減壓閥振蕩對渦街流量計的影響

渦街流量計現在已經得到廣泛應用，尤其是在蒸汽和中低壓氣體的 純水，污水流量 測量方面，占有重要地位。這是因為它具有精確度較高、范圍度較寬、線性分度、無零點漂移，而且結構簡單、牢固、安裝維護方便等特點。與此同時，它也存在耐振性較差、脈動流影響嚴重、抗干擾能力弱等局限性，這就吸引著人們對它進行研究，取其所長，避其所短。

　　渦街流量計與調節閥(減壓閥)安裝設計在同一根管道上，兩者經常容易碰到。如圖1所示，來自鍋爐房或熱力公司的外來蒸汽，在測量流量后經穩壓閥(或減壓閥)，進入分配器，供各用汽設備使用。在流量調節系統中，流量計與調節閥直接連接，如圖2所示。

　　從儀表的實際運行情況來看，調節閥(或減壓閥)在運行中出現振蕩的情況也時有發生。有的是在 流速儀 某些時段出現振蕩;有的是在某一些開度出現振蕩，而產生振蕩的原因更是復雜多樣。

　　按照引起振蕩的原因分類，大致有以下幾種原因[2-3]：

　　①閥芯存在不平衡力，而閥門又在小開度條件下工作，從而引起振蕩，有時甚至發出嘯叫;

　　②調節系統參數整定不當，引起系統等幅振蕩，調節閥也振蕩不停;

　　③調節閥的閥芯存在干摩擦，從而導致系統振蕩;

　　④由于覺察不到的原因而引起的難以覺察的振蕩。

　　振蕩的幅值和振蕩頻率也有很大差異，但總的來說，振蕩都會引起流動脈動，進而改變渦街流量計的輸出。

　　1 閥門振蕩對渦街流量計的影響

　　渦街流量計是最容易受流動脈動傷害的流量計之一。流動脈動從發生源經流體向下游或上游傳遞到渦街流量計，并作用在其傳感器上， 明渠流量計 導致傳感器輸出脈沖數量額外增加，更嚴重的是渦街流量計還會出現一種“鎖定”現象[4]。

　　1.1 脈動頻率的影響

　　在分析流動脈動對渦街流量計影響時，脈動頻率是重要參數，起決定性作用的是脈動頻率fP與旋渦剝離頻率fv的比值。當此比值較小時，具有近似的穩定流特性，旋渦剝離頻率隨流速變化，斯特羅哈爾數或校準常數不變。當脈動頻率與旋渦剝離頻率的比值較大時，就出現一種強烈的趨勢，即旋渦剝離周期被“鎖定”，即與脈動周期相同(fv=fP)或是脈動周期的一半

　　在鎖定條件下，流量計輸出停頓，流量指示誤差可高達±80%。當脈動頻率大大高于旋渦剝離頻率時，無明顯的鎖定現象，但斯特羅哈爾數發生變化，造成穩定流校準數據明顯偏離，達到10-1的數量級。
　　流速脈動幅值U′rms/U的試驗數據表明，此幅值不能超過20%。其中，U′rms為流速脈動均方根值;U為軸向流速。脈動頻率的限定是指在最低流速時，脈動頻率應小于旋渦剝離頻率的25%[2]。

　　1.2 渦街流量計測量脈動流流量

　　采取合適的阻尼方法將脈動衰減到足夠小的幅值(通常為3%)是渦街流量計測量脈動流流量時常用且有效的方法。但當脈動幅值仍高于3%時，可對測量不確定度進行估算，然后對誤差進行校正。

　　脈動引起的鎖定現象應設法避免。可行的方法有兩個：一是制造發生體較窄的渦街流量計，提高儀表的輸出頻率，從而使旋渦剝離頻率同脈動頻率錯開得遠一些;二是采用插入式渦街流量計測量大管徑流量。在相同流速的條件下，小口徑流量計輸出頻率比大口徑高若干倍。因此，采用插入式渦街流量計也能將旋渦剝離頻率同脈動頻率有效錯開。

　　1.3 測量不確定度的估算

　　如果fv/fP<0.25，且U′rms/U<0.2，測量不確定度約為1%;如果fv比fP高得多，但無明顯的鎖定現象，流速脈動幅值在0.1～0.2之間，則誤差可能為流量示值的10-1的數量級。

　　2 應用實例

　　為了增加讀者對調節閥(減壓閥)振蕩對渦街流量計影響的感性認識，下面列舉兩個來自使用現場的實例。

　　2.1 調節系統振蕩引入的脈動及其克服方法

　　上海米其林輪胎公司新建兩臺35t/h鍋爐供3.9MPa飽和蒸汽。蒸汽流量使用渦街流量計測量，儀表配置如圖3所示[5-6]。鍋爐投入運行后，各路蒸汽分表的示值之和與總表經平衡計算的差值≤1%R，發汽量與進水量平衡測試結果也令人滿意。運行三個星期后出現了新情況，即去除氧器的一套蒸汽流量計示值有時會突然跳高，從而使分表之和比總表示值高約20%。

　　在現場了解情況時，儀表人員觀察到了流量計示值突然跳高的現象。從記錄紙上可清楚看出，測量范圍為0～10t/h的除氧器耗汽流量，正常時在3t/h左右波動，最高時也未高于5t/h;但在異常情況發生后，流量示值突然跳到10t/h以上并長時間維持此值。

　　儀表人員立即到蒸汽分配器處觀察，發現去除氧器的一路蒸汽管有異常的振動，管內壓力有周期性的小幅度擺動。儀表人員又到除氧器處觀察，其蒸汽系統如圖4所示。

　　3.9MPa蒸汽經壓力調節器直接作用，減壓到0.6MPa后，再經用于除氧溫度控制的偏芯旋轉閥送出。觀察發現，經減壓后的蒸汽壓力在0.1～0.8MPa之間大幅度、周期性地擺動，周期約4s;而偏芯旋轉閥閥位并無明顯擺動。顯然，壓力振蕩是由直接作用式壓力調節系統振蕩引起的。

　　因此，建議熱力工程師將減壓前的切斷閥緩慢關小，直至振蕩停止，流量示值也就恢復正常。分析上述現象，歸納如下。

　　①流量示值突然跳高是由于流體從定常流突然變為脈動流。

　　②脈動流的形成源于減壓閥振蕩。

　　③減壓閥振蕩是因其兩端壓差大，閥門開度小，閥芯還可能存在一定的干摩擦。

　　④關小調節閥的上游切斷閥后，減壓閥開度增大，振蕩停止。這是因為閥門開大后，減壓閥兩端壓差減小，等效放大系數相應減小。

　　⑤減壓閥應盡早拆開檢查，改善干摩擦、清除卡滯，以徹底消除產生脈動的根源。

　　2.2 減壓閥引入的脈動及其克服方法

　　該實例發生在上海的一幢88層大廈。大廈所屬鍋爐房經分配器向洗衣房供汽。因蒸汽壓力太高，所以中間設置了一個直接作用式減壓系統。減壓與流量測量系統如圖5所示。

　　該系統投運后的最初幾年，運行一直良好。白天和上半夜，洗衣房開工，蒸汽流量在1.0～2.5t/h之間波動;后半夜收工后，流量減為0.2t/h左右。

　　但在2007年1月的一次停車小修之后，情況發生了變化。其中，開工期間的流量變化范圍并無異樣，而停工期間的流量示值卻大幅度升高，甚至比開工期間的最大流量還要大。因此，有關人員特地在收工期間進行檢查。典型流量曲線如圖6所示。

　　分析減壓閥異常原因過程中，因為不論流量大與小，減壓閥后的壓力總是穩定在0.4MPa，所以，人們一直認為它是好的，沒有懷疑的必要。但在一籌莫展的情況下，不得不開始懷疑減壓閥。于是，通過閥門V3對出口壓力進行控制，而將閥門V2逐步關小，直至關死。待切換完畢，流量示值跌到0.2t/h以下，從而真相大白。后來，維修人員更換了減壓閥的金屬膜片，最終處理了故障。

　　這一故障的處理帶給筆者的啟發大致有以下幾條。

　　①一臺減壓閥能將出口壓力(或進口壓力)穩定地控制在規定值，從而完成其主要任務，但不能因此而忽視其對流量測量可能存在的影響。

　　②一臺減壓閥在開度大的時候可能對流量測量不存在影響，但不能因此斷定在開度小的時候也不存在影響。因為閥門前后的壓差不同、開度不同、管網的配置不同等，都可能影響減壓閥的穩定性。

　　③減壓閥是否振蕩，通常觀察它是否存在明顯的振動，閥芯是否存在明顯的抖動，是否發出振蕩叫聲。但即使無振動、無抖動也無叫聲，也不能作出不振蕩的判斷。

　　④檢驗減壓閥是否振蕩并對渦街流量計產生干擾，最可靠和簡單的辦法就是跳開減壓閥，改由旁通閥控制。

　　⑤減壓閥振蕩(或僅在某一開度存在振蕩現象)導致渦街流量計示值偏高，是由于振蕩引起流動脈動，干擾渦街流量傳感器的工作。

　　⑥解決減壓閥振蕩的方法是對減壓閥進行維修或改善其工作條件，使振蕩條件不成立。