高流速蒸汽對(duì)渦街流量計(jì)的影響

   目前,渦街流量計(jì)廣泛運(yùn)用在蒸汽計(jì)量上。渦街流量計(jì)是一種發(fā)展比較成熟的流量計(jì),其主要優(yōu)點(diǎn)有:無(wú)可動(dòng)部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,安裝方便,維護(hù)費(fèi)用較低,量程比一般在10∶1以上,精度也相對(duì)較高,測(cè)量氣體一般在1.0級(jí)到1.5級(jí)之間,測(cè)量液體一般在1.0級(jí)。

    在多年的檢定工作中,我們發(fā)現(xiàn)有人使用了一個(gè)蒸汽渦街流量計(jì)的漏洞,在保持渦街流量計(jì)計(jì)量管段原封不動(dòng)的情況下,只在蒸汽出口處做文章,即可致使渦街流量計(jì)計(jì)量嚴(yán)重偏小。圖1中我們看到在渦街流量計(jì)計(jì)量段,沒(méi)有任何修改,而在其后的大型儲(chǔ)氣罐卻大有文章。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力變化來(lái)對(duì)前后閥門(mén)分別進(jìn)行自動(dòng)控制,從而進(jìn)行一套充氣、放氣、再充氣、放氣的循環(huán)操作。

    整個(gè)循環(huán)過(guò)程是:開(kāi)始時(shí),儲(chǔ)氣罐是空的,閥門(mén)1、閥門(mén)2都關(guān)閉。然后閥門(mén)1快速打開(kāi),上游0.8MPa的過(guò)和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲(chǔ)氣罐充氣漸滿(mǎn),壓力升高至一定壓力后,關(guān)閉閥門(mén)1,打開(kāi)閥門(mén)2,讓儲(chǔ)氣罐中蒸汽排出以供使用。這樣操作的目的主要是使大部分流過(guò)渦街流量計(jì)的蒸汽以極高流速通過(guò)。 圖1為什么這樣會(huì)使蒸汽流速達(dá)到非常高的程度呢?而渦街流量計(jì)在高流速下計(jì)量會(huì)有什么問(wèn)題呢?1分析蒸汽的流速臨界壓力比是分析管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)重要數(shù)值,蒸汽在出口外的背壓pb與臨界界面前的進(jìn)口壓力P1之比小于或等于臨界壓力比時(shí),在臨界截面上,蒸汽流速達(dá)到臨界值音速c。臨界壓力比:γcr=水蒸汽音速:c=kpv當(dāng)過(guò)流氣體為過(guò)熱蒸汽時(shí):k=1.3,γcr=0.546pcr稱(chēng)為:臨界壓力。

    所以我們得到:通過(guò)降低背壓比,能讓通過(guò)蒸汽的流速提升到相對(duì)于渦街流量計(jì)來(lái)說(shuō)非常高的程度,甚至達(dá)到音速,過(guò)熱蒸汽音速可以達(dá)到500m/s以上。從熱網(wǎng)過(guò)來(lái)的蒸汽壓力一般高于0.8MPa,而在 儲(chǔ)氣罐開(kāi)始充氣時(shí),罐內(nèi)壓力幾乎為常壓。根據(jù)蒸汽的臨界流原理。蒸汽管道和容器的前后壓力比只要低于臨界壓力比γcr=0.546,那么管內(nèi)蒸汽的流速將達(dá)到音速。

    在這個(gè)案例里,儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力按充氣階段中后期才逐漸升高到的0.4MPa來(lái)計(jì)算,背壓比為0.5。也就是說(shuō),在大部分蒸汽通過(guò)階段,背壓比都小于0.546,蒸汽的流速都保持在音速,音速是大大超過(guò)渦街流量計(jì)測(cè)量流速上限的。通過(guò)這樣一個(gè)辦法,即能大幅度提高通過(guò)渦街流量計(jì)的蒸汽流速,致使渦街流量計(jì)計(jì)量嚴(yán)重偏少。不法用戶(hù)還狡辯,我的所有計(jì)量器具都通過(guò)了國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的檢定。確實(shí),這種情況,單是檢定流量計(jì)是無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的。我們可以判斷,介質(zhì)的高流速對(duì)渦街流量計(jì)的計(jì)量性能產(chǎn)生了很大的影響致使其計(jì)量不準(zhǔn)。為什么這么說(shuō)呢?我們?cè)賮?lái)分析氣體的高流速對(duì)渦街流量計(jì)的影響。

   渦街流量計(jì)工作原理在流體中安放漩渦發(fā)生體,流體在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分列出兩列有規(guī)律的交錯(cuò)排列的漩渦,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),改漩渦的頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸有關(guān),所產(chǎn)生的漩渦頻率f正比于流量,此頻率可由各種傳感器檢出。圖2渦街流量計(jì)就是利用卡門(mén)渦街原理,得到如下關(guān)系:f=(Sr·)b式中:b——阻流件的寬度,m;——流經(jīng)流量計(jì)的流體平均流速,m/s;f——漩渦的頻率,Hz;Sr——斯特羅哈爾數(shù)(無(wú)量綱)。斯特羅哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù),它與漩渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)。圖3所示為三角柱漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系。圖3斯物勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)由圖3可見(jiàn),在ReD=2×104~7×106范圍內(nèi),斯特勞哈爾數(shù)可視為常數(shù)。我們使用的渦街流量計(jì)都是在斯特勞哈爾數(shù)視為常數(shù)的這個(gè)范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的。