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渦街流量計的選型

來源:南京金諾儀表有限公司   2025年03月25日 09:36  

渦街流量計選型指南

渦街流量計作為工業流量測量的關鍵儀表,憑借其測量精度高、量程范圍寬、壓損小、維護簡便等諸多優勢,在化工、石油、電力、冶金、給排水等工業領域廣泛應用,能夠精準測量氣體、液體、蒸汽等各類介質的流量。然而,要讓渦街流量計在實際工況中穩定、精確運行,選型環節極為關鍵。這一過程需要綜合考量測量介質特性、流量范圍、管道口徑、測量精度、供電電源與輸出信號、安裝環境、溫壓補償、防爆要求等多方面因素,任何一個環節的疏忽都可能導致測量偏差甚至儀表故障。以下將對這些選型要點進行深入剖析。

一、測量介質特性

(一)種類

  1. 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,由于在實際使用中壓力、溫度會頻繁波動,導致其密度大幅變化。在這種情況下,就需要選擇具備壓力、溫度自動補償功能的渦街流量計,這類儀表可實時感知壓力、溫度變化,并依據氣體狀態方程對測量數據進行修正,從而確保測量結果的準確性。若測量的是含有腐蝕性氣體的混合氣體,如在某些化工生產尾氣中,含有少量的二氧化硫等腐蝕性成分,那么流量計的傳感器及測量管等關鍵部件就必須采用耐腐蝕的材質,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。

  1. 液體測量:液體的腐蝕性、粘度以及是否含有雜質,都會顯著影響渦街流量計的測量效果。對于強腐蝕性酸液,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。當測量高粘度液體,像潤滑油、糖漿等,由于高粘度會阻礙漩渦的產生與傳播,使漩渦的形成頻率發生改變,進而影響測量精度。因此,針對高粘度液體,需選用經過特殊設計、能夠適應高粘度環境的渦街流量計,這類儀表通常在傳感器結構、檢測方式等方面進行了優化,以保證在高粘度介質中也能準確測量。若液體中含有固體雜質,如污水中含有泥沙、纖維等,可能會造成流量計內部部件的磨損,甚至堵塞測量通道。此時,可在流量計前端安裝過濾器,對液體進行預處理,同時選擇具有較大流通口徑、不易堵塞的渦街流量計。

  1. 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關系,所以在測量飽和蒸汽時,可采用單溫度補償或單壓力補償的渦街流量計。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行補償的渦街流量計,通過精確測量溫度、壓力,并結合過熱蒸汽的密度計算公式,實時修正測量數據,以實現高精度測量。

(二)溫度與壓力

介質的溫度和壓力范圍直接決定了渦街流量計的適用材質與工作條件。常見的渦街流量計依據溫度劃分,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。若介質溫度、壓力超出常規范圍,例如在某些高溫高壓的化工反應釜出料管道中,介質溫度可能高達 400℃,壓力達到 5.0MPa,此時就必須選用采用耐高溫、高壓材質,如高溫合金制造的特殊設計渦街流量計。這種流量計在結構強度、密封性能等方面都經過特殊優化,以確保在工況下能夠穩定運行,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,應盡量將常用流量控制在渦街流量計可測范圍的中上部區域。這是因為在渦街流量計的下限流量測量區間,極易受到管道振動等外界因素的干擾。當流量接近下限值時,漩渦信號相對較弱,管道的輕微振動就可能掩蓋真實的漩渦信號,導致測量誤差增大。例如,某工業生產過程中,常用流量為 30m3/h,若所選渦街流量計的可測流量范圍為 20 - 100m3/h,那么該常用流量處于流量計可測范圍的中上部,能夠有效避開低下限測量的不穩定區域,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,如化工生產中的間歇式反應過程,在反應開始和結束階段,物料流量會急劇變化,此時就需要考慮渦街流量計的響應速度與穩定性。應選擇具有快速響應能力的渦街流量計,這類儀表能夠在流量發生急劇變化時,迅速捕捉到漩渦頻率的改變,并將其準確轉換為流量信號輸出,及時準確地跟蹤流量變化。而對于流量相對穩定的工況,如城市供水系統,其流量在一天內的變化幅度較小,對流量計響應速度的要求相對較低,可側重于選擇穩定性好、測量精度高的渦街流量計。

三、管道口徑

(一)安裝方式與口徑選擇

渦街流量計按安裝方式可分為管道式和插入式兩種類型。管道式渦街流量計的最小口徑為 DN15,最大可達 DN300,適用于中小口徑管道的流量測量;插入式渦街流量計常規最大口徑為 DN2000,對于 DN2000 以上的超大口徑管道,則需根據實際需求按協議供貨。在選型時,要緊密結合實際管道口徑來確定合適的安裝方式與流量計口徑。若管道口徑為 DN250,由于其口徑較大,采用插入式渦街流量計能夠在保證測量精度的前提下,降低安裝成本與維護難度;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即可滿足測量需求,且安裝更為便捷。

(二)變徑情況

當流量范圍與管道口徑不匹配時,可通過縮徑或擴徑的方式來適配流量計。但在實施過程中,必須注意一些關鍵問題。儀表的縮擴徑不宜過大,因為縮徑會使管道內流體流速顯著提高,這不僅會增加流體的流動阻力,還可能導致管道背壓升高,影響整個系統的正常運行;而擴徑則容易引發空穴現象,造成流體對管道及流量計內部部件的氣蝕破壞。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,即在流量計前后安裝合適的變徑頭,然后在變徑頭與流量計之間設置一定長度的直管段。這樣可以使流體在經過變徑后,有足夠的距離恢復穩定的流動狀態,從而保證渦街流量計能夠準確測量流體流量。

四、測量精度

(一)精度等級

渦街流量計的精度等級存在差異,且不同測量介質對應的精度也有所不同。管道式渦街流量計在測量液體時,精度可達 1.0 級,意味著其測量誤差在 ±1.0% 以內;測量氣體時,精度可達 1.5 級。插入式渦街流量計的精度一般為 1.5 級和 2.5 級。在對測量精度有所要求的場合,如貿易結算領域,準確的流量計量直接關系到經濟利益,此時應優先選用高精度的管道式渦街流量計來測量液體,以確保計量的準確性,避免因測量誤差導致的經濟糾紛。

(二)影響精度因素

除了儀表自身的精度等級,安裝環境、介質特性等外部因素也會對測量精度產生重要影響。在安裝過程中,若上下游直管段長度不足,流體在進入流量計時無法形成穩定的流態,會導致漩渦的產生和傳播受到干擾,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面影響,強烈的振動可能使流量計內部的傳感器發生位移或產生額外的振動信號,干擾真實的漩渦信號。若介質中含有氣泡或雜質,氣泡會改變流體的密度和流動特性,雜質可能會磨損流量計的內部部件,這些都可能導致測量誤差增大。因此,在安裝渦街流量計時,務必嚴格按照安裝要求執行,確保上下游直管段長度符合標準,并采取有效的減振措施;同時,要對介質進行必要的預處理,如通過過濾器去除雜質,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,要充分考慮現場供電條件與功耗要求。若現場供電不便,如偏遠地區的野外監測站,或者需要流量計在無市電供應的情況下長時間獨立工作,可選擇鋰電池供電的渦街流量計,其具有自供電、無需外接電源、安裝維護簡便等優點。若現場具備穩定的市電供應,且對流量計的功耗要求不高,可選擇 +24VDC 供電方式,這種供電方式能夠為流量計提供穩定的電力支持,保證其長期穩定運行。

(二)輸出信號

渦街流量計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 通訊用于數字量輸出。用戶應根據實際系統需求選擇合適的輸出信號。若需將流量數據接入 PLC 或 DCS 系統進行集中監控與控制,兩線制 4 - 20mA 輸出或 modbus 的 RS485 通訊接口的渦街流量計是較為理想的選擇。兩線制 4 - 20mA 輸出信號具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點,能夠將流量信號穩定地傳輸至 PLC 或 DCS 系統;modbus 的 RS485 通訊接口則可實現數字量的快速、準確傳輸,便于系統對流量數據進行處理、存儲和分析。

六、安裝環境

(一)環境條件

渦街流量計在安裝時,要盡可能避開強電力設備、高頻設備、強電源開關設備等,這些設備在運行過程中會產生強大的電磁場,可能會對渦街流量計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時,若不采取有效的屏蔽措施,強電磁場可能導致流量計輸出信號出現波動,測量數據不準確。同時,也要避開高溫熱源和輻射源,高溫可能會使流量計內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的電子線路,影響其正常工作。強烈震動場所同樣不適宜安裝渦街流量計,因為振動可能會使流量計內部的部件松動、損壞,或者導致測量信號失真。若無法避開振動環境,可在傳感器上下游 2D 處設置管道緊固裝置,并在裝置與管道之間加裝防振墊,以減少振動對流量計的影響。另外,強腐蝕環境會對儀表外殼和內部部件造成腐蝕,縮短儀表使用壽命,應盡量避免在這種環境中安裝渦街流量計。若必須安裝,需選用具有耐腐蝕外殼和內部部件的流量計,并采取相應的防護措施。

(二)防護等級

常用的 IP 防護等級有 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淹沒)。在選擇防護等級時,要依據安裝位置來確定。如果渦街流量計安裝在室內,環境相對較好,可選 IP65 防護等級,能夠有效防止灰塵侵入和一般性的噴水,保護流量計內部部件不受損害。若安裝在室外地面以上位置,考慮到可能會受到雨水、風沙等侵襲,應選擇 IP65 以上防護等級的流量計,如 IP67,以增強防護能力。對于安裝在室外地面以下溝渠中的渦街流量計,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,確保流量計能夠正常工作。

七、溫壓補償

(一)補償需求判斷

在實際工況中,若工況偏差不大或對測量精度要求不高,可不進行溫壓補償。但在需要精確計量的場合,溫壓補償則至關重要。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。在標準狀況下,氣體的體積流量與工況下的體積流量存在較大差異,若不進行溫壓補償,直接以工況體積流量作為計量依據,會導致計量結果出現較大誤差。因此,一般在測量氣體時,需要同時對溫度和壓力進行補償。測量過熱蒸汽時,由于蒸汽密度隨溫度、壓力變化較為復雜,且質量流量受溫度、壓力影響較大,同樣需要溫度、壓力同時補償,才能準確測量蒸汽的質量流量。而對于飽和蒸汽,其密度與溫度或壓力存在固定的對應關系,所以可采用單溫度補償或單壓力補償的方式來實現較為準確的測量。

(二)補償方式

通常采用的溫壓補償方式是在現場安裝壓力、溫度傳感器,將壓力、溫度傳感器采集到的數據與流量數據一同接至積算儀或上傳至 DCS 系統。積算儀或 DCS 系統會根據預設的計算公式,結合氣體或蒸汽的狀態方程,對溫度、壓力、流量數據進行綜合計算,從而得到標準狀況下的流量數據。例如,在天然氣計量過程中,通過溫壓補償可將工況體積流量換算為標準狀況下的體積流量,這樣能夠消除溫度和壓力變化對計量結果的影響,保證計量的準確性,滿足貿易結算等高精度計量需求。

八、防爆要求

在易燃易爆場合,如石油化工、煤礦等行業,由于存在易燃易爆的氣體、粉塵等物質,一旦發生火災或爆炸事故,后果將不堪設想。因此,在這些場合必須選用防爆型渦街流量計。在選型時,要根據危險區域劃分和氣體、粉塵防爆等級要求,嚴格選擇相應防爆等級的流量計。例如,在石油化工的一些危險區域,可能要求選用本安型 iaIIbT3 - T6 等防爆等級的渦街流量計。這類防爆型流量計在設計和制造過程中,采取了一系列防爆措施,如對電氣部件進行特殊封裝,限制電路的能量,使其在正常工作或故障狀態下產生的電火花、熱效應等都不足以點燃周圍的易燃易爆物質,從而確保使用安全。


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