减压阀振荡对涡街流量计的影响

【摘　要】:涡街流量计常与调节阀(减压阀)一起被安装在同一根管道上, 而调节阀又常常因为某些原因出现振荡, 进而引起流动脉动,导致涡街流量计输出严重偏高。通过实例分析, 给出判断振荡是否存在并进而影响涡街流量计的方法以及现场处理措施。这对今后分析减压阀振荡对涡街流量计的影响具有借鉴意义。

【引言】
涡街流量计现在已经得到广泛应用, 尤其是在蒸汽和中低压气体的流量测量方面, 占有重要地位。这是因为它具有精确度较高、范围度较宽、线性分度、无零点漂移, 而且结构简单、牢固、安装维护方便等特点。与此同时, 它也存在耐振性较差、脉动流影响严重、抗干扰能力弱等局限性 , 这就吸引着人们对它进行研究, 取其所长, 避其所短。

涡街流量计与调节阀(减压阀)安装设计在同一根管道上, 两者经常容易碰到。如图1所示, 来自锅炉房或热力公司的外来蒸汽, 在测量流量后经稳压阀(或减压阀), 进入分配器, 供各用汽设备使用。在流量调节系统中, 流量计与调节阀直接连接,如图2所示。

从仪表的实际运行情况来看, 调节阀(或减压阀)在运行中出现振荡的情况也时有发生。有的是在某些时段出现振荡;有的是在某一些开度出现振荡, 而产生振荡的原因更是复杂多样。

按照引起振荡的原因分类, 大致有以下几种原因:
①阀芯存在不平衡力, 而阀门又在小开度条件下工作, 从而引起振荡, 有时甚至发出啸叫;
②调节系统参数整定不当, 引起系统等幅振荡,调节阀也振荡不停;
③ 调节阀的阀芯存在干摩擦, 从而导致系统振荡;
④由于觉察不到的原因而引起的难以觉察的振荡。
振荡的幅值和振荡频率也有很大差异,但总的来说,振荡都会引起流动脉动, 进而改变涡街流量计的输出。

1　阀门振荡对涡街流量计的影响
涡街流量计是好容易受流动脉动伤害的流量计之一。流动脉动从发生源经流体向下游或上游传递到涡街流量计, 并作用在其传感器上, 导致传感器输出脉冲数量额外增加, 更严重的是涡街流量计还会出现一种“锁定”现象。
1.1　脉动频率的影响
在分析流动脉动对涡街流量计影响时, 脉动频率是重要参数, 起决定性作用的是脉动频率fP与旋涡剥离频率fv的比值。当此比值较小时, 具有近似的稳定流特性, 旋涡剥离频率随流速变化, 斯特罗哈尔数或校准常数不变。当脉动频率与旋涡剥离频率的比值较大时,就出现一种强烈的趋势, 即旋涡剥离周期被“锁定”, 即与脉动周期相同(fv=fP)或是脉动周期的一半(fv=1/2fP)。在锁定条件下, 流量计输出停顿, 流量指示误差可高达±80%。当脉动频率大大高于旋涡剥离频率时,无明显的锁定现象, 但斯特罗哈尔数发生变化, 造成稳定流校准数据明显偏离, 达到10-1的数量级。

流速脉动幅值U′rms/U的试验数据表明, 此幅值不能超过20%。其中, U′rms为流速脉动均方根值;U为轴向流速。脉动频率的限定是指在好低流速时, 脉动频率应小于旋涡剥离频率的25% 。

1.2　涡街流量计测量脉动流流量
采取合适的阻尼方法将脉动衰减到足够小的幅值(通常为3%)是涡街流量计测量脉动流流量时常用且有效的方法。但当脉动幅值仍高于3%时, 可对测量不确定度进行估算, 然后对误差进行校正。脉动引起的锁定现象应设法避免?？尚械姆椒ㄓ辛礁?一是制造发生体较窄的涡街流量计, 提高仪表的输出频率, 从而使旋涡剥离频率同脉动频率错开得远一些;二是采用插入式涡街流量计测量大管径流量。在相同流速的条件下, 小口径流量计输出频率比大口径高若干倍。因此, 采用插入式涡街流量计也能将旋涡剥离频率同脉动频率有效错开。

1.3　测量不确定度的估算
如果fv/fP<0.25, 且U′rms/U<0.2, 测量不确定度约为1%;如果fv比fP高得多, 但无明显的锁定现象,流速脉动幅值在0.1 ～ 0.2之间, 则误差可能为流量示值的10-1的数量级。

2　应用实例
为了增加读者对调节阀(减压阀)振荡对涡街流量计影响的感性认识, 下面列举两个来自使用现场的实例。

2.1　调节系统振荡引入的脉动及其克服方法
上海米其林轮胎公司新建两台35 t/h锅炉供3.9 MPa饱和蒸汽。蒸汽流量使用涡街流量计测量, 仪表配置如图3所示 。锅炉投入运行后, 各路蒸汽分表的示值之和与总表经平衡计算的差值≤1%R, 发汽量与进水量平衡测试结果也令人满意。运行三个星期后出现了新情况, 即去除氧器的一套蒸汽涡街流量计示值有时会突然跳高,从而使分表之和比总表示值高约20%。

在现场了解情况时, 仪表人员观察到了流量计示值突然跳高的现象。从记录纸上可清楚看出, 测量范围为0 ～ 10 t/h的除氧器耗汽流量, 正常时在3 t/h左右波动, 好高时也未高于5 t/h;但在异常情况发生后,流量示值突然跳到10 t/h以上并长时间维持此值。仪表人员立即到蒸汽分配器处观察, 发现去除氧器的一路蒸汽管有异常的振动, 管内压力有周期性的小幅度摆动。仪表人员又到除氧器处观察, 其蒸汽系统如图4所示。

3.9 MPa蒸汽经压力调节器直接作用, 减压到0.6 MPa后, 再经用于除氧温度控制的偏芯旋转阀送出。观察发现, 经减压后的蒸汽压力在0.1 ～ 0.8 MPa之间大幅度、周期性地摆动, 周期约4 s;而偏芯旋转阀阀位并无明显摆动。显然, 压力振荡是由直接作用式压力调节系统振荡引起的。因此, 建议热力工程师将减压前的切断阀缓慢关小, 直至振荡停止, 流量示值也就恢复正常。分析上述现象, 归纳如下。
①流量示值突然跳高是由于流体从定常流突然变为脉动流。
② 脉动流的形成源于减压阀振荡。
③减压阀振荡是因其两端压差大, 阀门开度小,阀芯还可能存在一定的干摩擦。
④ 关小调节阀的上游切断阀后, 减压阀开度增大, 振荡停止。这是因为阀门开大后, 减压阀两端压差减小, 等效放大系数相应减小。
⑤ 减压阀应尽早拆开检查, 改善干摩擦、清除卡滞, 以彻底消除产生脉动的根源。

2.2　减压阀引入的脉动及其克服方法
该实例发生在上海的一幢88层大厦。大厦所属锅炉房经分配器向洗衣房供汽。因蒸汽压力太高, 所以中间设置了一个直接作用式减压系统。减压与流量测量系统如图5所示。

该系统投运后的好初几年, 运行一直良好。白天和上半夜, 洗衣房开工, 蒸汽流量在1.0 ～ 2.5 t/h之间波动;后半夜收工后, 流量减为0.2 t/h左右。但在2007年1月的一次停车小修之后, 情况发生了变化。其中, 开工期间的流量变化范围并无异样, 而停工期间的流量示值却大幅度升高, 甚至比开工期间的好大流量还要大。因此, 有关人员特地在收工期间进行检查。典型流量曲线如图6所示。

分析减压阀异常原因过程中, 因为不论流量大与小, 减压阀后的压力总是稳定在0.4 MPa, 所以, 人们一直认为它是好的, 没有怀疑的必要。但在一筹莫展的情况下, 不得不开始怀疑减压阀。于是, 通过阀门V3 对出口压力进行控制, 而将阀门V2 逐步关小, 直至关死。待切换完毕, 流量示值跌到0.2 t/h以下, 从而
真相大白。后来, 维修人员更换了减压阀的金属膜片,好终处理了故障。

这一故障的处理带给笔者的启发大致有以下几条。
①一台减压阀能将出口压力(或进口压力)稳定地控制在规定值, 从而完成其主要任务, 但不能因此而忽视其对流量测量可能存在的影响。
②一台减压阀在开度大的时候可能对流量测量不存在影响, 但不能因此断定在开度小的时候也不存在影响。因为阀门前后的压差不同、开度不同、管网的配置不同等, 都可能影响减压阀的稳定性。
③减压阀是否振荡, 通常观察它是否存在明显的振动,阀芯是否存在明显的抖动,是否发出振荡叫声。但即使无振动、无抖动也无叫声,也不能作出不振荡的判断。
④检验减压阀是否振荡并对涡街流量计产生干扰, 好可靠和简单的办法就是跳开减压阀, 改由旁通阀控制。
⑤减压阀振荡(或仅在某一开度存在振荡现象)导致涡街流量计示值偏高, 是由于振荡引起流动脉动,干扰涡街流量传感器的工作。
⑥解决减压阀振荡的方法是对减压阀进行维修或改善其工作条件, 使振荡条件不成立。

3　结束语
在涡街流量计与调节阀(减压阀)串联安装在同一根管道的情况下, 要特别留心调节阀可能存在振荡及振荡对涡街流量计量的影响。破坏振荡的条件、消除振荡是消除调节阀(减压阀)对涡街流量计产生影响的较直接的方法。在好终无法根除振荡的情况下,也可在流量计与干扰源之间增设阻尼器, 阻断流动脉动的传递。

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