减压阀振荡对涡街流量计的影响

涡街流量计现在已经得到广泛应用，尤其是在蒸汽和中低压气体的 纯水，污水流量 测量方面，占有重要地位。这是因为它具有精确度较高、范围度较宽、线性分度、无零点漂移，而且结构简单、牢固、安装维护方便等特点。与此同时，它也存在耐振性较差、脉动流影响严重、抗干扰能力弱等局限性，这就吸引着人们对它进行研究，取其所长，避其所短。

　　涡街流量计与调节阀(减压阀)安装设计在同一根管道上，两者经常容易碰到。如图1所示，来自锅炉房或热力公司的外来蒸汽，在测量流量后经稳压阀(或减压阀)，进入分配器，供各用汽设备使用。在流量调节系统中，流量计与调节阀直接连接，如图2所示。

　　从仪表的实际运行情况来看，调节阀(或减压阀)在运行中出现振荡的情况也时有发生。有的是在 流速仪 某些时段出现振荡;有的是在某一些开度出现振荡，而产生振荡的原因更是复杂多样。

　　按照引起振荡的原因分类，大致有以下几种原因[2-3]：

　　①阀芯存在不平衡力，而阀门又在小开度条件下工作，从而引起振荡，有时甚至发出啸叫;

　　②调节系统参数整定不当，引起系统等幅振荡，调节阀也振荡不停;

　　③调节阀的阀芯存在干摩擦，从而导致系统振荡;

　　④由于觉察不到的原因而引起的难以觉察的振荡。

　　振荡的幅值和振荡频率也有很大差异，但总的来说，振荡都会引起流动脉动，进而改变涡街流量计的输出。

　　1 阀门振荡对涡街流量计的影响

　　涡街流量计是最容易受流动脉动伤害的流量计之一。流动脉动从发生源经流体向下游或上游传递到涡街流量计，并作用在其传感器上， 明渠流量计 导致传感器输出脉冲数量额外增加，更严重的是涡街流量计还会出现一种“锁定”现象[4]。

　　1.1 脉动频率的影响

　　在分析流动脉动对涡街流量计影响时，脉动频率是重要参数，起决定性作用的是脉动频率fP与旋涡剥离频率fv的比值。当此比值较小时，具有近似的稳定流特性，旋涡剥离频率随流速变化，斯特罗哈尔数或校准常数不变。当脉动频率与旋涡剥离频率的比值较大时，就出现一种强烈的趋势，即旋涡剥离周期被“锁定”，即与脉动周期相同(fv=fP)或是脉动周期的一半

　　在锁定条件下，流量计输出停顿，流量指示误差可高达±80%。当脉动频率大大高于旋涡剥离频率时，无明显的锁定现象，但斯特罗哈尔数发生变化，造成稳定流校准数据明显偏离，达到10-1的数量级。
　　流速脉动幅值U′rms/U的试验数据表明，此幅值不能超过20%。其中，U′rms为流速脉动均方根值;U为轴向流速。脉动频率的限定是指在最低流速时，脉动频率应小于旋涡剥离频率的25%[2]。

　　1.2 涡街流量计测量脉动流流量

　　采取合适的阻尼方法将脉动衰减到足够小的幅值(通常为3%)是涡街流量计测量脉动流流量时常用且有效的方法。但当脉动幅值仍高于3%时，可对测量不确定度进行估算，然后对误差进行校正。

　　脉动引起的锁定现象应设法避免。可行的方法有两个：一是制造发生体较窄的涡街流量计，提高仪表的输出频率，从而使旋涡剥离频率同脉动频率错开得远一些;二是采用插入式涡街流量计测量大管径流量。在相同流速的条件下，小口径流量计输出频率比大口径高若干倍。因此，采用插入式涡街流量计也能将旋涡剥离频率同脉动频率有效错开。

　　1.3 测量不确定度的估算

　　如果fv/fP<0.25，且U′rms/U<0.2，测量不确定度约为1%;如果fv比fP高得多，但无明显的锁定现象，流速脉动幅值在0.1～0.2之间，则误差可能为流量示值的10-1的数量级。

　　2 应用实例

　　为了增加读者对调节阀(减压阀)振荡对涡街流量计影响的感性认识，下面列举两个来自使用现场的实例。

　　2.1 调节系统振荡引入的脉动及其克服方法

　　上海米其林轮胎公司新建两台35t/h锅炉供3.9MPa饱和蒸汽。蒸汽流量使用涡街流量计测量，仪表配置如图3所示[5-6]。锅炉投入运行后，各路蒸汽分表的示值之和与总表经平衡计算的差值≤1%R，发汽量与进水量平衡测试结果也令人满意。运行三个星期后出现了新情况，即去除氧器的一套蒸汽流量计示值有时会突然跳高，从而使分表之和比总表示值高约20%。

　　在现场了解情况时，仪表人员观察到了流量计示值突然跳高的现象。从记录纸上可清楚看出，测量范围为0～10t/h的除氧器耗汽流量，正常时在3t/h左右波动，最高时也未高于5t/h;但在异常情况发生后，流量示值突然跳到10t/h以上并长时间维持此值。

　　仪表人员立即到蒸汽分配器处观察，发现去除氧器的一路蒸汽管有异常的振动，管内压力有周期性的小幅度摆动。仪表人员又到除氧器处观察，其蒸汽系统如图4所示。

　　3.9MPa蒸汽经压力调节器直接作用，减压到0.6MPa后，再经用于除氧温度控制的偏芯旋转阀送出。观察发现，经减压后的蒸汽压力在0.1～0.8MPa之间大幅度、周期性地摆动，周期约4s;而偏芯旋转阀阀位并无明显摆动。显然，压力振荡是由直接作用式压力调节系统振荡引起的。

　　因此，建议热力工程师将减压前的切断阀缓慢关小，直至振荡停止，流量示值也就恢复正常。分析上述现象，归纳如下。

　　①流量示值突然跳高是由于流体从定常流突然变为脉动流。

　　②脉动流的形成源于减压阀振荡。

　　③减压阀振荡是因其两端压差大，阀门开度小，阀芯还可能存在一定的干摩擦。

　　④关小调节阀的上游切断阀后，减压阀开度增大，振荡停止。这是因为阀门开大后，减压阀两端压差减小，等效放大系数相应减小。

　　⑤减压阀应尽早拆开检查，改善干摩擦、清除卡滞，以彻底消除产生脉动的根源。

　　2.2 减压阀引入的脉动及其克服方法

　　该实例发生在上海的一幢88层大厦。大厦所属锅炉房经分配器向洗衣房供汽。因蒸汽压力太高，所以中间设置了一个直接作用式减压系统。减压与流量测量系统如图5所示。

　　该系统投运后的最初几年，运行一直良好。白天和上半夜，洗衣房开工，蒸汽流量在1.0～2.5t/h之间波动;后半夜收工后，流量减为0.2t/h左右。

　　但在2007年1月的一次停车小修之后，情况发生了变化。其中，开工期间的流量变化范围并无异样，而停工期间的流量示值却大幅度升高，甚至比开工期间的最大流量还要大。因此，有关人员特地在收工期间进行检查。典型流量曲线如图6所示。

　　分析减压阀异常原因过程中，因为不论流量大与小，减压阀后的压力总是稳定在0.4MPa，所以，人们一直认为它是好的，没有怀疑的必要。但在一筹莫展的情况下，不得不开始怀疑减压阀。于是，通过阀门V3对出口压力进行控制，而将阀门V2逐步关小，直至关死。待切换完毕，流量示值跌到0.2t/h以下，从而真相大白。后来，维修人员更换了减压阀的金属膜片，最终处理了故障。

　　这一故障的处理带给笔者的启发大致有以下几条。

　　①一台减压阀能将出口压力(或进口压力)稳定地控制在规定值，从而完成其主要任务，但不能因此而忽视其对流量测量可能存在的影响。

　　②一台减压阀在开度大的时候可能对流量测量不存在影响，但不能因此断定在开度小的时候也不存在影响。因为阀门前后的压差不同、开度不同、管网的配置不同等，都可能影响减压阀的稳定性。

　　③减压阀是否振荡，通常观察它是否存在明显的振动，阀芯是否存在明显的抖动，是否发出振荡叫声。但即使无振动、无抖动也无叫声，也不能作出不振荡的判断。

　　④检验减压阀是否振荡并对涡街流量计产生干扰，最可靠和简单的办法就是跳开减压阀，改由旁通阀控制。

　　⑤减压阀振荡(或仅在某一开度存在振荡现象)导致涡街流量计示值偏高，是由于振荡引起流动脉动，干扰涡街流量传感器的工作。

　　⑥解决减压阀振荡的方法是对减压阀进行维修或改善其工作条件，使振荡条件不成立。