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蒸汽介質(zhì)的超高流速對(duì)于氯乙烷流量計(jì)計(jì)量的影響及解決方案

點(diǎn)擊次數(shù):1909 發(fā)布時(shí)間:2021-01-08 06:45:10
氯乙烷流量計(jì)的測(cè)量技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟,其主要優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)可動(dòng)部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,安裝方便,易于維護(hù),費(fèi)用支出少。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)。氯乙烷流量計(jì)被廣泛 應(yīng)用于蒸汽流量的計(jì)量,我們知道,一般情況下,流量計(jì)對(duì)于所測(cè)的流體的流速都有一定的要求,尤其于氯乙烷流量計(jì)是依靠流體產(chǎn)生的規(guī)律性的渦街進(jìn)行工作的,更要將流速限定于規(guī)定的范圍之內(nèi),太低和太高都會(huì)導(dǎo)致渦街不能工作或數(shù)值失真。但是在實(shí)踐工作中,我們卻發(fā)現(xiàn)有人利用氯乙烷流量計(jì)對(duì)于流速的要求來(lái)做文章,做一些違法的事情,使計(jì)量數(shù)值嚴(yán)重失真,導(dǎo)致客戶產(chǎn)生損失。做法就是使用一些看似無(wú)意其實(shí)違法的手段,致使下游的壓力驟降,導(dǎo)致蒸汽流速超過氯乙烷流量計(jì)測(cè)量流速上限,氯乙烷流量計(jì)不能正常工作,計(jì)量嚴(yán)重偏小。
具體說明如下:
在多年的檢定工作中,我們發(fā)現(xiàn)有人使用了一個(gè)蒸汽氯乙烷流量計(jì)的漏洞,在保持氯乙烷流量計(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,即可致使氯乙烷流量計(jì)計(jì)量嚴(yán)重偏小。

圖1中我們看到在氯乙烷流量計(jì)計(jì)量段,沒有任何修改,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)過程是:開始時(shí),儲(chǔ)氣罐是空的,閥門1、閥門2都關(guān)閉。然后閥門1快速打開,上游0.8MPa的過和熱蒸汽劇烈充入空罐。然后儲(chǔ)氣罐充氣漸滿,壓力升高至一定壓力后,關(guān)閉閥門1,打開閥門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氯乙烷流量計(jì)的蒸汽以*高流速通過。
為什么這樣會(huì)使蒸汽流速達(dá)到非常高的程度呢?而氯乙烷流量計(jì)在高流速下計(jì)量會(huì)有什么問題呢?
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=pcr/p1
水蒸汽音速:c=√ kpv
當(dāng)過流氣體為過熱蒸汽時(shí):k=1.3,γcr=0.546
pcr稱為:臨界壓力。
所以我們得到:通過降低背壓比,能讓通過蒸汽的流速提升到相對(duì)于氯乙烷流量計(jì)來(lái)說非常高的程度,甚至達(dá)到音速,過熱蒸汽音速可以達(dá)到500m/s以上。從熱網(wǎng)過來(lái)的蒸汽壓力一般高于0.8MPa,而在儲(chǔ)氣罐開始充氣時(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,在大部分蒸汽通過階段,背壓比都小于0.546,蒸汽的流速都保持在音速,音速是大大超過氯乙烷流量計(jì)測(cè)量流速上限的。通過這樣一個(gè)辦法,即能大幅度提高通過氯乙烷流量計(jì)的蒸汽流速,致使氯乙烷流量計(jì)計(jì)量嚴(yán)重偏少。不法用戶還狡辯,我的所有計(jì)量器具都通過了**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)問題的。我們可以判斷,介質(zhì)的高流速對(duì)氯乙烷流量計(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)。為什么這么說呢?我們?cè)賮?lái)分析氣體的高流速對(duì)氯乙烷流量計(jì)的影響。
2 氯乙烷流量計(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。
氯乙烷流量計(jì)就是利用卡門渦街原理,得到如下關(guān)系:
f =(Sr ·u )/b
式中:b ——阻流件的寬度,m; u——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。

由圖3可見,在Re D=2×104~7×106范圍內(nèi) ,斯特勞哈爾數(shù)可視為常數(shù)。我們使用的氯乙烷流量計(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。因此我們使用氯乙烷流量計(jì)時(shí)一定要避免測(cè)量介質(zhì)的雷諾數(shù)在2×104~7×106這個(gè)范圍外,超過這個(gè)范圍,斯特勞哈爾數(shù)不再是常數(shù),氯乙烷流量計(jì)測(cè)得的頻率與流速也不再是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。也就是說,超過雷諾數(shù)2×104~7×106這個(gè)范圍,便違反了氯乙烷流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理,這時(shí)候氯乙烷流量計(jì)是不能正常計(jì)量的。因?yàn)槔字Z數(shù)與介質(zhì)流速有關(guān),所以我們具體到介質(zhì)流速的話,對(duì)于蒸汽來(lái)說,氯乙烷流量計(jì)的流速測(cè)量范圍控制在5m/s~60m/s之間,好的氯乙烷流量計(jì)量程上限*多再往上延伸20%。因此在選型氯乙烷流量計(jì)的口徑和流量測(cè)量范圍時(shí),要保證滿足這個(gè)流速限定。絕大部分氯乙烷流量計(jì)對(duì)于高流速介質(zhì)是沒有辦法計(jì)量的。所以上訴案例中,用普通氯乙烷流量計(jì)去計(jì)量音速下的蒸汽,得到的結(jié)果是完全不可信,不能用的。

氯乙烷流量計(jì)是一種數(shù)字儀表,是通過傳感器來(lái)檢測(cè)漩渦頻率的。流量計(jì)的電氣性能必須要工作在適宜它的條件下。我們來(lái)看看在高流速下,氯乙烷流量計(jì)檢測(cè)漩渦頻率的情況。引用一個(gè)高流速下氯乙烷流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)[4]。該實(shí)驗(yàn)在采用在線實(shí)時(shí)頻譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn):在口徑為DN80及其以下的管線上,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高于80m/s的高流速,其中有近一半的出現(xiàn)超過100m/s的高流速,更有甚者,流速高達(dá)180m/s。一般的氯乙烷流量計(jì)在通過介質(zhì)流速過高時(shí),會(huì)發(fā)生劇烈的漏波現(xiàn)象,因而產(chǎn)生難以估算的誤差。
從圖4上看漏波的結(jié)果就是檢測(cè)到的脈沖不再連續(xù),發(fā)生了漏缺。所以這種情況下,測(cè)量結(jié)果的趨勢(shì)是一般都是偏小。在高流速下,漩渦發(fā)生體后的流體運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜。渦街傳感器檢測(cè)信號(hào)需要一定的清晰度,如果流速過高,流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。此時(shí)傳感器將受到嚴(yán)重干擾,目標(biāo)信號(hào)清晰度急劇下降,使渦街流量傳感器測(cè)不準(zhǔn)或者測(cè)不到。

我們可以看到,高流速下的氯乙烷流量計(jì)的漏波十分明顯,正是利用了渦街的這個(gè)漏洞,讓氯乙烷流量計(jì)在超高流速下大量漏波,致使*后得到的流量遠(yuǎn)小于實(shí)際流量。
除了是上述案例中的裝置,還有一種把蒸汽直接放入水池中加熱水的熱水站,采用了手段這些都是為了設(shè)法讓蒸汽出口的壓力驟降,得到突然變小的背壓比,以大大提高蒸汽的流速。即使達(dá)不到音速,也遠(yuǎn)高于氯乙烷流量計(jì)的測(cè)量上限,導(dǎo)致氯乙烷流量計(jì)的不正常工作。因此為了保證氯乙烷流量計(jì)正常計(jì)量,我們必須重視氯乙烷流量計(jì)的測(cè)量范圍,管內(nèi)流速必須限定在氯乙烷流量計(jì)的測(cè)量范圍以內(nèi)。
對(duì)于那些在后端搞壓力驟降提高蒸汽流速的,可以想辦法把蒸汽流速限定在合理范圍內(nèi)。比如采用限流裝置,在氯乙烷流量計(jì)后方管線上安裝臨界流文丘里噴嘴。當(dāng)蒸汽通過臨界流文丘里噴嘴時(shí),在噴嘴上、下游壓力比如果小于或等于該噴嘴的臨界壓力比時(shí),噴嘴喉部形成臨界狀態(tài),流過噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量達(dá)到*大。這時(shí)蒸汽的質(zhì)量流量不受下游狀態(tài)變化的影響。根據(jù)這個(gè)原理,我們把臨界流文丘里噴嘴安裝在可能會(huì)發(fā)生壓力驟降的管段前,就能穩(wěn)穩(wěn)的限死上游通過氯乙烷流量計(jì)的*大流量了。而選用文丘里噴嘴的原因是能夠減少壓力損失。

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