渦街流量計(jì)選型指南
渦街流量計(jì)作為工業(yè)流量測量的關(guān)鍵儀表,憑借其測量精度高、量程范圍寬、壓損小、維護(hù)簡便等諸多優(yōu)勢,在化工、石油、電力、冶金、給排水等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,能夠精準(zhǔn)測量氣體、液體、蒸汽等各類介質(zhì)的流量。然而,要讓渦街流量計(jì)在實(shí)際工況中穩(wěn)定、精確運(yùn)行,選型環(huán)節(jié)極為關(guān)鍵。這一過程需要綜合考量測量介質(zhì)特性、流量范圍、管道口徑、測量精度、供電電源與輸出信號、安裝環(huán)境、溫壓補(bǔ)償、防爆要求等多方面因素,任何一個環(huán)節(jié)的疏忽都可能導(dǎo)致測量偏差甚至儀表故障。以下將對這些選型要點(diǎn)進(jìn)行深入剖析。
一、測量介質(zhì)特性
(一)種類
氣體測量:不同氣體成分千差萬別,其密度、壓縮性也各不相同。例如壓縮空氣,由于在實(shí)際使用中壓力、溫度會頻繁波動,導(dǎo)致其密度大幅變化。在這種情況下,就需要選擇具備壓力、溫度自動補(bǔ)償功能的渦街流量計(jì),這類儀表可實(shí)時感知壓力、溫度變化,并依據(jù)氣體狀態(tài)方程對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,從而確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。若測量的是含有腐蝕性氣體的混合氣體,如在某些化工生產(chǎn)尾氣中,含有少量的二氧化硫等腐蝕性成分,那么流量計(jì)的傳感器及測量管等關(guān)鍵部件就必須采用耐腐蝕的材質(zhì),如哈氏合金等,以防止部件被腐蝕,影響測量精度與儀表使用壽命。
液體測量:液體的腐蝕性、粘度以及是否含有雜質(zhì),都會顯著影響渦街流量計(jì)的測量效果。對于強(qiáng)腐蝕性酸液,如硫酸、鹽酸等,必須選用由聚四氟乙烯、陶瓷等耐腐蝕材料制造的流量計(jì)。當(dāng)測量高粘度液體,像潤滑油、糖漿等,由于高粘度會阻礙漩渦的產(chǎn)生與傳播,使漩渦的形成頻率發(fā)生改變,進(jìn)而影響測量精度。因此,針對高粘度液體,需選用經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)、能夠適應(yīng)高粘度環(huán)境的渦街流量計(jì),這類儀表通常在傳感器結(jié)構(gòu)、檢測方式等方面進(jìn)行了優(yōu)化,以保證在高粘度介質(zhì)中也能準(zhǔn)確測量。若液體中含有固體雜質(zhì),如污水中含有泥沙、纖維等,可能會造成流量計(jì)內(nèi)部部件的磨損,甚至堵塞測量通道。此時,可在流量計(jì)前端安裝過濾器,對液體進(jìn)行預(yù)處理,同時選擇具有較大流通口徑、不易堵塞的渦街流量計(jì)。
蒸汽測量:飽和蒸汽與過熱蒸汽的物理特性差異明顯,其密度與溫度、壓力的關(guān)系也截然不同,這就決定了對測量儀表有著不同的要求。飽和蒸汽的密度僅與溫度或壓力存在單一的對應(yīng)關(guān)系,所以在測量飽和蒸汽時,可采用單溫度補(bǔ)償或單壓力補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì)。而過熱蒸汽的密度受溫度和壓力的雙重影響,且變化較為復(fù)雜,因此測量過熱蒸汽時,必須使用能夠同時對溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì),通過精確測量溫度、壓力,并結(jié)合過熱蒸汽的密度計(jì)算公式,實(shí)時修正測量數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)高精度測量。
(二)溫度與壓力
介質(zhì)的溫度和壓力范圍直接決定了渦街流量計(jì)的適用材質(zhì)與工作條件。常見的渦街流量計(jì)依據(jù)溫度劃分,有常溫(-40~100℃)、中溫(100~250℃)、高溫(100~320℃)等不同類型;按公稱壓力劃分,法蘭卡裝型一般適用于 2.5MPa 的工況,法蘭連接型常見的壓力等級有 1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa,插入式安裝型則有 1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa 等多種選擇。若介質(zhì)溫度、壓力超出常規(guī)范圍,例如在某些高溫高壓的化工反應(yīng)釜出料管道中,介質(zhì)溫度可能高達(dá) 400℃,壓力達(dá)到 5.0MPa,此時就必須選用采用耐高溫、高壓材質(zhì),如高溫合金制造的特殊設(shè)計(jì)渦街流量計(jì)。這種流量計(jì)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性能等方面都經(jīng)過特殊優(yōu)化,以確保在工況下能夠穩(wěn)定運(yùn)行,維持測量精度,延長儀表使用壽命。
二、流量范圍
(一)常用流量范圍
在選型時,應(yīng)盡量將常用流量控制在渦街流量計(jì)可測范圍的中上部區(qū)域。這是因?yàn)樵跍u街流量計(jì)的下限流量測量區(qū)間,極易受到管道振動等外界因素的干擾。當(dāng)流量接近下限值時,漩渦信號相對較弱,管道的輕微振動就可能掩蓋真實(shí)的漩渦信號,導(dǎo)致測量誤差增大。例如,某工業(yè)生產(chǎn)過程中,常用流量為 30m3/h,若所選渦街流量計(jì)的可測流量范圍為 20 - 100m3/h,那么該常用流量處于流量計(jì)可測范圍的中上部,能夠有效避開低下限測量的不穩(wěn)定區(qū)域,保證測量精度;但如果可測范圍為 50 - 200m3/h,30m3/h 的常用流量就處于其范圍的中下部,此時測量穩(wěn)定性和精度就難以保證。
(二)流量波動情況
若工況中的流量波動較大,如化工生產(chǎn)中的間歇式反應(yīng)過程,在反應(yīng)開始和結(jié)束階段,物料流量會急劇變化,此時就需要考慮渦街流量計(jì)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。應(yīng)選擇具有快速響應(yīng)能力的渦街流量計(jì),這類儀表能夠在流量發(fā)生急劇變化時,迅速捕捉到漩渦頻率的改變,并將其準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為流量信號輸出,及時準(zhǔn)確地跟蹤流量變化。而對于流量相對穩(wěn)定的工況,如城市供水系統(tǒng),其流量在一天內(nèi)的變化幅度較小,對流量計(jì)響應(yīng)速度的要求相對較低,可側(cè)重于選擇穩(wěn)定性好、測量精度高的渦街流量計(jì)。
三、管道口徑
(一)安裝方式與口徑選擇
渦街流量計(jì)按安裝方式可分為管道式和插入式兩種類型。管道式渦街流量計(jì)的最小口徑為 DN15,最大可達(dá) DN300,適用于中小口徑管道的流量測量;插入式渦街流量計(jì)常規(guī)最大口徑為 DN2000,對于 DN2000 以上的超大口徑管道,則需根據(jù)實(shí)際需求按協(xié)議供貨。在選型時,要緊密結(jié)合實(shí)際管道口徑來確定合適的安裝方式與流量計(jì)口徑。若管道口徑為 DN250,由于其口徑較大,采用插入式渦街流量計(jì)能夠在保證測量精度的前提下,降低安裝成本與維護(hù)難度;若管道口徑為 DN80,屬于中小口徑管道,選擇管道式渦街流量計(jì)即可滿足測量需求,且安裝更為便捷。
(二)變徑情況
當(dāng)流量范圍與管道口徑不匹配時,可通過縮徑或擴(kuò)徑的方式來適配流量計(jì)。但在實(shí)施過程中,必須注意一些關(guān)鍵問題。儀表的縮擴(kuò)徑不宜過大,因?yàn)榭s徑會使管道內(nèi)流體流速顯著提高,這不僅會增加流體的流動阻力,還可能導(dǎo)致管道背壓升高,影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行;而擴(kuò)徑則容易引發(fā)空穴現(xiàn)象,造成流體對管道及流量計(jì)內(nèi)部部件的氣蝕破壞。在直管段允許的情況下,建議選擇 “變徑頭 + 直管段” 的組合方式,即在流量計(jì)前后安裝合適的變徑頭,然后在變徑頭與流量計(jì)之間設(shè)置一定長度的直管段。這樣可以使流體在經(jīng)過變徑后,有足夠的距離恢復(fù)穩(wěn)定的流動狀態(tài),從而保證渦街流量計(jì)能夠準(zhǔn)確測量流體流量。
四、測量精度
(一)精度等級
渦街流量計(jì)的精度等級存在差異,且不同測量介質(zhì)對應(yīng)的精度也有所不同。管道式渦街流量計(jì)在測量液體時,精度可達(dá) 1.0 級,意味著其測量誤差在 ±1.0% 以內(nèi);測量氣體時,精度可達(dá) 1.5 級。插入式渦街流量計(jì)的精度一般為 1.5 級和 2.5 級。在對測量精度有所要求的場合,如貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域,準(zhǔn)確的流量計(jì)量直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)利益,此時應(yīng)優(yōu)先選用高精度的管道式渦街流量計(jì)來測量液體,以確保計(jì)量的準(zhǔn)確性,避免因測量誤差導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)糾紛。
(二)影響精度因素
除了儀表自身的精度等級,安裝環(huán)境、介質(zhì)特性等外部因素也會對測量精度產(chǎn)生重要影響。在安裝過程中,若上下游直管段長度不足,流體在進(jìn)入流量計(jì)時無法形成穩(wěn)定的流態(tài),會導(dǎo)致漩渦的產(chǎn)生和傳播受到干擾,從而增大測量誤差。一般來說,上游直管段長度要求不小于 10D(D 為管道內(nèi)徑),下游直管段長度不小于 5D。管道振動同樣會對測量精度造成負(fù)面影響,強(qiáng)烈的振動可能使流量計(jì)內(nèi)部的傳感器發(fā)生位移或產(chǎn)生額外的振動信號,干擾真實(shí)的漩渦信號。若介質(zhì)中含有氣泡或雜質(zhì),氣泡會改變流體的密度和流動特性,雜質(zhì)可能會磨損流量計(jì)的內(nèi)部部件,這些都可能導(dǎo)致測量誤差增大。因此,在安裝渦街流量計(jì)時,務(wù)必嚴(yán)格按照安裝要求執(zhí)行,確保上下游直管段長度符合標(biāo)準(zhǔn),并采取有效的減振措施;同時,要對介質(zhì)進(jìn)行必要的預(yù)處理,如通過過濾器去除雜質(zhì),采用氣液分離器分離氣泡,以保證測量精度。
五、供電電源與輸出信號
(一)供電電源
市場上的渦街流量計(jì)供電電源類型多樣,主要有 +12VDC(三線制脈沖輸出)、+24VDC(三線制脈沖輸出型及二線制電流輸出型)、3.6V 鋰電池、雙供電等。在選型時,要充分考慮現(xiàn)場供電條件與功耗要求。若現(xiàn)場供電不便,如偏遠(yuǎn)地區(qū)的野外監(jiān)測站,或者需要流量計(jì)在無市電供應(yīng)的情況下長時間獨(dú)立工作,可選擇鋰電池供電的渦街流量計(jì),其具有自供電、無需外接電源、安裝維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。若現(xiàn)場具備穩(wěn)定的市電供應(yīng),且對流量計(jì)的功耗要求不高,可選擇 +24VDC 供電方式,這種供電方式能夠?yàn)榱髁坑?jì)提供穩(wěn)定的電力支持,保證其長期穩(wěn)定運(yùn)行。
(二)輸出信號
渦街流量計(jì)的輸出信號主要有電壓頻率脈沖輸出、兩線制 4 - 20mA 輸出、HART 輸出,此外還可提供 modbus 的 RS485 通訊用于數(shù)字量輸出。用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求選擇合適的輸出信號。若需將流量數(shù)據(jù)接入 PLC 或 DCS 系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控與控制,兩線制 4 - 20mA 輸出或 modbus 的 RS485 通訊接口的渦街流量計(jì)是較為理想的選擇。兩線制 4 - 20mA 輸出信號具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)⒘髁啃盘柗€(wěn)定地傳輸至 PLC 或 DCS 系統(tǒng);modbus 的 RS485 通訊接口則可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的快速、準(zhǔn)確傳輸,便于系統(tǒng)對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和分析。
六、安裝環(huán)境
(一)環(huán)境條件
渦街流量計(jì)在安裝時,要盡可能避開強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)電源開關(guān)設(shè)備等,這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場,可能會對渦街流量計(jì)的信號傳輸和測量精度造成干擾。例如,在變電站附近安裝渦街流量計(jì)時,若不采取有效的屏蔽措施,強(qiáng)電磁場可能導(dǎo)致流量計(jì)輸出信號出現(xiàn)波動,測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。同時,也要避開高溫?zé)嵩春洼椛湓矗邷乜赡軙沽髁坑?jì)內(nèi)部的電子元件性能下降,甚至損壞;輻射源可能會干擾流量計(jì)的電子線路,影響其正常工作。強(qiáng)烈震動場所同樣不適宜安裝渦街流量計(jì),因?yàn)檎駝涌赡軙沽髁坑?jì)內(nèi)部的部件松動、損壞,或者導(dǎo)致測量信號失真。若無法避開振動環(huán)境,可在傳感器上下游 2D 處設(shè)置管道緊固裝置,并在裝置與管道之間加裝防振墊,以減少振動對流量計(jì)的影響。另外,強(qiáng)腐蝕環(huán)境會對儀表外殼和內(nèi)部部件造成腐蝕,縮短儀表使用壽命,應(yīng)盡量避免在這種環(huán)境中安裝渦街流量計(jì)。若必須安裝,需選用具有耐腐蝕外殼和內(nèi)部部件的流量計(jì),并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。
(二)防護(hù)等級
常用的 IP 防護(hù)等級有 IP65(防止灰塵侵入及阻止噴水)、IP67(防止灰塵侵入及短暫淹沒)、IP68(防止灰塵侵入及持續(xù)淹沒)。在選擇防護(hù)等級時,要依據(jù)安裝位置來確定。如果渦街流量計(jì)安裝在室內(nèi),環(huán)境相對較好,可選 IP65 防護(hù)等級,能夠有效防止灰塵侵入和一般性的噴水,保護(hù)流量計(jì)內(nèi)部部件不受損害。若安裝在室外地面以上位置,考慮到可能會受到雨水、風(fēng)沙等侵襲,應(yīng)選擇 IP65 以上防護(hù)等級的流量計(jì),如 IP67,以增強(qiáng)防護(hù)能力。對于安裝在室外地面以下溝渠中的渦街流量計(jì),由于可能會遭受雨水浸泡,必須選擇 IP68 及分離型放大器,分離型放大器可將電子元件部分安裝在高于水面的位置,防止雨水浸泡損壞放大器,確保流量計(jì)能夠正常工作。
七、溫壓補(bǔ)償
(一)補(bǔ)償需求判斷
在實(shí)際工況中,若工況偏差不大或?qū)y量精度要求不高,可不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。但在需要精確計(jì)量的場合,溫壓補(bǔ)償則至關(guān)重要。以氣體測量為例,氣體的體積流量會隨著溫度和壓力的變化而顯著改變。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,氣體的體積流量與工況下的體積流量存在較大差異,若不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償,直接以工況體積流量作為計(jì)量依據(jù),會導(dǎo)致計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。因此,一般在測量氣體時,需要同時對溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償。測量過熱蒸汽時,由于蒸汽密度隨溫度、壓力變化較為復(fù)雜,且質(zhì)量流量受溫度、壓力影響較大,同樣需要溫度、壓力同時補(bǔ)償,才能準(zhǔn)確測量蒸汽的質(zhì)量流量。而對于飽和蒸汽,其密度與溫度或壓力存在固定的對應(yīng)關(guān)系,所以可采用單溫度補(bǔ)償或單壓力補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測量。
(二)補(bǔ)償方式
通常采用的溫壓補(bǔ)償方式是在現(xiàn)場安裝壓力、溫度傳感器,將壓力、溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與流量數(shù)據(jù)一同接至積算儀或上傳至 DCS 系統(tǒng)。積算儀或 DCS 系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的計(jì)算公式,結(jié)合氣體或蒸汽的狀態(tài)方程,對溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算,從而得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量數(shù)據(jù)。例如,在天然氣計(jì)量過程中,通過溫壓補(bǔ)償可將工況體積流量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量,這樣能夠消除溫度和壓力變化對計(jì)量結(jié)果的影響,保證計(jì)量的準(zhǔn)確性,滿足貿(mào)易結(jié)算等高精度計(jì)量需求。
八、防爆要求
在易燃易爆場合,如石油化工、煤礦等行業(yè),由于存在易燃易爆的氣體、粉塵等物質(zhì),一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故,后果將不堪設(shè)想。因此,在這些場合必須選用防爆型渦街流量計(jì)。在選型時,要根據(jù)危險區(qū)域劃分和氣體、粉塵防爆等級要求,嚴(yán)格選擇相應(yīng)防爆等級的流量計(jì)。例如,在石油化工的一些危險區(qū)域,可能要求選用本安型 iaIIbT3 - T6 等防爆等級的渦街流量計(jì)。這類防爆型流量計(jì)在設(shè)計(jì)和制造過程中,采取了一系列防爆措施,如對電氣部件進(jìn)行特殊封裝,限制電路的能量,使其在正常工作或故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花、熱效應(yīng)等都不足以點(diǎn)燃周圍的易燃易爆物質(zhì),從而確保使用安全。