渦街流量計氣體測量的影響因素分析與改進

上海自動化儀表計量作為源頭節(jié)能的重要一環(huán)，其測量準確性、科學性及其關(guān)鍵。本文通過分析影響渦街流量計在氣體測量數(shù)據(jù)準確度的幾個因素與控制措施應(yīng)用，對有效提高渦街流量計在氣體測量中的準確性進行研究，進而達到控制、降本減費的目的。

煉化企業(yè)生產(chǎn)過程中，蒸汽、氮氣、氧氣、壓縮空氣各類公用工程氣體用量大、能耗高，如何有效控制其用量，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、推進源頭減排、推進高質(zhì)量發(fā)展不容忽視的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)計量中，超聲流量計、差壓式流量計、渦輪流量計和渦街流量計等是氣體計量的主流儀器。其中，渦街流量計因具備無轉(zhuǎn)動部件、安裝簡便、運行穩(wěn)定、適用性強、維護成本低、準確、測量范圍大等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)

渦街流量計是速度式流量計的一種，一般按測量流量頻率輸出方式劃分為 ：應(yīng)變式、電容式、超聲式、應(yīng)力式、光電式及熱敏式、振動式等[3] ，由傳感器和變送器兩部分組成，是利用旋渦發(fā)生體在流體中產(chǎn)生滿足雷諾數(shù)為2*104～7*104范圍的交錯旋渦，通過對一定條件下旋渦分離的頻率f與發(fā)生體側(cè)平均流速及旋渦發(fā)生體寬度d的固定關(guān)系，通過qf公式測量出體積流量。

溫壓補償渦街流量計

2 影響分析與改進

渦街流量計決定了其測量準確性受到機械振動、信號傳輸、被測介質(zhì)、安裝位置方式以及流體流動狀況等多種因素影響。

2.1 管道振動

某烯烴生產(chǎn)企業(yè)在儲罐內(nèi)儲存輕質(zhì)石腦油作為生產(chǎn)原料。為避免罐存石腦油揮發(fā)排放，減少大氣污染，降低儲存損失，故使用低壓氮氣進行氣封，企業(yè)采用渦街流量計測量用氣量。由于工藝原因，造成石腦油儲罐罐位頻繁變化，低壓氮氣不定期進行補充，且用量不穩(wěn)定。使用過程中發(fā)現(xiàn)儀表測量量與理論用量有較大差異。經(jīng)觀察，當停止補氣時，流量計仍存在計數(shù)現(xiàn)象，但儀表經(jīng)檢定結(jié)果合格，且安裝符合技術(shù)要求。實地排查發(fā)現(xiàn)，距氮氣管線50米處有4臺原料輸送泵，當啟泵輸送原料時，產(chǎn)生較大振動。測量工作原理決定渦街流量計是一種振動型流體測量儀表，除測量信號為壓電晶體形式測量的渦街流量計，其它種類渦街流量計對振動較為敏感。由于渦街流計傳感器輸出的脈沖頻率與流速呈正比例，同時測量旋渦與被測流體的密度和流速的平方呈正比例，所以當測量低于臨界流量時，由于渦街流量傳輸信號的脈沖頻率較低且頻率振幅較小，被低頻的機械振動所干擾而影響比較嚴重,其疊加輸出信號與真實信號相對誤差較大；隨著流量的不斷增大，其測量傳感器信號脈沖頻率也相應(yīng)變大，且信號頻率幅值也相應(yīng)增大，受到低頻的機械振動干擾影響量相對比逐步減小，輸出信號相對誤差也隨之變小[2]。當渦街流量計在所安裝的位置附近出現(xiàn)了管道上的振動時，它可以分別采取以下三種方法予以減小或消除：

（1）增設(shè)管道固定支架，限制管道振幅；

（2）調(diào)整儀表電路的設(shè)定狀態(tài)，力求排除振動影響；

（3）如以上兩種方法無法消除時，可根據(jù)其抗振動能力的不同，在安裝管線上的流量計方向加以調(diào)整，渦街流量計發(fā)生體方向的抗振能力強，而發(fā)生體垂直左右方向及橫向力作用的方向差。觀察或測量管道的主要振動方向，旋轉(zhuǎn)流量計，直到發(fā)生體與此主振方向重合，把儀表固定在該方向上，盡可能減小管道振動對流量計測量的影響。

法蘭連接溫壓補償渦街流量計

2.2 信號傳輸

某化工廠使用一臺渦街流量計對氧氣進行測量，使用過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場讀數(shù)與DCS顯示流量存在差異，對現(xiàn)場工藝調(diào)整造成困惑。經(jīng)檢查流量計與DCS參數(shù)設(shè)置一致，流量量程均為（0～60）m3/h。測量現(xiàn)場儀表信號輸出為12.48mA，核算理論流量為31.80 m3/h，現(xiàn)場儀表顯示正常。測量DCS信號接收為12.35mA，核算理論流量為31.32 m3

/h，DCS顯示正?！，F(xiàn)場觀察渦街流量計距DCS控制室直線距離不足700米，但信號線管廊距離為1200米左右，并采用一般兩芯電纜進行信號傳輸。

2.3 測量介質(zhì)（蒸汽測量從壓力溫度查表確定是否過熱）

一用熱企業(yè)采用DN250口徑渦街流量計監(jiān)督1.0MPa蒸汽用量，計量過程發(fā)現(xiàn)監(jiān)督表量低于計量表量，差率2.5%左右。檢查監(jiān)督表無異常、供熱單位計量表性能符合計量技術(shù)要求。查工況運行條件發(fā)現(xiàn)，計量表運行壓力為1.02MPa，溫度為213.05℃，監(jiān)督表運行壓力為1.00MPa，溫度為178.13℃。經(jīng)查閱蒸汽特性發(fā)現(xiàn)，壓力在1.0MPa的蒸汽飽和溫度為184℃以上。說明從計量表至監(jiān)督表輸送過程中，由于熱量散失與流動阻力，致使蒸汽溫度下降，形成不飽和蒸汽，造成監(jiān)督表測量為氣液兩相流。

目前流量測量儀表大多對單相流體進行測量，而渦街流量計也不例外。當發(fā)現(xiàn)被測介質(zhì)存在二相流動現(xiàn)象時，其測量誤差將出現(xiàn)明顯偏移。如測量遠距離輸送的過熱蒸汽時，因為傳輸距離遠，管道保溫不良或彎頭、閥門、分支多等原因，均可引起蒸汽流動阻力過大，從而導致過熱蒸汽在輸送過程中的工作溫度逐步下降。當蒸汽從過熱狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時，介質(zhì)中會出現(xiàn)冷凝的不均勻水滴。而冷凝水的標準密度遠遠大于過熱蒸汽標準密度，從而直接導致渦街流量計測量過熱蒸汽流量明顯由大變小。應(yīng)對易于液化氣體介質(zhì)進行增加背壓、改善保溫或同時加裝氣液分離設(shè)備等措施，并對被測介質(zhì)的工作溫度與工作壓力進行監(jiān)督，防止二相流體出現(xiàn)。

2.4 流體狀況

流量計確保正常工作的流體要素：（1） 被測流體具備無旋渦、充分滿足湍流速度分布、流速軸均勻分布的特點;（2）測量介質(zhì)為單項流，且應(yīng)充滿測量管道;（3） 流量基本穩(wěn)定，避免出現(xiàn)脈沖流。（4）符合牛頓流體[4]要求;流量計在測量過程中如無法完全滿足以上四種條件將會導致流量計測量附加誤差同時產(chǎn)生。在工藝現(xiàn)場流體流動特性常是難以滿足以上要求，將不可避免的會造成測量附加誤差的增大，且量值增大多少難以通過定量分析確定。因此在現(xiàn)場儀表安裝設(shè)計應(yīng)盡可能加大測量儀表前后直管段或加裝整流設(shè)備，使流體趨于測量條件要求。

法蘭卡裝渦街流量計

2.5 氣體標況測量附件

目前，煉化企業(yè)氣體計量交接多采用標況體積量結(jié)算，需引入介質(zhì)溫度及壓力進行換算。部分廠家產(chǎn)品能夠測量標況量，但多采用溫壓定值計算，對于溫度、壓力穩(wěn)定流體，可以較為準確進行測量，但絕大部分流體會隨著氣候變化、工藝變動而產(chǎn)生較大差異。為了確保測量數(shù)據(jù)更加準確，各企業(yè)多使用在線溫度、壓力信號引入二次儀表進行實時補償計算。

某煉化企業(yè)采用口徑150mm渦街流量計測量低壓氮氣，其介質(zhì)傳輸設(shè)計標準為壓力0.70MPa、溫度25℃，待使用方安裝同一口徑、同一廠家渦街流量計進行比對，發(fā)現(xiàn)其比對差率嚴重超差（表1）。

壓力整改前主輔比對差率

現(xiàn)場檢查主計量、溫度及壓力發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場壓力取壓點設(shè)置于表前，且位于DN300與DN150變徑大管徑處。根據(jù)廠家安裝說明，壓力取壓點應(yīng)設(shè)置在表后4D處，根據(jù)JJG1029《渦街流量計檢定規(guī)程》，壓力的測量位置應(yīng)設(shè)置在流量計下游側(cè)（2～7）D處。 經(jīng)廠家計算，在此工況下，流量計壓損為15.07kPa。同時根據(jù)流體特性及流速計算，由于管道變徑同樣造成（2～3）kPa的壓力損失。由此引入測量誤差理論計算：15+2/80×100%=2.13%。（15kp為儀表壓損；2kp為變徑壓損；800kp為介質(zhì)壓力）。

3 結(jié)束語

石油石化行業(yè)是國家能源安全的命脈，上海自動化儀表直接關(guān)系著我國經(jīng)濟社會發(fā)展和人民美好生活的改善，石油石化計量作為石油石化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，與企業(yè)的運行優(yōu)化、經(jīng)濟效益、成本控制、綠色發(fā)展等密切相關(guān)。通過對影響渦街流量計氣體測量準確性的多項因素進行深入分析，提出有效的改進對策來提升渦街流量計對氣體測量的準確性，能夠為企業(yè)生產(chǎn)控制、成本管理、優(yōu)化創(chuàng)效、節(jié)能減排提供可靠數(shù)據(jù)支撐，對企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型、源頭減排降碳、高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。