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Wv系列抗振型涡街流量计在贸易结算中的应用分析
已阅:2486  2011-6-15 19:38:11

   Wv系列抗振型涡街流量计在贸易结算中的应用分析

陶劲松,陈耀东,唐贤昭

2008.12

    (发表于中国电机工程学会热电专业委员会年会论文集)

 

摘要:从传统的孔板和涡街流量计的优缺点分析着手,介绍Wv系列抗振型涡街流量计在贸易结算中的应用优点,目前Wv系列抗振型涡街流量计已在化工和热电企业中推广和应用,得到化工和热电企业青睐。

关键词: Wv系列抗振型涡街流量计;突破 ;蒸汽贸易;

 

引言

 当前热电行业的蒸汽贸易结算中,有不少企业采用的是传统的差压式流量计,(如孔板喷嘴等)进行蒸汽流量的计量,同时,有越来越多的企业认识到:传统差压式流量计量程比太小,也就是可准确测量的最大流量与最小流量之比太小,当用户用量波动范围超过流量计量程比时会呈现极大的测量误差。也有采用更换孔板、差压变送器来适应流量变化的方法,例如在冬/夏季分别采用不同的孔板及差压变送器应对流量变化,但即使如此,孔板固有的3:1量程比范围显然难以满足实际需求。

  在进行小口径管道中的蒸汽流量计量时,常出现大大高于大管道的大范围流量波动,流量计的量程比限制问题更加突出,在选用孔板时,技术人员将面临一个困难的抉择:如照顾大流量的检测,则必须舍弃小流量;如想避免小流量被漏计量,又会因差压变送器输出信号的限制,将超过量程的流量,无论多大全按照量程对应的流量来计量,从技术层面而言,传统的孔板流量计明显无法适用于流量波动范围超出3:1的流量计量。

 但由于孔板是最成熟、经典的流量仪表,稳定性、可靠性经数十年各行各业的验证,各类新型的流量仪表在发展过程中曾表现出的各种问题,令人不免产生疑虑。

 在贸易结算计量中,一旦产生一些如流量计故障、无流量有指示、流量变化而流量计显示不变等问题,往往导致供需双方直接的利益冲突产生激烈矛盾,而这些问题又恰好是孔板易于解决的:

  对于故障,孔板流量计故障多发生于差压变送器,而差压变送器可在使用中无需停气即可更换;

  对于无流量有指示,通常可通过小流量截除方式得以解决,反正孔板测小流量也不准;

  对于流量变化而指示不变的问题,在孔板量程比之内,基本上不会出现(蒸汽属干净流体,不会对差压传递路线产生堵塞)只有在流量超出孔板流量计量程时,才会出现流量变化时,指示不变,对此,需方显然是没有意见的,基于上述优点,很多热电企业依旧选择孔板作为贸易结算计量之用。

 随着流量检测仪表技术的发展,对于蒸汽计量仪表,有越来越多的选择,其中,涡街流量计的大量程比优势令对孔板狭窄量程比头痛不已的技术人员看到一条新的思路,涡街流量计理论上可超过400:1的宽广量程比,及结构的坚固可靠,对蒸汽高温的适应能力,引起广泛关注,越来越多的热电企业在蒸汽计量中予以选用,特别是流量波动很大的小管径上,大量选用。

 涡街流量检测原理自出现之日起,因其仪表系数恒定、量程比大、压损低等方面的突出优势,在各种流量检测原理中独树一帜,被公认为最具发展前景的未来流量计之一,当前几乎所有的仪表行业跨国公司在其他流量计种类方面或有缺失,但无一不向市场推出各具特色的涡街流量计产品,近20年以来,涡街流量计的市场占有率不断提升,在一些大型石化企业,甚至成为占有率最高的流量计类型。

   在采用涡街流量计进行蒸汽贸易结算计量时,有不少用户感受到了与孔板流量计相比下的优势,但也发现一些问题,其中,一些问题是采用涡街流量计测量气体流量所共有的,例如零点稳定性、小流量检测等。也有一些问题是在用于蒸汽贸易结算上特有的现象,如超高流量、极大的流量变化范围带来的问题。

  <一>  零点不稳定,无流量而有计量指示,导致贸易结算纠纷;灵敏度低,甚至小流量的测量还不如孔板。

   从涡街原理而言,是足以精确测量低至1m/s气体流量的,但由于漩涡升力与流体密度成正比,同时与流速的平方成正比,换言之,流体密度越低,涡街信号越弱,而流速降低时,涡街信号更以平方关系急剧下降,例如;在相同条件之下,1m/s流速的气体产生的漩涡力仅是20m/s流速时的1/400,如此微弱的信号很难不被干扰,

对于涡街流量计而言,干扰主要为电磁干扰及管道的机械振动干扰,其中电磁干扰比较容易解决,而振动干扰则因其侵入途径、信号特征与涡街信号相同而难以去除。因此,为保证零点稳定,只能将幅度小于或等于干扰信号的流量与干扰一起除去。

当前多数市售国内产品,如将灵敏度增大到可以检测1m/s空气流速时,人在讲话时的声波振动自空气传送到流速计上就会令流量计产生指示,很显然这是无法接受的。由于6m/s流速产生的信号与人手可感知振动导致的干扰大至相当,因此,将流量计设计调整成可测最小流速5m/s~ 6m/s,这样可避免在管道振动强度不大于人手刚可感受到的程度时,产生错误的计量。这正是市场上国内产品气体流量测量下限定在6m/s的根本原因.

然而,即便如此,当管道振动超过人手可感知的强度时,就必须进一步降低流量计的灵敏度,更多地舍弃流量的计量;当管道振动加大到与常用流量的信号相当时,为避免在无流量时有计量,将同时导致有流量时也无计量;相反,为保证有流量时有计量,就必将导致无流量时同样有计量.

简单来讲,传统的涡街流量计,在存在管道振动时,只能选择将强度小于等于振动强度的流量信号舍弃,才能做到无流量时无计量,管道振动越强,舍弃的流量越大,如果管道内最大流量产生的信号仍不能超过振动的强度时,涡街流量计就完全不能使用。

综合上述源于涡街流量计本质特性的分析,可以得知:涡街流量计的实际可测流量下限与其抗振动干扰能力密切相关,也就是:

振动干扰越弱,可以测量的小流量就越低。

抗振能力越强,可以测量的小流量就越低。

管道振动过强时,可导致涡街流量计完全不能使用。

    综上所述,只有提升抗振动干扰能力,才能扩展小流量测量范围,正因为涡街流量计的这些特征,业内公认,抗振能力是决定涡街流量计性能的最主要因素。
    为此我公司耗时3年,投入数百万元进行全面改进研发,终获重大突破,向市场推出的抗振型系列是唯一通过权威部门进行抗振动干扰能力测试的涡街流量计产品,抗振能力不低于2.0g,远超进口产品1.0g的抗振能力,由此唯一获得“抗振型”涡街流量计生产许可证,并由此获得“抗振型涡街流量计行业标准”制定的立项批准。而我们的普通系列产品,经我公司对比实测也具有国内典型产品约30倍的抗振能力,因此,即使不考虑抗振型附加的振动干扰抑制措施,在同等应用条件之下,可测流量下限也将下延至同类产品的1/5以下。
    同时,正因“抗振能力是衡量涡街流量计性能的最主要指标”这一观点已成为众所周知的共识,而涡街流量计抗振动干扰能力的提升,是公认的世界性难题,如得以彻底攻克,涡街流量计必将替代传统差压式流量计的市场地位。正因如此,近20年以来,几乎国内所有产品均声称自己的产品是“抗振型”,但至今为止,仍无第二家企业交由权威部门进行抗振能力测试。

  2007年我公司Wv全系列涡街流量计经江苏省质量技术监督局委托上海工业自动化仪表研究所进行全性能测试,产品全部性能优于现行行业标准。特别是:在强达2g、0~110Hz的强大全向机械振动干扰下,所有满管式流量计依旧保持优于1%精度,插入式流量计依旧保持优于1.5%精度。这是涡街流量计实际抗振能力首次在国内经权威部门严格测试,测试结果所表现出的强大抗振动干扰能力颠覆了传统认知,专家纷至测试现场实际了解、验证,高度评价:“前景无量!”

    我公司产品正因拥有远超同类产品的振动干扰抑制能力,令产品在应用于蒸汽流量测量时,可测量下限低至1m/s,远超同类产品5m/s的测量下限,根据涡街原理,至少要将抗振能力提升至同类产品的25倍,才能实现这样的小流量测量能力。而我们的抗振系列产品更将抗振能力提升至80~250倍,确保在灵敏检测微小流量的同时,具备高度的零点稳定性。

对于热电企业而言,直接带来的优势在于:

挽回低于5 m/s流速的小流量汽款损失。

零点稳定,杜绝因无流量有指示带来的,与用气方的纠纷。

在较强的振动(强度2.0g)之下,依旧保证大大优于进口产品的小流量测量能力。

<二>  蒸汽计量中,出人意料的超高流速及其伴生的相关问题

   在近三年以来,经我们对十家以上的热电用户小口径流量计进行的现场实时记录分析,发现一个出人意料的现象:在小口径蒸汽流量上,实际的流速远超多数设计部门、热电企业、仪表制造商估计的60m/s左右的上限。

  通常认为,管道里的蒸汽流速不会超过60m/s,在选择流量计时,量程达到60m/s就已足够,而我们采用在线实时频谱分析时发现:Ǿ80及其以下的管线,经常出现高于80m/s的高流速,其中有近一半的出现超过100m/s的高流速,更有甚者,流速高达180m/s。

  由于孔板原理的限制,当流量超过其量程约19%后,就不能判断超量程量的大小;而一般的涡街流量计在流速过高时,因剧烈的漏波现象,出现难于估算的误差,因此也难于判断超高流速的大小。我们尽可能排除影响因素,通过对传感器原始信号直接进行实时频谱分析,得出超高流速时的流量值。

  对于这样的高流速,如采用孔板流量计测量,如量程为50m/s,即使与热用户达成协议:“超过量程的流量按量程150%计量”,也就是对于超过50m/s量程的流速,全部按75m/s收费,如果实际最高流速为150m/s,也会损失50%汽款,

  包括孔板、涡街在内的大多数气体流量计实际检测的是工况体积流量,而在蒸汽贸易结算计量中,通常采用质量流量。为保证精度,需实时检测蒸汽温度及压力,由此获得准确的蒸汽密度值,再与流量计给出的体积流量相乘,获得质量流量。当孔板超量程时,流量记录曲线本应该呈现为平直直线,但在监控系统上,通常显示记录的是运算出的质量流量,即使孔板输出的流量因超量程而保持不变,但由于压力、温度变化运算出变化的密度,质量流量也是跟随变化的,流量曲线依旧呈现为变化的曲线,并不会表现为超量程应有的一条直线,操作人员由此难于辩识超量程问题。

  我们在现场发现,不少蒸汽热用户已掌握了这一现象,在用气时,有意将流量尽可能控制在最大流速与最小流速,令小流量低于仪表测量下限而不会被计量,令大流量大大高于仪表量程而计量偏小。

  将我们的流量计与原先的孔板或涡街流量计用于同一Ф50mm的管道进行对比发现:热用户采用这样的用气方法,原先的流量计可以将实际7-8吨/天的用气量计量为2吨/天左右,热电厂损失巨大。

  令人遗憾的是:在这些实例中,同时证明了――普通的涡街流量计未能表现出优于孔板的高流量测量能力。

(1) 传统涡街流量计高流速检测中的问题

  a)高流速检测中的问题之一:高流速的漏波现象,导致流量计示值大幅度偏低

    因为涡街流量计产生的漩涡本身存在强弱波动,波动的程度与流场稳定度、涡街发生体结构密切相关。在技监部门的标定装置上进行标定、检验时,流量计基本处于理想运行环境――流速恒定、流场无畸变,因此漩涡强度的波动较小,不出现“漏波”现象,可轻松通过精度检验。但在实际运行中,不可避免地存在流场畸变(通常因流量计上游直管段不足、近距离的上游存在阻碍物、安装误差等因素导致的流场畸变),流量也处于不断变化之中,此时漩涡的稳定性必然遭受影响,表现为:漩涡强度出现波动,并且,流速越高,波动越大,当波动超过约30%时,将出现严重的“漏波”现象,直接导致精度大幅度下降,计量严重偏低。

(下图中,上部显示:在漩涡强度出现较大幅度的波动时,传感器输出的信号波形。下部显示:流量计输出的脉冲流量信号。

当信号小于触发器阀值时,触发器不产生脉冲,由此导致“漏波”现象,并最终导致计量值偏小约44.3%)

a.1 漏波原因之一――简陋的放大器令信号波动加剧

由于涡街信号强度与流速平方成正比,例如:20倍的流速差异之下,涡街信号的幅度差异将高达400倍,为测得涡街频率从而测得流速,必须有一个放大器将不同大小的涡街信号放大成相同的幅度,国内产品目前多数采用的是进口产品70年代的技术,也就是使用低通滤波限幅放大器实现这一功能,由此带来两个问题: l 因为涡街流量计产生的漩涡本身存在强弱波动,表现为传感器输出信号中的低频干扰信号成分。而这种放大器是通过衰减高流速对应的高频率信号幅度,放大低流速对应的低频率信号,从而实现将整个测量范围下,对应的流量信号幅度,调整到基本相同的功能。但由此令信号中低频率成分大幅度增高,信号波动幅度大增,最终产生严重的“漏波”现象,直接导致计量严重偏低。我们应用户要求,在现场实测发现,某国内著名品牌产品,在流速超过20m/s时,就开始出现:信号波动过大,导致漏波的现象,致致计量偏低40%以上。并且,随流速增大,信号波动加剧,漏波更加严重,流速超过40m/s时,计量偏低90%以上。而进口涡街流量计最新产品普遍采用程控放大器、我公司产品采用获发明专利的“恒定电平放大器”均避免采用对不同频率信号采用不同放大倍率的方式,由此避免信号劣化,从而在电子信号处理环节上,保证高流量下信号的稳定性,消除因放大器性能导致的漏波。

(下图:将基本为理想工作状态下,最佳的传感器输出信号,送入两种放大器进行放大后,两种放大器性能的比较测试记录。

波形记录清晰显示:传感器信号经传统放大器放大后,出现过大的波动,将直接导致严重的“漏波”现象,流量计量严重偏低。专利的放大器对传感器信号相反表现出明显的改善,由此杜绝“漏波”现象。)

    由于这种低通滤波放大器采用二极管进行限幅,而温度变化对二极管限幅特性影响巨大,最终导致涡街流量计频率检测阀值随温度变化,表现为中午调好的流量计,晚上不正常,冬天调好的流量计,夏天不正常,对此,很多用户有切身体会。

           a.2 漏波原因之二――不合理的漩涡发生体产生的漩涡稳定性不良

    涡街流量计中,用于产生漩涡的涡街发生体,核心指标在于所产生漩涡的稳定性。我们在对涡街发生体结构进行研究时发现,传统的单发生体涡街,信号稳定性不佳,并且随流速增加,问题愈加严重,为此,我们采用双发生体结构,所产生的漩涡稳定性大幅度改善,配合“恒定电平放大器”及“锁频环”两项信号处理方面的发明专利,大幅度改善漏波问题,从而将我们产品测量上限提升至前所未有的120~200m/s,配合低至1m/s的测量下限,确保完全覆盖蒸汽流量范围,从产品技术层面上大幅度挽回热电企业因流量计产生的贸易结算损失。

    实际运行证明,我公司经技监部门标定、确认精度的产品,在实际运行中,普遍呈现流量示值较原流量计增高的现象。而计量值的增高,部分来源于小流量的测量,更多的是,来源于高流量检测时,“漏波”问题的解决。

(下图:我公司一台DN40抗振型/双发生体涡街流量计应用中,热网监控系统24小时记录,在此实例中,流量计测量下限1m/s,测量上限150m/s,零点稳定,与常规的涡街流量计及孔板比较,大幅度挽回热电厂计量损失。

b)高流速检测中的问题之二:传感器断裂

   我们在用户现场及多家计量测试部门了解到,国内的涡街流量计在测量高流速时,常出现传感器断裂的现象,计量测试部门大多拒绝对国产涡街流量计做超过60m/s的高流速检定,以免损伤检定装置,这一问题在国内产品中普遍存在的原因在于;国内产品几乎都使用相同结构的传感器,而这种传感器存在结构缺陷,在高流速时将因共振而断裂,而这也是国内产品普遍流速上限在50m/s左右的主要原因之一,而进口产品及我公司产品则因极高的刚性,令共振频率远高于涡街频率,从而杜绝共振现象,由此确保高流速检测时的安全。

  我公司产品在220℃/180m/s的超高流速蒸汽计量中,长期运行,传感器性能稳定,半年后的返厂检测结果:传感器灵敏度、刚性与出厂状态相比,未能测出明显变化

在本文中,有关不同产品的对比数据,源于我公司研发部门进行的测试,篇幅所限,难于完整列举,读者或有疑虑,欢迎指正,可致电我公司研发部门,也可登录我公司网站技术论坛(http://www.f-celeb.com),参与讨论,我们也可提供进一步测试数据。

 
 
 

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