蒸汽渦街流量計(jì)工作原理及應(yīng)用

蒸汽渦街流量計(jì)是一種基于“卡門渦街”原理設(shè)計(jì)的、用于測量蒸汽（飽和蒸汽或過熱蒸汽）流量的速度式流量計(jì)。它是工業(yè)領(lǐng)域中測量蒸汽最常用和最主要的流量儀表之一。

一、工作原理：卡門渦街效應(yīng)

這是其核心物理原理。

1. 渦街發(fā)生體：在流量計(jì)的管道中心，垂直插入一個(gè)形狀特定的非流線型阻流體（Bluff Body），常見的有三角形、梯形或矩形柱體。這個(gè)物體也叫作渦街發(fā)生體。

2. 渦旋的產(chǎn)生：當(dāng)蒸汽流體流經(jīng)這個(gè)發(fā)生體時(shí)，由于發(fā)生體對流體的阻礙，其下游兩側(cè)會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)律的、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦（渦街）。

3. 旋渦脫落頻率：這些旋渦會(huì)周期性地從發(fā)生體兩側(cè)脫離，形成兩列平行的渦街。旋渦脫落的頻率（f）與流體的平均流速（v）成正比，與發(fā)生體的特征寬度（d）成反比。其關(guān)系式為：
   f = St × v / d
   其中，St 是斯特勞哈爾數(shù)，是一個(gè)無量綱常數(shù)，在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定。

4. 頻率檢測：通過安裝在發(fā)生體附近的傳感器（如壓電晶體、電容式或熱敏式傳感器）來檢測旋渦脫落產(chǎn)生的周期性壓力或流速變化，并將其轉(zhuǎn)換為與頻率成正比的脈沖電信號。

5. 流量計(jì)算：儀表內(nèi)的處理器（或流量積算儀）接收到脈沖頻率信號 f 后，根據(jù)公式計(jì)算出流體的瞬時(shí)流速 v，再結(jié)合管道的橫截面積 A，即可得到瞬時(shí)體積流量 Q = v × A。

   • 對于蒸汽：由于蒸汽是可壓縮流體，其密度（ρ）會(huì)隨著溫度和壓力的變化而劇烈變化。因此，要得到精確的質(zhì)量流量，必須進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償。

   • 最終質(zhì)量流量 M = ρ × Q = ρ × v × A

簡單總結(jié)：流速 -> 頻率 -> 體積流量 -> (經(jīng)溫壓補(bǔ)償) -> 質(zhì)量流量。

二、主要特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 結(jié)構(gòu)簡單牢固：內(nèi)部無可移動(dòng)部件，可靠性高，維護(hù)量小。

2. 測量范圍寬：量程比通?？蛇_(dá) 10：1 甚至更高，能適應(yīng)較大的流量變化。

3. 精度較高：在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，精度通?？蛇_(dá) ±1.0% R 或 ±1.5% R，甚至更高。

4. 輸出數(shù)字脈沖信號：抗干擾能力強(qiáng)，信號便于遠(yuǎn)傳，且與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（DCS/PLC）連接方便。

5. 適用介質(zhì)廣：除蒸汽外，還可測量各種氣體、液體。

6. 壓力損失較小：低于孔板等節(jié)流式流量計(jì)。

缺點(diǎn)：

1. 對振動(dòng)敏感：管道或環(huán)境的機(jī)械振動(dòng)可能會(huì)干擾渦街信號的檢測，導(dǎo)致測量誤差甚至無法測量。必須合理安裝并采取減振措施。

2. 對直管段要求高：為保證流體流速分布穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的渦街，儀表前后需要足夠長的直管段（通常前10D后5D，D為管徑）。

3. 怕介質(zhì)臟污：若蒸汽中帶有的雜質(zhì)、水滴等粘附在發(fā)生體或傳感器上，會(huì)影響渦街的產(chǎn)生和檢測，導(dǎo)致信號減弱或失真。

4. 低速小流量測量困難：流速過低時(shí)，渦街信號微弱，儀表的下限測量能力受限。

三、在蒸汽測量中的應(yīng)用要點(diǎn)

蒸汽測量是渦街流量計(jì)的典型應(yīng)用，但也是要求最嚴(yán)格的應(yīng)用之一，需特別注意：

1. 必須進(jìn)行溫壓補(bǔ)償：

   • 飽和蒸汽：其密度是溫度或壓力的單值函數(shù)。因此，只需測量溫度或壓力中的一個(gè)參數(shù)即可，結(jié)合蒸汽密度表即可查得實(shí)時(shí)密度。通常優(yōu)先選擇壓力補(bǔ)償，因?yàn)閴毫y量響應(yīng)更快，且安裝更簡單。

   • 過熱蒸汽：其密度同時(shí)是溫度和壓力的函數(shù)，必須同時(shí)安裝溫度傳感器和壓力變送器，通過計(jì)算獲得實(shí)時(shí)密度。

2. 安裝方式至關(guān)重要：

   • 方位：測量蒸汽時(shí)，推薦水平安裝，且傳感器的朝下或朝上，以避免管道中的冷凝水積聚在儀表內(nèi)。變送器（表頭）應(yīng)高于管道，防止高溫蒸汽損壞電子元件。

   • 引壓管：若采用壓力變送器補(bǔ)償，引壓管必須充滿冷凝水（安裝冷凝彎/虹吸管），以防止高溫蒸汽直接進(jìn)入壓力變送器。

   • 減振：蒸汽管道通常振動(dòng)較大，必須在流量計(jì)前后管道加裝堅(jiān)固的支撐，并可能需要在流量計(jì)與管道之間使用減振器。

3. 管道疏水：在流量計(jì)上游的管道最低點(diǎn)應(yīng)安裝疏水閥，定期排除冷凝水，防止水錘現(xiàn)象沖擊和損壞流量計(jì)，也避免兩相流影響測量精度。

四、選型指南

選擇蒸汽渦街流量計(jì)時(shí)，需明確以下參數(shù)：

• 介質(zhì)類型：飽和蒸汽還是過熱蒸汽？

• 常用流量、最小流量、最大流量（單位：kg/h 或 t/h）

• 蒸汽的工作壓力（MPaG）和工作溫度（℃）

• 管道口徑（DN）

• 輸出信號需求：脈沖輸出？4-20mA模擬量輸出？是否需要帶現(xiàn)場顯示？

• 通訊協(xié)議：是否需要HART、PROFIBUS-PA等協(xié)議？

• 安裝環(huán)境：振動(dòng)情況、環(huán)境溫度、防爆要求等。

總結(jié)

蒸汽渦街流量計(jì)以其優(yōu)良的性價(jià)比、寬量程和可靠性，成為蒸汽計(jì)量領(lǐng)域的首選儀表之一。然而，成功的應(yīng)用 = 正確的選型 + 規(guī)范的安裝 + 完善的溫壓補(bǔ)償系統(tǒng)。忽視任何一點(diǎn)，都可能導(dǎo)致測量失敗或數(shù)據(jù)嚴(yán)重失準(zhǔn)。在振動(dòng)較大的場合，需要特別評估其適用性，或考慮選用抗振性能更好的流量計(jì)（如差壓式、渦街與差壓一體式等）。

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