种把蒸汽直接放入水池中加热水的热水站，采用了手段这些都是为了设法让蒸汽出口的压力骤降，得到突然变小的背压比，以大大提高蒸汽的流速。即使达不到音速，也远高于涡街流量计的测量上限，导致涡街流量计的不正常工作。因此为了保证涡街流量计正常计量，我们必须重视涡街流量计的测量范围，管内流速必须限定在涡街流量计的测量范围以内。

   对于那些在后端搞压力骤降提高蒸汽流速的，可以想办法把蒸汽流速限定在合理范围内。比如采用限流装置，在涡街流量计后方管线上安装临界流文丘里喷嘴。

   当蒸汽通过临界流文丘里喷嘴时，在喷嘴上、下游压力比如果小于或等于该喷嘴的临界压力比时，喷嘴喉部形成临界状态，流过喷嘴的蒸汽质量流量达到最大。这时蒸汽的质量流量不受下游状态变化的影响。根据这个原理，我们把临界流文丘里喷嘴安装在可能会发生压力骤降的管段前，就能稳稳的限死上游通过涡街流量计的最大流量了。而选用文丘里喷嘴的原因是能够减少压力损失。