對渦街流量計氣體測量的影響因素分析與改進(jìn)

上海自動(dòng)化儀表有限公司計量作為源頭節能的重要一環(huán)，其測量準確性、科學(xué)性及其關(guān)鍵。本文通過(guò)分析影響渦街流量計在氣體測量數據準確度的幾個(gè)因素與控制措施應用，對有效提高渦街流量計在氣體測量中的準確性進(jìn)行研究，進(jìn)而達到控制、降本減費的目的。

煉化企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，蒸汽、氮氣、氧氣、壓縮空氣各類(lèi)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(jìn)源頭減排、推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展不容忽視的重要環(huán)節。在現代工業(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(wú)轉動(dòng)部件、安裝簡(jiǎn)便、運行穩定、適用性強、維護成本低、準確、測量范圍大等優(yōu)勢而得到廣泛應用。

1 工作原理與結構

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 ：應變式、電容式、超聲式、應力式、光電式及熱敏式、振動(dòng)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(mǎn)足雷諾數為2*104～7*104范圍的交錯旋渦，通過(guò)對一定條件下旋渦分離的頻率f與發(fā)生體側平均流速及旋渦發(fā)生體寬度d的固定關(guān)系，通過(guò)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(jìn)

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

2.1 管道振動(dòng)

某烯烴生產(chǎn)企業(yè)在儲罐內儲存輕質(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(jìn)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(jìn)行補充，且用量不穩定。使用過(guò)程中發(fā)現儀表測量量與理論用量有較大差異。經(jīng)觀(guān)察，當停止補氣時(shí)，流量計仍存在計數現象，但儀表經(jīng)檢定結果合格，且安裝符合技術(shù)要求。實(shí)地排查發(fā)現，距氮氣管線(xiàn)50米處有4臺原料輸送泵，當啟泵輸送原料時(shí)，產(chǎn)生較大振動(dòng)。測量工作原理決定渦街流量計是一種振動(dòng)型流體測量?jì)x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(lèi)渦街流量計對振動(dòng)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(shí)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(shí)，由于渦街流量傳輸信號的脈沖頻率較低且頻率振幅較小，易被低頻的機械振動(dòng)所干擾而影響比較嚴重,其疊加輸出信號與真實(shí)信號相對誤差較大；隨著(zhù)流量的不斷加大，其測量傳感器信號脈沖頻率也相應變大，且信號頻率幅值也相應加大，受到低頻的機械振動(dòng)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了管道上的振動(dòng)時(shí)，它可以分別采取以下三種方法予以減小或消除：

（1）增設管道固定支架，限制管道振幅；

（2）調整儀表電路的設定狀態(tài)，力求排除振動(dòng)影響；

（3）如以上兩種方法無(wú)法消除時(shí)，可根據其抗振動(dòng)能力的不同，在安裝管線(xiàn)上的流量計方向加以調整，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(guān)察或測量管道的主要振動(dòng)方向，旋轉流量計，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(dòng)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(chǎng)使用一臺渦街流量計對氧氣進(jìn)行測量，使用過(guò)程中發(fā)現現場(chǎng)讀數與DCS顯示流量存在差異，對現場(chǎng)工藝調整造成困惑。經(jīng)檢查流量計與DCS參數設置一致，流量量程均為（0～60）m3/h。測量現場(chǎng)儀表信號輸出為12.48mA，核算理論流量為31.80 m3/h，現場(chǎng)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場(chǎng)觀(guān)察渦街流量計距DCS控制室直線(xiàn)距離不足700米，但信號線(xiàn)管廊距離為1200米左右，并采用一般兩芯電纜進(jìn)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(guò)熱）

一用熱企業(yè)采用DN250口徑渦街流量計監督1.0MPa蒸汽用量，計量過(guò)程發(fā)現監督表量低于計量表量，差率2.5%左右。檢查監督表無(wú)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，計量表運行壓力為1.02MPa，溫度為213.05℃，監督表運行壓力為1.00MPa，溫度為178.13℃。經(jīng)查閱蒸汽特性發(fā)現，壓力在1.0MPa的蒸汽飽和溫度為184℃以上。說(shuō)明從計量表至監督表輸送過(guò)程中，由于熱量散失與流動(dòng)阻力，致使蒸汽溫度下降，形成不飽和蒸汽，造成監督表測量為氣液兩相流。

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

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(wú)旋渦、充分滿(mǎn)足湍流速度分布、流速軸均勻分布的特點(diǎn);（2）測量介質(zhì)為單項流，且應充滿(mǎn)測量管道;（3） 流量基本穩定，避免出現脈沖流。（4）符合牛頓流體[4]要求;流量計在測量過(guò)程中如無(wú)法完全滿(mǎn)足以上四種條件將會(huì )導致流量計測量附加誤差同時(shí)產(chǎn)生。在工藝現場(chǎng)流體流動(dòng)特性常是難以滿(mǎn)足以上要求，將不可避免的會(huì )造成測量附加誤差的加大，且量值加大多少難以通過(guò)定量分析確定。因此在現場(chǎng)儀表安裝設計應盡可能加大測量?jì)x表前后直管段或加裝整流設備，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算，需引入介質(zhì)溫度及壓力進(jìn)行換算。部分廠(chǎng)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、壓力穩定流體，可以較為準確進(jìn)行測量，但絕大部分流體會(huì )隨著(zhù)氣候變化、工藝變動(dòng)而產(chǎn)生較大差異。為了確保測量數據更加準確，各企業(yè)多使用在線(xiàn)溫度、壓力信號引入二次儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)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)傳輸設計標準為壓力0.70MPa、溫度25℃，待使用方安裝同一口徑、同一廠(chǎng)家渦街流量計進(jìn)行比對，發(fā)現其比對差率嚴重超差（表1）。

壓力整改前主輔比對差率

現場(chǎng)檢查主計量、溫度及壓力發(fā)現，現場(chǎng)壓力取壓點(diǎn)設置于表前，且位于DN300與DN150變徑大管徑處。根據廠(chǎng)家安裝說(shuō)明，壓力取壓點(diǎn)應設置在表后4D處，根據JJG1029《渦街流量計檢定規程》，壓力的測量位置應設置在流量計下游側（2～7）D處。 經(jīng)廠(chǎng)家計算，在此工況下，流量計壓損為15.07kPa。同時(shí)根據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 結束語(yǔ)

上海自動(dòng)化儀表有限公司石油石化行業(yè)是國家能源安全的命脈，直接關(guān)系著(zhù)我國經(jīng)濟社會(huì )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，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(guò)對影響渦街流量計氣體測量準確性的多項因素進(jìn)行深入分析，提出有效的改進(jìn)對策來(lái)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、節能減排提供可靠數據支撐，對企業(yè)綠色低碳轉型、源頭減排降碳、高質(zhì)量可持續發(fā)展具有重要作用。