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多参数测量蒸汽涡街流量计的设计
发布时间:2019-09-30

摘要:在蒸汽能源的生产过程计量和自动控制领域中,用一台仪表能同时对流量、温度和压力等多参数进行测量的功能非常重要。研制的一种集通用涡街流量传感器及温度压力传感器于一体的蒸汽涡街流量计,实现了对蒸汽的流量、温度、压力和质量流量等多参数的准确测量或积算,并且具有现场显示、标准信号远传和通讯功能,更便于自动化管理。
  蒸汽是一种比较特殊的能源介质,随着工况温度和压力的变化,过热蒸汽经常会转变成为饱和蒸汽,并且温度压力不同蒸汽密度也不同,现有蒸汽计量仪表常用的是以孔板流量计为代表的差压式流量计[1]或普通涡街流量计等,由于它们仅测量体积流量,测量不了温度和压力,肯定会存在最终测不准的问题。并且常用的差压式流量计压损很大[1-3],是涡街的数倍以上,产生的能源消耗浪费很大,并且差压式流量计计量系统零部件数量较多、安装复杂、维护费用高;普通的涡街流量计也仅能测量体积流量,不能测量温度、压力和密度,且耐高温性能差。目前,蒸汽质量流量测量基本上仍采用推导法(间接法)质量积算法,在推导式质量计量中,关键环节是蒸汽密度的求取,蒸汽工况变化后,由蒸汽温度压力求取其密度的关系式亦发生变化。多参数[4]测量的蒸汽涡街流量计的研制为蒸汽流量的准确测量提供了新的方法。
1流量计的结构和测量原理
  多参数测量的蒸汽涡街流量计的结构设计如图1所示,它是由测量管表体、涡街流量传感器、温度传感器、压力传感器、积算显示仪和测量电路组成的结构一体化的测量系统。涡街流量传感器安装在旋涡发生体后,基于卡门涡街原理[5]感受被测流体的涡街旋涡升力,传感器输出的信号频率值正比于流体流量,通过测出频率计算出被测的体积流量;温度传感器安装在流量传感器下游,测出蒸汽的工况温度;压力传感器测量旋涡发生体后的蒸汽压力,等效于流量传感器测量点处的工况压力,它的引压孔位于旋涡发生体侧面靠后方与流量传感器安装点相垂直的位置,引压弯管中充有蒸汽冷凝导压液,可以防止高温气体直接与压力传感器接触。流量传感器、温度传感器和压力传感器的3路电信号经由穿过支撑筒柱内的各自信号导线上传到流量积算仪中进行信号处理和转换,再由积算显示仪计算出工况体积流量值、工况压力值和工况温度值。已知饱和或过热蒸汽的密度是其工况温度和压力的二元变量特定函数,该蒸汽密度值和相关计算公式存储在流量积算仪的存储器内,在测量到实际温度和压力后通过自动调用或查询存储数据库读取蒸汽密度,再与之前测量出的工况体积量乘积就可精确算出蒸汽质量流量。
蒸汽涡街流量计整机结构图
2设计
2.1一体化整机结构设计
1)一体化的流量计结构主体为两端焊接标准法兰结构的测量管表体,腔内装一个三角柱状形截面的旋涡发生体,测量管表体长度根据口径大小和安装要求设计成系列化标准长度,使得每一种流量计满足于不同压力、不同口径的管道连接并具有标准化结构和尺寸,该表体结构标准化高、加工成本低。
2)测量管表体腔内上游焊接有三角柱形截面的旋涡发生体[6],旋涡发生体与测量管表体的材质都采用奥氏体不锈钢制成,具有良好的耐腐、耐高温特性;旋涡发生体前段的直管段长度约为表体总长的1/3;三角柱形的发生体的大端宽度尺寸为表体内实际直径的0.27~0.28倍;这种结构和材料设计能确保流量计在测量高温蒸汽时仍具有稳定的结构尺寸从而实现稳定的K系数,同时具有良好的线性度和最小的压力损失等多种特性。
3)如图1所示,流量传感器、温度传感器和压力传感器及其组件按顺序依次安装在表体上,即温度和压力传感器都安装在旋涡发生体的下游,不仅实现了安装结构紧凑,而且安装位置与国家标准或国际标准的规范要求相一致。该位置设计合理保证了温度和压力测量值更准确,使得经过压力和温度补偿积算后的仪表线性度更高,能实现对蒸汽质量的高精度计量要求。
4)积算显示仪通过一个加长型的支撑筒柱远离本体安装,能避免本体的高温影响,满足蒸汽计量的高温要求;必要时,积算显示仪还可整体与表体分离型安装,通过特制电缆相连接。
5)压力传感器靠近积算显示仪安装在支撑筒的上端位置,以远离可能的高温表体,仅通过带有回形管段的引压管导压测量到已降温的蒸汽压力值,提高了压力测量系统的可靠性,并延长寿命。
  综述以上结构设计,实现的一体化结构即具有紧凑简洁的标准化结构,又具有适于高温蒸汽计量的耐温结构,总体提高了产品的可靠性和准确性。
2.2涡街流量传感器的设计
  涡街流量传感器是涡街流量计的最核心部件,它的性能直接决定了涡街流量计的总体性能,用于蒸汽计量的场合要求更高;一是温度高,最高要能耐到400℃;二是流量大,工业蒸汽计量的管道流速一般范围为10~70m/s[7],三是要耐冲击,蒸汽的密度大,一般为常温空气的数倍或10倍,密度大的介质对高温下的传感器的冲击力破坏也大。以上3点就是要求涡街流量传感器在结构、材料和性能上要有合理的设计和要求以满足大流量的高温蒸汽计量。为此,本研究采用了压电传感器与旋涡发生体(三角柱)分离型的结构方案,研制了一种小尺寸悬臂梁[8]结构的压电式通用涡街流量传感器[9](简称压电传感器),压电传感器结构示意图如图2所示,由安装法兰盘、探头扁尾、压电元件、金属铠装导线、密封罩、接线端子等组成。压电传感器通过中部的安装法兰盘与流量计壳体固定,下部的悬臂梁置于旋涡发生体内部或后面的孔洞中,压电传感器的探头扁尾两侧获取旋涡升力作用,并传感出相应的涡街流量信号。在悬臂梁内部,采用了居里温度高达1200℃铌酸锂[10]压电元件机械封装在探头内空腔中,空余空腔则无其它填充物。压电元件通过刚性结构的铠装导线将信号输出到外部的接线端子上,再通过接线端子将信号输出到外部信号处理单元进行处理。当管道流体因旋涡发生体产生涡街后,伴随产生的交变升力作用在悬臂梁下部的探头扁尾上,悬臂梁产生变形并迫使内部的压电元件也同步变形,从而产生出与交变升力对应的电荷,通过后续的一系列信号处理电路,最终获得流量信息。
压电式通用涡街流量传感器结构图
  传感器的各零部件外表材料全部选用奥氏体不锈钢,传感器的外部封装结构全部采用氩弧焊接密封,压电元件采用铌酸锂压电晶体等设计,根本上保证了涡街传感器能耐400℃高温蒸汽计量;压电传感器探头扁尾长度L和外径d设计得较小,小尺寸悬臂梁的结构设计即保证了这种传感器适用于大小各种口径流量计的配套安装,也具有很高的抗冲击性能,不会被大流量的蒸汽冲坏;另外,该传感器还具有常温1000MΩ以上的绝缘阻抗和良好的信噪比,使得流量计计量蒸汽时既有高可靠性和长寿命,还具有15∶1以上的宽量程性能。
2.3温度传感器的设计
  普通的IC温度传感器测温范围一般只限于-50℃~+125℃,本方案中选择高温薄膜铂电阻Pt100或Pt1000作为温度传感器,由于其可耐温度范围更高:-200℃~+600℃,解决了蒸汽计量耐高温问题;并且由于其微型封装,更有利于结构上与流量计实现一体化,一体化设计后引线也很短,引线电阻的影响忽略不计,所以可以采用两线制接入方式,这样的结构简单,安装也方便;其次,薄膜式铂电阻信号处理电路简单,仅需通过简单的模数转换就可接入积算显示仪内的单片机中;而且其精度高、可靠性高但价格却十分便宜。总体上,采用高温薄膜式铂电阻具有很高的性价比,适用于工业仪表量产配套。
2.4压力传感器的设计
  压力传感器设计为氩弧焊接封装结构的高稳态的压阻式压力传感器,采用标准的四线制电阻桥式接线方法与积算仪相连接;整体安装以组件结构方式远离高温管道安装在积算显示仪的前侧下方,如图1所示,压力传感器是通过引压弯管将被测流体引入后测量压力值。该压力传感器精度高,耐温稳定性好,密封可靠,安装结构合理,通用性和标准化程度高,也易于检修维护,性价比高。
2.5积算显示仪的设计
  本积算显示仪硬件系统图如图3所示,主体采用美国德州仪器(TI)公司的MSP430F149单片机[11]作为核心处理器,该型单片机是一款16位的单片机,供电电压为1.8V~3.6V,采用了精简指令集(RISC)结构,运算速度快,片上资源丰富,便于功能扩展,在其系统中共有1种工作模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0-LPM4),工作模式下工作电流只有200μA,RAM数据保持模式工作电流只有0.1μA,非常适用于各种需要电池供电的低功耗设计的工业计量仪表设备中。基于该型单片机卓越的超低功耗特性,以及实际的低功耗应用需求,是将其作为本系统的主控微处理器的主要目的。该单片机满足了多传感器信号采集和数据处理功能以及多种信号输出及通信功能所需的功耗和硬件资源要求。

  系统采用外部24VDC和内置3.6V锂亚硫电池双电源供电方式,双电源的自动切换采用电源管理继电器来控制,当系统与外部通信或对外输出脉冲信号或电流信号时,系统电能取自外供电24VDC端口,而当系统脱离外部电源单独工作时,系统电能则取自内置锂亚硫电池,这时所有通信和信号输出端口全部关闭,进入低功耗工作状态,多传感器测量系统及单片机内部积算、显示和存储单元仍然继续工作。依据实际测量需要和精度要求,温度和压力传感器测量电路模块采用间断采样工作模式,可进一步降低整个积算显示仪系统的功耗。
  这种低功耗、通信功能和双电源设计实现了蒸汽流量计可以应用在多种场合的计量需求,既可用于有外供电的场合、也可用于无外供电的场合,即使在外供电意外停电时,流量计仍然正常工作。
2.6防护性能和防爆性能设计
  为提高通用现场仪表电气安全性能及适应测量蒸汽的高温高湿特殊环境等要求,流量计采用了高标准的防护等级和防爆等级设计。即整体结构采用主要部件模块化的设计,各部件相对独立装配,部件相互间连接结构方便,连接处密封可靠;外露部分的材料主要采用不锈钢材质,防潮防锈;积算显示仪的电气外壳采用隔爆结构设计;流量计整机防护等级为IP65,防爆隔爆等级为ExdⅡCT5,适用于各种要求高的防护防爆环境下使用。
3测试与应用
  抽取试制的一台编号为B11426的DN200口径样机检定,检定装置为0.5级精度的标准表法气体流量计标准装置,检定依据标准为JJG1029-2007《涡街流量计检定规程》,采用三线制脉冲信号输出,检定流量范围为(450~7000)m3/h,检定结果为1.0级合格,实测数据如表1所示;该样机整机精度控制在1级以内时,实测平均功耗低于400μA,也满足电池供电的设计要求。

  目前该产品规格覆盖从DN15到DN300所有口径,并批量投放市场,主要用在石油石化等行业的高温蒸汽计量;用户普遍认同该产品性能、质量和新功能,以致销量逐年上升。
4结语
  自动化仪表(包括计量仪表)的高性能、节能、智能化和信息化是现场仪表的发展方向,涡街流量计在蒸汽计量领域的应用也越来越广泛,研制具有更适合蒸汽计量的专用蒸汽涡街流量计意义更为重要。多参数蒸汽涡街流量计具有结构简单、可靠性高、耐高温性好、性能稳定、压力损失小、节能能耗、量程范围大、计量精度高等特点,并且多传感器一体化设计,既解决了蒸汽测量的温压补偿和修正问题,又实现了蒸汽的多种工况参数实时测量及信息传输;该产品通过软件修改设置还可用于其他气体或液体介质的多参数精确测量。

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