蒸汽流量表在工程应用中要应对一系列问题及相关解决方法

蒸汽流量表是根据卡门涡街原理研究生产的，主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器,可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的测量仪器。
1、蒸汽流量表抗管道振动和流体振动问题
振动问题是衡量一台蒸汽流量表工业应用好坏的一个重要指标。目前,很多工业用户之所以对蒸汽流量表的应用失去信心,在很大程度上是由于振动因素影响。工业中的振动是普遍存在的,目前较先进的蒸汽流量表都有一定的抗振动能力,对于一般的工业振动大部分都能消除。一般的工业振动频率大都在几赫到几千赫,蒸汽流量表的漩涡频率正好落在这个范围之内,
本文以电容式、压电式、超声波式蒸汽流量表为例来说明其抗振性问题。
1.1电容式蒸汽流量表抗振动问题
电容式蒸汽流量表以E + H公司生产的Prowirl70为代表,它采用差动开关电容(DSC)传感器,用来检测漩涡压力脉冲,差动电容结构如图1所示:
抗管道振动和流体振动能力:当振动方向在纵向(顺流向)或与漩涡发生体轴线相平行的方向振动时,由振动所产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动体都在同方向产生挠曲变形,由于设计时保证了振动体与电极几何结构与尺寸相匹配,使它们的变形量一致,差动信号输出为0,从而使这两个方向上的振动所产生的影响基本消除了。
但是,抗横向(与漩涡升力方向一致)振动能力仍然很弱,因为在某一时刻,往复振动只在一个方向上对振动套筒发生应力,如果振动明显,必然在输出信号上迭加振动分量,使输出信号偏离真实值。电容式蒸汽流量表在频率范围为1～500Hz的纵向以及与发生体轴线相平行的方向的任何振动以及高达1g振动加速度冲击基本能够消除,所以本流量计具有二维方向的抗振动补偿功能。
1.2压电应力式蒸汽流量表抗振动问题
压电应力式蒸汽流量表以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型为代表。
1.2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振动设计
YOKOGAWA的YF100E采用两片圆形压电元件,它们上、下封装在漩涡发生体内部(不与流体直接接触),以此来感受漩涡升力和振动应力。每片压电元件沿中性面分割成两个对称的半圆,分别处于中性面的两边,且极化方向相反。两片压电元件采用并联方式,每片压电元件的两半片组成一个电极,两电极从上下两片极性相反的电荷而引出。三个不同方向的振动力产生的电荷信号极性如图2所示:
a振动方向与漩涡升力方向相同。此方向上的振动噪声不能完全消除。
b振动方向与流体方向相同。此方向上的振动不能产生噪声信号。
c振动方向与发生体轴向平行。此方向上的振动不能产生噪声信号。
由此可见,YF100E同样能抗二维振动(流动方向上及与发生体轴向平行的方向上),但抗横向振动(升力方向)能力仍然较弱。
1.2.2　F+P的VT/VR抗振动设计
F+P蒸汽流量表采用对称差动传感器设计消除振动影响,即用四只压电敏感元件构成涡街传感器,以安装法兰为中心,两对反并联压电元件封装在上、下对称部位,每对压电元件又以中性面为中心,分置中性面两侧,如图3,当振动作用在X方向或Z方向时,四只压电元件产生电荷相互抵消,如图4,起到了X方向及Z方向的振动补偿功能。当漩涡升力交替作用在Y方向上时,只有中性面下两片压电晶体产生差动电荷信号,如图5,由于两片压电片为并联方式,所以输出信号加倍。
当振动信号作用在Y方向时,显然振动信号迭加到漩涡升力上,此方向的振动仍不能克服。
由此可见,此传感器结构具有抗X方向, Z方向二维振动能力,对Y方向的振动干扰能力很弱。Rosemount 8800A智能蒸汽流量表采用质量平衡结构从机械上消除管道振动(或流体振动)影响,与YF100E相似,它只能克服流动方向及与漩涡发生体相平行方向的振动,而对升力方向上的振动仍然无法彻底克服。
总之,压电式蒸汽流量表具有二维方向(顺流向和漩涡发生体相平行方向)抗振动能力,无论如何,它抗升力方向上的振动仍然是很弱的。
1.3超声波蒸汽流量表——真正的抗三维振动蒸汽流量表
超声波蒸汽流量表目前成熟产品的厂家有日本OVAL公司(气体),东机工公司(液体),横河电机的UYF (液体)。
利用超声波作为检测元件的蒸汽流量表是将超声波发射源和超声波接收器按一定位置安装在壳体外,如图6。当漩涡通过超声波线束时,接收器接收到的超声波线束速度发生变化,检测速度变化的频率作为漩涡的频率信号,通过电子线路处理输出能够远传的信号。由于避开了检测漩涡升力的方法,故它有别于压电应力式、电容式涡街检测方法,即使配管振动和流体振动在各部位产生应力,也不会产生敏感的噪声信号,故获得本质上的高抗振性,而其测量精度和结构尺寸等指标也与其它蒸汽流量表相似,本流量计具有良好的抗三维振动能力,抗振动加速度达3g以上。
综上所述,电容式、压电应力式、超声波式蒸汽流量表都有较好的抗振动能力,是目前市场上比较的品种。电容式和压电应力式只能抗二维振动,而超声波具有抗三维振动能力。因此,在一般场合,小于1g振动加速度,振动频率小于500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有强烈的振感,有握不住的感觉),三种流量计都能满足要求,但在振动特别强烈的场合,或有升力方向振动的场合,选用超声波蒸汽流量表则是比较合适的。
必须特别指出,由于振动加速度是振幅和振动频率的函数,管道振幅小,振动加速度小;振动频率小,加速度亦小,反之亦然。管道支撑只能减小振幅,但不能减少振动频率。因此,在选择流量计安装位置时,振动频率是一个不可忽视的因素。好在一般工业频率都比较低(从几赫到几千赫),只要振幅不是太大,以上几种型式的蒸汽流量表均可以满足要求。同一种尺寸的蒸汽流量表,用在液体上的抗振动能力比用在气体上强,这是由于气体密度小,所产生漩涡升力较小的缘故。同样,用在大流量上比用在小流量计抗振性强,因为大流量产生的漩涡比小流量更强烈。因此,根据介质密度和流量选择蒸汽流量表时要加以注意。
必须特别注意抗二维振动的蒸汽流量表的安装,如果水平安装的蒸汽流量表其振动干扰方向是与漩涡发生体相平行的方向,(此方向的振动是可以消除的),但是,当将蒸汽流量表转过90度,则与漩涡发生体相平行的方向上的振动对蒸汽流量表来说则变为升力方向的振动了,会产生明显的振动干扰信号,这是不允许的。很多蒸汽流量表厂家说明书声称其流量计可以任意角度安装,恐怕此种说法欠妥。除非系统没有任何振动或振动干扰很弱,在这种情况下是可以任意角度安装的,否则,应避免振动方向与漩涡升力方向相一致的安装。
2、蒸汽流量表的选用问题
蒸汽流量表的选用要结合工艺介质的特点、流量计的性能、经济性、安装及环境五个方面来考虑。一般专业技术人员在选用蒸汽流量表时大都考虑了这五个方面的因素,在此不再赘述。需要特别指出的是,对于电容式、压电应力式和超声波式蒸汽流量表在选择时还要注意以下问题:
2.1对于介质中含有粉尘和固体颗粒或悬浮物的流体不易选择电容式蒸汽流量表。因为在漩涡发生体两侧有两个导压小孔,容易堵塞。例如,本体法生产聚丙烯,其循环丙烯中含有聚丙烯粉末,选用电容式蒸汽流量表则引起了导压孔堵塞,使信号输出为0。凡是带有导压小孔的其它蒸汽流量表具有相似的情况,如Eestech公司生产的热(磁)敏式蒸汽流量表。
2.2蒸汽流量表的选择不仅要考虑被测介质的温度,还要考虑检修吹扫管线时吹扫介质的温度,这一点常常容易忽视。蒸汽流量表的被测介质温度可能是常温,但是在检修时需要用蒸汽吹扫管线,蒸汽的温度在150℃以上,如果选型时只考虑到介质的温度而选择适用温度范围低的蒸汽流量表,在检修吹扫管线时,就有可能损坏敏感元件。
2.3超声波蒸汽流量表虽然抗振性强,但适用温度范围不如电容式和压电应力式宽,一般不超过200℃,如果被测温度超出此范围,则可能损坏超声波探头。另一方面,超声波流量计不易用在含有过多气泡的液体或含有杂质的液体测量中。因为含有过多气泡的液体,超声波不易穿过,可能造成测量上的困难甚至不可能测量。液体中含有异物会对超声波起到慢反射或吸收作用,也影响测量的准确性。
2.4在使用状态下,如果被测介质有明显的脉动,如罗茨风机、压缩机出口流量,则不易选择超声波蒸汽流量表。因为超声波蒸汽流量表对小流量敏感度很高,在这种场合使用,会使输出信号不稳定而失真。
2.5在液体中混有大量气泡的场合,不易选用各种蒸汽流量表。
3、蒸汽流量表的安装问题
蒸汽流量表的安装要考虑流量计的定位、液体流向、上游及下游直管段长度、配管直径、环境影响(温度、电磁幅射、腐蚀等)、振动情况、阀门的安装、管道支撑等因素。一般要求流量计口径和配管直径一致且同心,上游直管段长度通常取决于上游阻力件(缩管、扩管、弯头、阀门)形式,一般上游直管段长度要保证20D,下游为5D。当上游阻力件为闸阀或截止阀时,必须保证上游直管的长度不少于40D。流量计的安装地点要避开高温、腐蚀、电磁幅射、振源,当振动强烈时还应考虑加支撑以减少振幅的影响。在把蒸汽流量表用于控制回路测量时,推荐把流量计装在调节阀的下游测。
通常为了避免振动或不可预知的原因,在流量计上游侧安装节流圈、膨胀段或储罐,以部分吸收流体的振动和冲击,这在控制回路中尤为重要。另外,当预知某一方向振动后,应避免将流量计安装在漩涡升力方向与振动方向一致的地方,这点特别引起注意!
超声波蒸汽流量表处于水平管道安装时,应使超声波探头处在水平管道两侧的中间位置(即漩涡发生体处于上下垂直位置)。这样做的理由在于,气泡易于集聚在管道的上方,大的异物则沿管道底部流动,它们都将妨碍超声波穿过。这种安装方式,有效避免了以上现象的出现,给测量带来好处。
4、适用介质问题
一般蒸汽流量表可以测量气体、液体和蒸汽介质流量,但由于各种介质特性千差万别,传感器结构形式各异,其适应性也不同。压电应力式和电容式蒸汽流量表应用范围较广,但在测量低密度(如H2)和低流速气体时,由于受到漩涡能量的限制,发生漩涡不强烈,信号比较低;电容式蒸汽流量表由于存在两个导压小孔,不易测量脏物介质流;超声波蒸汽流量表虽然能测量低流速介质流量(>0.2m/s),但对脉动流比较敏感;热敏式蒸汽流量表灵敏度高,适宜于低温(<120℃)低密度气体测量,但因热敏电阻用玻璃封装、机械强度低。另外,当检测元件被流体污垢,检测灵敏度降低,甚至无信号输出,所以要针对不同介质的特点,选择合适的流量计。
5、高温介质测量问题
很明显,超声波蒸汽流量表由超声探头不能耐高温,因此,它不能用于高温介质测量,它目前的测温上限达200℃(YOKOGAWA UYF)。压电式蒸汽流量表的测温上限一般不超过300℃,但超过300℃,压电元件长期处在高温下,其传感器的绝缘阻抗急剧下降,输出信号变小,低频特性恶化,抗干扰能力大为降低。这是由于压电晶体多为锆钛酚铅系列压电陶瓷(PZT),它的居里点(失去压电效应的温度)较低,只有300℃。另外压电陶瓷除具有压电性能外,还具有热释电性(即温度变化也将引起电荷变化),在高温下,热输出是一个非常讨厌的噪声源。相对来说,电容式蒸汽流量表具有较好的高温测量能力,它的测温上限达400℃。电容检测元件有很好的耐高温性能。
另外,无论哪一种蒸汽流量表,当其用于高温测量时,由于温度变化使流量计的流通截面积发生变化,因此,必须对流量系数做修正
6、介质温度、压力变化场合应用问题
由于蒸汽流量表测量的是流过管道流体的体积流量,当流体温度、压力变化频繁时,必然引起密度发生变化,因此,必须对测量结果进行修正。这通常要借助于智能仪表或计算机,内藏温度或压力补偿公式,压力测量点和温度测量点选在流量计下游2D～7D的地方。
7、管道内径D与流量计口径d的匹配问题
保证管道内径与流量计口径相同是制造厂家对用户使用蒸汽流量表的基本要求。但实际应用表明,由于国外制造厂家流量计口径标准不一,如DIN (德国标准)、JIS (日本标准)、ANSI (美国标准),这些标准的管道内径与我国GB标准管道内径在同一公称通径下存在差异。另外,公称通径相同时,由于压力等级要求不一样,管子的壁厚也不一样。如英制管SCH40、SCH80两种管号在同一公称通径下其内径不同。用户在选择和安装蒸汽流量表时常常忽视管径匹配问题,因而,容易引起附加误差。
总之,应尽量选择合适的管道内径使之与流量计口径相一致,这样可以避免因管径异变带来的误差。
8、蒸汽流量表代替孔板差压流量计问题。
孔板流量计在目前流量测量家族中占有重要地位,它是工业生产中使用广泛的一种流量计。蒸汽流量表是后起之秀,由于它有许多无可比拟的优点,它的出现对孔板流量计产生了强有力的冲击,但两种流量计各有特点,文献[4]对这两种流量计的性能做了详细评价,在许多场合用蒸汽流量表代替孔板流量计是适用的,但是在一些场合,蒸汽流量表无法取代孔板流量计。在一些特殊场合使用孔板比蒸汽流量表要好。在其他大部分场合,完全可用蒸汽流量表来代替孔板流量计测量流量。
9、蒸汽流量表日前需要解决的问题
蒸汽流量表在工程应用中所暴露的某些问题,迫使各生产厂家发展更为实用和完美的蒸汽流量表,这要依赖于新技术、新工艺、新材料的发展。
1采用全数字化现场总线(fieldbus)技术。目前的蒸汽流量表所采用的HART通讯协议是一种过渡产品,并不代表现场仪表的发展方向。HART协议是一种4～20mA模拟信号与数字通讯信号兼容的标准,它采用频移键控(FSK)技术,在4～20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波,以频率为1200HZ和2200HZ的正弦电流信号代表1和0,通讯信号只用于传递辅助信息和诊断信息。由于所叠加的正弦波信号平均值为0,所以数字通讯信号不会干扰4～20mA模拟信号。采用现场总线技术后,传递信号完全实现了全数字化,省去了A/D (或D/A)转换环节,避免了模数转换误差,精度进一步提高。另一方面,由于内藏CPU,可实现多种控制算法,从而可实现就地调节,省略了调节器以及大量电缆。因此,带有现场总线技术的蒸汽流量表,前景不可估量。
2采用数字动态滤波器,随时跟踪涡街信号频率,既使在十分恶劣的应用环境中仍能提供高分辨率的信号,明显优于传统的低通和高通滤波器。
3采用先进的传感器结构,消除任何方向的抗振动干扰,真正实现抗三维方向的振动流量计。
4敏感元件完全不与流体接触,可在出现故障时随时更换,方便拆卸。
5省去外供电,内藏高能电池,在任何不易提供电源的地方也能方便使用。
6实现真正的广义通用性,蒸汽流量表的电路板及敏感元件完全通用,节省备件数量,而且一台蒸汽流量表既能测量不同温度下的液体流量,也能测量气体和蒸汽流量。
7无空洞设计,避免脏物介质的堵塞,敏感元件布置在管外,全焊接结构表体,从而消除任何仪表泄漏。
8实现真正质量流量测量,发生体内藏温度元件和压力元件,可对流体温度和压力的变化而引起密度的变化实现自动校正。
9无需标定,一个出厂的K系数可保持长期稳定。
10温度范围进一步拓宽,允许测量更多的过程介质。
蒸汽流量表目前的技术水平已发展到可在控制回路中较好地应用。但是,由于所处环境、工艺介质及管路系统等复杂性,真正应用好蒸汽流量表,还需要广大用户在实践中不断摸索。可以相信,随着制造工艺、新材料和微处理技术的发展,新一代的蒸汽流量表必将展示出更加优异的性能。为越来越多的用户所接受,未来的流量测量领域,蒸汽流量表必将占有重要的一环。