脈動(dòng)流對流量測量的影響

脈動(dòng)流對流量測量的影響

 

1 引言

流量計實(shí)流校準時(shí)的參比條件是流動(dòng)狀態(tài)必須為定常流(穩定流)。所謂定常流就是流場(chǎng)中各點(diǎn)處的流速、壓力、密度和溫度等諸參數不隨時(shí)間變化的一種流動(dòng)狀態(tài)。

真正的定常流只有層流條件下才存在，大多數工業(yè)管流為紊流(也稱(chēng)湍流)狀態(tài)，其流動(dòng)參數在與時(shí)間無(wú)關(guān)的平均值附近隨時(shí)間有微小的變化，只能稱(chēng)"統計定常流"或"平均定常流"。如果這種波動(dòng)類(lèi)似于充分發(fā)展的管流，而且無(wú)周期脈動(dòng)，就像ISO 5167~ 1中規定的那樣，則儀表顯示的瞬時(shí)流量與正常測量不確定度應該無(wú)任何差異。

如果流動(dòng)流體的某個(gè)參數如流速、壓力、密度、溫度等不斷地隨時(shí)間變化，就稱(chēng)非定常流。如果測量管段中的流量雖為時(shí)間的函數，但在足夠長(cháng)的時(shí)間間隔內的平均值是一個(gè)常數，則稱(chēng)這種流動(dòng)為(具有恒定平均值的)脈動(dòng)流。它是非定常流中的一種流動(dòng)狀態(tài)。

脈動(dòng)流可分為周期性脈動(dòng)流和隨機波動(dòng)脈動(dòng)流。有關(guān)文獻中討論的通常指周期性脈動(dòng)流。

2 脈動(dòng)流的發(fā)生

流動(dòng)脈動(dòng)常見(jiàn)于工業(yè)管流，它可能由旋轉式或往復式原動(dòng)機、壓氣機、鼓風(fēng)機、泵產(chǎn)生，帶翼的旋轉機械也能以葉片通過(guò)頻率產(chǎn)生小的脈動(dòng)。有的容積式流量計也能產(chǎn)生脈動(dòng)。振動(dòng)引起的共振，管道運行和控制系統的振蕩，閥門(mén)"獵振" (hunting)、管道配件、閥門(mén)或旋轉機械引起的流動(dòng)分離，也是流動(dòng)脈動(dòng)可能的來(lái)源。流動(dòng)脈動(dòng)還可能由流量系統和多相流引起的流體動(dòng)力學(xué)振蕩所引發(fā)。例如流體流過(guò)測溫保護管，如同流過(guò)渦街流量計的旋渦發(fā)生體而產(chǎn)生渦列；在三通連接的流路中自激引起流體振蕩等。

從現場(chǎng)儀表指示往往看不出工業(yè)管流中脈動(dòng)的存在，這是因為平常使用的流量計、壓力計響應較慢，而且設有阻尼，但事實(shí)上，流動(dòng)脈動(dòng)可能是存在的。脈動(dòng)還可以從上游傳遞到下游，也可以從下游回溯到上游，所以脈動(dòng)源可能在流量計的上游影響其示值，也可能在流量計的下游影響其示值。然而從脈動(dòng)源到流量計的距離增大能使脈動(dòng)衰減，幅值變小�？梢酝ㄟ^(guò)可壓縮性效應(包括氣體和液體)，使之衰減到在沈量計安裝地點(diǎn)探測不到脈動(dòng)幅值。

流動(dòng)脈動(dòng)頻率范圍從若干分之一赫到數百赫，脈動(dòng)幅值從平均流量的百分之幾到百分之一百，甚至更大，都是可能的。在脈動(dòng)幅值小的時(shí)候，往往難以區別脈動(dòng)流和紊流。

脈動(dòng)流的主要參數有脈動(dòng)幅值、脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)波形。其中，脈動(dòng)幅值多用流速波動(dòng)均方根值與時(shí)均流速之比來(lái)表示。

3 穩定流閾值

目前工業(yè)上常用流量計標準規范都指明流量計只能用于穩定流，它是流量計基本誤差參比條件之一。實(shí)際上，各類(lèi)流量計應用穩定流都有一個(gè)閾值，即允許的非定常流的界限值。

(1)差壓式流量計

差壓式流量計在下式的流速脈動(dòng)幅值可界定為穩定流。

式中 U'_p，rms—— 流速波動(dòng)均方根值；

U——瞬時(shí)軸向流速；

U'——流速波動(dòng)值；

——時(shí)均軸向流速。

等效的差壓脈動(dòng)閾值為

式中 ΔP_P，rms——差壓波動(dòng)均方根值；

——時(shí)均差壓；

Δρ'_P——脈動(dòng)條件下瞬時(shí)差壓；

Δρ_P——差壓波動(dòng)值。

(2)渦輪流量計

在給定的流速脈動(dòng)幅值條件下，隨著(zhù)脈動(dòng)頻率的增高，渦輪流量計讀數趨于升高。對于正弦波形脈動(dòng)，產(chǎn)生0.1%系統誤差所對應的脈動(dòng)是3.5%，所以正弦脈動(dòng)的閾值為

通常激光多普勒和熱量風(fēng)速表能測定流速脈動(dòng)幅值。如果流量計輸出脈沖頻率是已知的，而且渦輪慣性也是己知的，則可由流量計顯示的脈動(dòng)幅值推算實(shí)際流量脈動(dòng)幅值，并估算校正系數^[l]。

(3)渦街流量計

渦街流量計的旋渦剝離過(guò)程隨流動(dòng)脈動(dòng)產(chǎn)生很大誤差。當脈動(dòng)頻率接近旋渦剝離頻率時(shí)，會(huì )出現嚴重問(wèn)題。但在脈動(dòng)幅值足夠小的條件下，因為脈動(dòng)被忽略，因此不發(fā)生測量誤差。此界限幅值只有平均流速的3%^[2]，類(lèi)似于流速擾動(dòng)幅值。

4 脈動(dòng)流的流量測量

脈動(dòng)流流量測量方法有三種：

a.用響應快的流量計；

b.用適當的方法將脈動(dòng)衰減到足夠小的幅值，然后用普通流量計進(jìn)行測量；

c.對在脈動(dòng)流狀態(tài)下測得的流量值進(jìn)行誤差校正。

有的系統中， b、C兩種方法需結合起來(lái)才能實(shí)現測量，這是因為脈動(dòng)幅值大，超出估算公式的適用范圍，若僅用阻尼方法，衰減后的脈動(dòng)幅值又未進(jìn)入穩定流范圍。

(1)用電磁流量計測量脈動(dòng)流流量

當電磁流量計選用較高的激勵頻率時(shí)，能對脈動(dòng)流作出快速響應，因此能對脈動(dòng)流流量進(jìn)行測量，常用來(lái)測量往復泵、隔膜泵等的出口流量。

能用于脈動(dòng)流測量的電磁流量計，通常在下列三個(gè)方面須作特殊設計，并在投運時(shí)作恰當的調試，即激勵頻率可調，以使得到與脈動(dòng)頻率相適應的激勵頻率；流量計的模擬信號處理部分應防止脈動(dòng)峰值到來(lái)時(shí)進(jìn)入飽和狀態(tài)；為了讀出流量平均值，應對顯示部分作平滑處理。

①激勵頻率的決定。以IFM型電磁流量計為例，該儀表的技術(shù)資料提出，當脈動(dòng)頻率低于1.33Hz時(shí)，可以采用穩定流時(shí)的激勵頻率；當脈動(dòng)頻率為1.33~3.33Hz時(shí)，激勵頻率應取25Hz(電源頻率為50Hz時(shí))。顯然，激勵頻率要求雖不很?chē)栏�，但必須與脈動(dòng)頻率相適應，太高和太低都是不利的。

②流量信號輸入通道飽和問(wèn)題。脈動(dòng)流的脈動(dòng)幅值有時(shí)高得出奇，如果峰值出現時(shí)儀表的流量信號輸入通道進(jìn)入飽和狀態(tài)，就如同峰值被削除，必將導致儀表示值偏低。

IFM型電磁流量計流量信號輸入通道的設計分兩擋。其中，測量穩定流時(shí)， A/D轉換器只允許輸入滿(mǎn)量程信號的150%，而測量脈動(dòng)流時(shí)，允許輸入滿(mǎn)量程信號的1000%。因此，在測量脈動(dòng)流流量時(shí)，編寫(xiě)菜單應指定流動(dòng)類(lèi)型為"PULSATING"(脈動(dòng)流)，而不"STEADY"(定常流)。

③時(shí)間常數的選定。由于電磁流量汁的測量部分能快速響應脈動(dòng)流流量的變化，忠實(shí)地反映實(shí)際流量，但是顯示部分如果也如實(shí)地顯示實(shí)際流量值，勢必導致顯示值上下大幅度跳動(dòng)，難以讀數，所以，顯示應取一段時(shí)間內的平均值。其實(shí)現方法通常是串入一階慣性環(huán)節，選定合適的時(shí)間常數后，儀表就能穩定顯示。但若時(shí)間常數選得太大，則在平均流量變化時(shí)，顯示部分響應遲鈍，為觀(guān)察者帶來(lái)錯覺(jué)。

IFM儀表資料提出了計算時(shí)間常數的經(jīng)驗公式。

t(s)=1000/N

式中 N——每分鐘脈動(dòng)次數。

(2)脈動(dòng)流流量測量的充分阻尼條件

電磁流量計雖能測量脈動(dòng)流流量，但它僅適用于電導率在合適范圍內的液體，而更多的脈動(dòng)流流量測量對象仍然需在測量前將脈動(dòng)濾除。

1998年國際標準化組織對ISO/TR 3313進(jìn)行了增補參改和重新定名，頒布了ISO/ TR 3313 : 1998?封閉管道中流體流量測量一一流量測量?jì)x表流動(dòng)脈動(dòng)影響導則?，它雖不 是國際標準，只是一份技術(shù)報告，卻總結了幾十年來(lái)國際上對脈動(dòng)流流量測量主要研究成果。對脈動(dòng)流流量測量有重要的參考價(jià)值。

ISO/TR 3313對流動(dòng)脈動(dòng)的阻尼提供了幾個(gè)有實(shí)用價(jià)值的方法，并對其設計計算給出了具體的公式。其中，充分阻尼的條件針對標準節流裝置而言。

①氣體的脈動(dòng)流流量測量的充分阻尼條件。

氣體或蒸氣的脈功能被脈動(dòng)源與儀表之間的節流管阻和氣容組成的濾波環(huán)節所阻尼，類(lèi)似于電路中的RC濾波器。此氣容的容積包括容器和管路本身的容積，此管阻可由閥門(mén)和其他裝置提供，管路上的壓損也有節流效果。脈動(dòng)源可以在儀表的上游，如圖6.1(b)所示，也可在儀表的下游，如圖6.1(a)所示，對這種單容器的阻尼系統滿(mǎn)足充分陽(yáng)尼的條件為

式中 Ho——霍奇森數(Hodgson number)；

V——脈動(dòng)源與流量計之間的阻尼器容積；

——一個(gè)脈動(dòng)周期的時(shí)均(時(shí)間平均)體積流量；

——恒壓下脈動(dòng)源與阻尼容器之間的時(shí)均壓力損失；

ρ——阻尼容器中的平均絕對靜壓；

κ——氣體的等熵指數(對于理想氣體， κ=γ， γ為比熱容比)；

q'_mo，ms——脈動(dòng)源處測得的質(zhì)量流量脈動(dòng)分量均方根值；

——質(zhì)量流量的時(shí)均值；

ψ——脈動(dòng)流下流量計示值的最大允許不確定度。

②帶限流管的阻尼器。

在單容器阻尼系統中，設計時(shí)能夠變更的設備參數只有容器的容積，為了得到充分的阻尼，容器容積必須很大，為具體實(shí)施帶來(lái)困難。如圖6.2所示的帶限流管的分隔容器(di vided-recei ver)阻尼器，在設計計算時(shí)，除了容器容積大小可供選擇外，適當減小限流管截面積也能改善阻尼效果，所以總體積可比單容器阻尼系統小得多，因此更具實(shí)用性。

這種阻尼器的響應系數μ為

——經(jīng)阻尼的脈動(dòng)幅值；

——未經(jīng)阻尼的脈動(dòng)幅值；

ω——脈動(dòng)頻率的角速度，

ωo——分隔容器一半的共振角速度，

lc——限流管長(cháng)度；

Ac——限流管截面積；

C——容積， V/2(容器總容積的一半)。

③液體的充分阻尼條件。

液體脈動(dòng)流的阻尼有兩種方法：調壓室和空氣阻尼器。圖6.3和圖6.4所示的布置，脈動(dòng)源在流量計的上游，如果脈動(dòng)源在儀表的下游，則須將圖6.3中

的調壓室與恒壓壓頭容器互換位置，或將圖6.4中的空氣容室與恒壓壓頭容器互換位置。

a.調壓室阻尼系統。調壓室液體阻尼系統滿(mǎn)足充分阻尼的條件為

式中 ——調壓室與恒壓壓頭容器之間的時(shí)均位差；

A——調壓室的橫截面面積；

其余符號同上。

b.空氣容室阻尼系統�？諝馊菔易枘嵯到y滿(mǎn)足充分阻尼的條件為

式中 Vo ——空氣阻尼器中空氣的體積；

κ——空氣的等熵指數；

ρ——液體密度；

g——重力加速度；

A——空氣阻尼器中液體的自由表面面積；

——空氣阻尼器與恒壓壓頭容器之間的時(shí)均壓差；

Po——空氣阻尼器中空氣靜壓；

ψ——脈動(dòng)流下流量計示值的最大允許不確定度。

(3)流動(dòng)脈動(dòng)對流量測量?jì)x表的影響

流量測量?jì)x表的種類(lèi)很多，在脈動(dòng)流條件下，容積式流量計精確度影響極微已經(jīng)很清楚，除此之外，對節流式差壓流量計、渦輪流量計和渦街流量計也進(jìn)行了較多的研究，而且取得了一些成果。

①孔板、噴嘴和文丘里管。

脈動(dòng)流對節流式差壓流量計的影響主要是平方根誤差、動(dòng)量慣性引起的誤差和流出系數的變化。

a.平方根誤差。對于穩定流，流體流過(guò)節流裝置，其流量正比于節流件正負端取壓口間差壓的平方根，其關(guān)系如式(3.1)所示。

如果此關(guān)系被推廣用于瞬時(shí)變化的脈動(dòng)流，而且按照穩定流條件用時(shí)均差壓的平方根代表時(shí)均流量，必將產(chǎn)生平方根誤差，因為

b.慣性影響。當流量快速變化時(shí)，差壓組件需要產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)加速度，而流體通過(guò)節流件需要傳遞(convective)加速度，流量差壓關(guān)系為

式(6.7)的右邊，第一項是動(dòng)量慣性，第二項是傳遞慣性，其中K_l是節流件幾何尺寸和取壓口之間軸線(xiàn)距離的函數， K_l和K₂又都跟流體的速度分布有密切的關(guān)系。在脈動(dòng)流中，節流件上游和流體通過(guò)節流件的速度分布是周期變化的，所以K_l和K₂是周期變化的，

它們的時(shí)均值往往與穩定流數值不相等，除非脈動(dòng)幅值很小，脈動(dòng)頻率很低。差壓式流量計測量脈動(dòng)流更準確的特性現在還不清楚。

c.對流出系數的影響。在穩定流中，各種類(lèi)型節流裝置的流出系數都同入口流體的速度分布有關(guān)，比標準分布廓形平坦的速度分布，流出系數減��；比標準廓形尖銳的速度分布，則效果相反。

在脈動(dòng)流中，瞬時(shí)速度分布隨脈動(dòng)周期而變，變化程度由速度分布脈動(dòng)幅值、波形和脈動(dòng)斯特羅哈爾數決定，因此，瞬時(shí)流出系數有藏于脈動(dòng)頻率、幅值、波形和斯特羅哈爾數�，F在還不能用數學(xué)方法描述瞬時(shí)流量系數與脈動(dòng)參數的關(guān)系。

d.誤差估算�，F在與節流裝置配用的差壓變送器響應都不快(頻率上限約1Hz)，輸出的是平均差壓 在此基礎上相應的平均流量指示即包含平方根誤差和動(dòng)量慣性誤差。

6.1. 4節(2)中所給出的充分阻尼條件如能得到滿(mǎn)足，即可按GB/T 2624-1993或 ISO 5167-1確定脈動(dòng)流的平均流量，并估計流量測量總不確定度。

脈動(dòng)流流量總不確定度等于按GB/T 2624-1993計算的測量基本誤差與脈動(dòng)附加不確定度的合成。

理論上脈動(dòng)附加不確定度E_T總是正的，其估算公式為

或

或

式中 U——軸向流速；

——軸向時(shí)均流速；

U'——流速脈動(dòng)分量；

U'_rms——流速脈動(dòng)分量均方根值；

——差壓脈動(dòng)分量均方根值；

ΔP_SS——穩定流下差壓值；

ΔP_P——脈動(dòng)流時(shí)節流件取壓口處差壓，

ΔP'_P——差壓脈動(dòng)分量；

——差壓時(shí)均值。

公式應用條件為

E_T為實(shí)際測量的附加不確定度，它可能小于阻尼條件的允許不確定度ψ�？梢杂茫�1- E_T)作為修正系數，對節流裝置流出系數進(jìn)行修正。

在具體實(shí)施中，以下的措施也是有益的：節流裝置盡量遠離脈動(dòng)源；節流裝置采用盡量大的β和Δp，為此可適當減小管徑；兩根差壓引壓管阻力應對稱(chēng)。

②渦輪流量計

a.非運常流運動(dòng)方程。渦輪流量計輸出隨時(shí)間變化的關(guān)系f(t)對于通過(guò)流量計的瞬時(shí)流量隨時(shí)間變化的關(guān)系qv (t)可由下面的運動(dòng)方程描述。

式中 b—— 流量計的動(dòng)態(tài)響應參數(對于指定流體)；

f——流量計指示的瞬時(shí)流量(頻率信號)；

t——時(shí)間；

qv——實(shí)際瞬時(shí)流量；

J_R、J_F——渦輪轉子轉動(dòng)慣量和滯留在轉子中流體的轉動(dòng)慣量。

其中， b代表的是流量計和液體的聯(lián)合特性，而不只是流量計的特性。對于給定的平均流量，有參考時(shí)間間隔或時(shí)間常數的特性。對DN25~DNI00的流量計，測量壓力接近大氣壓的氣體流量，典型時(shí)間常數為1s數量級；對DN20~DN50的流量計，測量水流量時(shí)的時(shí)間常數也是1s數量級。顯然，由于脈動(dòng)產(chǎn)生的附加誤差，流量計測量氣體(在大氣壓條件下)比測量液體誤差大。

b.動(dòng)態(tài)響應參數的獲得。獲得響應參數值的方法有兩個(gè)：一是通過(guò)階躍響應測試獲得； 另一是通過(guò)文獻中許多分析公式計算。

動(dòng)態(tài)響應參數不僅同具體的渦輪流量計本身有關(guān)，而且同流體的密度有關(guān)，許多研究者建議b與ρ成反比關(guān)系。而且實(shí)驗已經(jīng)證實(shí)流動(dòng)是相似的，所以，在流體為空氣時(shí)由階躍響應測試獲得的響應參數，可由空氣和液體密度換算得出液體流動(dòng)的響應參數。

表6.1是文獻[2]給出的典型渦輪流量計的動(dòng)態(tài)響應參數。

c.平均流量誤差的估算。根據方程式(6.11)，任何瞬時(shí)的誤差由下式給出。

在忽略了式(6.12)中的dqv/dt與df/dt的誤差后，式(6.12)可寫(xiě)作

在頻率為fp和幅值為

的正弦脈動(dòng)這一特殊情況下，誤差可寫(xiě)為

式中，G(α)的值從l(α=0時(shí))到1.6(α=0.5時(shí))平滑地變化。

阿特辛松對流量計的響應做了大量的實(shí)驗，證實(shí)了他的結果^[l]。因6.5示出了平均流量誤差δ與α和β的關(guān)系，其中

從而使人們能比較方便地使用式(6.14)估算誤差。

③渦街流量計

a.脈動(dòng)頻率的影響。在分析流動(dòng)脈動(dòng)對渦街流量計影響時(shí)，脈動(dòng)頻率也是重要參數，起決定性作用的是脈動(dòng)頻率與旋渦剝離頻率之比值，當此比值較小時(shí)，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(dòng)頻率與旋渦剝離頻率之比值較大時(shí)，就出現一種強烈的趨勢，即旋渦剝離周期被"鎖定"為與脈動(dòng)周期相同(f_v=f_p)或一半。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(dòng)頻率大大高于旋渦剝離頻率時(shí)，無(wú)明顯的鎖定現象，但斯特羅哈爾數變化，其后果是穩定流校準數據明顯偏離，達到10^-1的數量級。

關(guān)于流速脈動(dòng)幅值 的試驗數據表明，此幅值不能超過(guò)20%。關(guān)于脈動(dòng)頻率的限定，在最低流速時(shí)，脈動(dòng)頻率應小于旋渦剝離頻率的25%。

b.用渦街流量計測量脈動(dòng)流流量。采取合適的阻尼方法將脈動(dòng)衰減到足夠小的幅值(通常為3%)，是用渦街流量計測量脈動(dòng)流流量的最常用也是最有效的方法。但當經(jīng)過(guò)努力脈動(dòng)幅值仍高于3%，則可對測量不確定度進(jìn)行估算，然后對誤差進(jìn)行校正。

脈動(dòng)引起的鎖定現象應設法避免�？尚械姆椒ㄓ袃蓚�(gè)：其一是制造發(fā)生體較窄的渦街流量計，將儀表的輸出頻率提高，從而使旋渦剝離頻率同脈動(dòng)頻率錯開(kāi)得遠一些；其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(dòng)頻率有效錯開(kāi)。

c.測量不確定度的估算。如果 而且 測量不確定度約1%。

如果fv比f(wàn)p高得多，但無(wú)明顯的鎖定現象，流速脈動(dòng)幅值在O.1~0.2之間，則誤差可能為流量示值的10-¹的數量級。

5 脈動(dòng)流流量測量的幾個(gè)實(shí)例

例1往復泵引人的脈動(dòng)及其克服

在聚甲醒連續聚合流程中，精單體、共單體、催化劑等均需保持恒定的流量，這一任務(wù)就交由往復式計量泵來(lái)完成。這種泵使用一段時(shí)間后，常因活門(mén)的卡滯、泄漏而出現流量失控現象，為生產(chǎn)釀成重大損失。為了對計量泵輸送的流量進(jìn)行監視，于是安裝了流量計。圖6.6所示為其中的二氧五環(huán)(共單體)流量計系統。

圖6.6中流量計為FT900型內藏孔板流量計，測量范圍為0 ~ 25kg/h，用機械儲能元件(波紋管)吸收往復泵引起的流動(dòng)脈動(dòng)，以減小對流量計的影響。為了改善阻尼效果，波紋管內充壓縮空氣。由于阻尼器設計、安裝合理，系統投運后，儀表示值穩定準確。在阻尼器內充以潔凈的壓縮空氣是保證阻尼效果的必要條件，但是由于阻尼器內壓力比高位槽內液面上方的氣體壓力(大氣壓)高，所以阻尼器中的液體對其上方的氣體存在吸收現象，因此，大約每隔2個(gè)星期就需(通過(guò)減壓閥)補一次氣。如果忘記補氣，阻尼器中的氣體耗盡后，脈動(dòng)就會(huì )嚴重影響流量計的工作。例如有一段時(shí)間，阻尼器正常工作，流量二次表示值穩定在37%FS，后因波紋管卡牢和內部缺氣，完全喪失阻尼作用，瞬時(shí)流量在0~74%FS之間擺動(dòng)，其波形如圖6.7所云將流量二次表內阻尼時(shí)間常數加大后，二次表示值穩定在52%FS，比正常示值升高2/5。

在這個(gè)例子中，脈動(dòng)流的平均流量 其方波峰值為 ，它對應的差壓則與式(6.6)相符。

顯然，在測量脈動(dòng)流量時(shí)，合適的阻尼器是至關(guān)重要的，使阻尼器正常工作與測量本身具有同等重要性。

例2 調節系統振蕩引入的脈動(dòng)及其克服

上海某輪胎廠(chǎng)新建兩臺35t/h鍋爐供3.9MPa飽和蒸汽，蒸汽流量用渦街流量計測量，儀表配置如圖6.8所示。鍋爐投入運行后，各路蒸汽分表示值之和與總表經(jīng)平衡計算，差值≤l%R，發(fā)汽量與進(jìn)水量平衡測試結果也令人滿(mǎn)意。運行3個(gè)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(shí)突然跳高，從而使分表之和比總表示值高約20%。

在現場(chǎng)運行人員介紹之際，儀表人員觀(guān)察到流量計示值跳高現象突然發(fā)生，從記錄紙上也可清楚看出，測量范圍為O~lOt/h的除氧器耗汽流量，正常時(shí)在3t/h左右波動(dòng)，最高時(shí)也未高于5t/h，但是異常情況發(fā)生后，流量示值突然跳到10t/h以上，并長(cháng)時(shí)間維持此值。

儀表人員立即到蒸汽分配器處觀(guān)察，發(fā)現去除氧器的一路蒸汽管有異常的振動(dòng)，管內壓

力有周期性地小幅度擺動(dòng)。儀表人員又到除氧器處觀(guān)察，其配管如圖6.9所示。3.9MPa蒸汽經(jīng)直接作用壓力調節器減壓到O.6MPa后，再經(jīng)用于除氧溫度控制的偏芯旋轉閥送除氧頭。儀表人員發(fā)現，減壓閥后蒸汽壓力在O.l~O.8MPa之間大幅度、周期性擺動(dòng)，周期約4s，而偏芯旋轉閥閥位并無(wú)明顯擺動(dòng)，顯然，壓力振蕩是由直接作用式壓力調節系統振蕩引起的。

儀表人員建議熱力工程師將減壓閥前的切斷閥緩慢關(guān)小，直至振蕩停止，流量示值也恢復正常。

分析上述現象，歸納出以下五點(diǎn)。

①流量示值突然跳高是由于流體從定常流突然變?yōu)槊}動(dòng)流。

②脈動(dòng)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(mén)開(kāi)度小，閥芯還可能存在一定的干摩擦。

④關(guān)小調節閥的上游切斷閥后，減壓閥開(kāi)度增大，振蕩停止，是因為閥門(mén)開(kāi)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(kāi)檢查，改善干摩擦，清除卡滯，以徹底消除產(chǎn)生脈動(dòng)的根源。

上述兩例，流體不同，脈動(dòng)引發(fā)的方式大不相同，所使用的流量計也不同，但是有一點(diǎn)是共同的，即有固定不變或基本穩定的脈動(dòng)周期，下面的一個(gè)例子，脈動(dòng)完全是隨機的。

例3 蒸汽噴嘴引入的脈動(dòng)及其克服

鍋爐的除氧器是用蒸汽將進(jìn)水加熱到規定溫度，于是水中氧的飽和溶解度相應減小，從而達到除去水中部分氧的目的。

國產(chǎn)鍋爐除氧器，蒸汽是從除氧頭下部引入，進(jìn)水從除氧頭上部引入，汽水在除氧頭內的篩板段進(jìn)行熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。這樣的結構形式，對除氧器蒸汽流量測量毫無(wú)影響。但在上海的一幢88層高樓遇到的卻是另一種情況。該大廈安裝有德國ROS公司的蒸發(fā)量各為10t/h的4臺鍋爐，隨鍋爐帶來(lái)除氧器。該除氧器的加熱方法是在臥式熱水箱接近底部的高度橫臥一根蒸汽噴管，在噴管上密密麻麻打了很多小孔，全部蒸汽均從這些小孔中噴出，同周?chē)�的水接觸，完成熱量傳遞，并帶著(zhù)水中的氧上升，浮出水面，達到除氧的目的。其蒸汽計量和加熱系統如圖6.10所示。

這種結構的除氧器對蒸汽流量測量帶來(lái)嚴重威脅。因為蒸汽從小孔中噴出后，馬上同溫度較低的水接觸，導致氣泡破裂，仿佛水箱底部每秒都有許多小氣球在爆破。這種爆破產(chǎn)生的流動(dòng)脈動(dòng)經(jīng)蒸汽管路反向傳遞到安裝在上游的渦街流量計，使流量計示值比熱平衡計算得到的理論值高150%~170%，顯然，問(wèn)題是嚴重的。在流量計與除氧器之間加裝了一臺阻尼器，使氣泡破裂產(chǎn)生的脈動(dòng)在阻尼器中得到衰減。阻尼器投入運行后，不僅流量計示值與理論計算值基本符合，而且管道振動(dòng)也明顯減小。為了解決安裝空間問(wèn)題，阻尼器結構與圖6.2略異，采用管道式，如圖6.11所示。

在設計蒸汽(氣體)阻尼器時(shí)，兩個(gè)氣容容積大小和限流管內徑的設計是關(guān)鍵，因為容積太小，阻尼效果不好，而容積做大，效果好了，但體積和成本均增大。限流管的內徑也如此，管徑取得太大，阻尼效果不佳，而管徑取得太小，阻力大，壓損大。因此需合理計算。

文獻給出了在不同流量條件下阻尼器的尺寸，如表6.2所示。該資料中計量單位為英制，表6.2中已換算成公制。

例4攪拌器槳葉旋轉引起的脈動(dòng)及其克服

江蘇儀征某化工廠(chǎng)，母液如圖6.12所示，經(jīng)FT-377電磁流量計從前一設備送向母液罐，儀表投入運行后，流量示值以固定頻率上下跳動(dòng)�，F場(chǎng)檢查前后直管段長(cháng)度及接地等安裝條件均符合要求，未查出原因。一次偶然機會(huì )，母液罐內的攪拌器停止運轉，這時(shí)流量示值穩定。經(jīng)進(jìn)一步檢查發(fā)現，此攪拌器是側壁安裝，而且其位置距安裝流量計的進(jìn)料管管口僅1m左右，很明顯是攪拌器槳葉以固定的周期翻起浪波，使得進(jìn)料口處的阻力周期變化導致管內流體脈動(dòng)。電磁流量計出口端到容器壁的距離D_l太近，僅約1.5m，使流量計出口流速不穩，流量示值產(chǎn)生有規則的搖擺。后將流量計改到B位置，遠離原安裝位置約10m，流量計示值趨穩定。

本例中所說(shuō)的流動(dòng)脈動(dòng)對儀表積算總量影響還不大，因為攪拌器槳葉引起的脈動(dòng)頻率較低，其數值遠遠低于所選電磁流量計的激勵頻率，所以盡管流量示值大幅度周期性擺動(dòng)，但其準確度并無(wú)明顯變化，其影響僅僅是示值難以讀數和DCS中趨勢曲線(xiàn)無(wú)法制作。

例5減壓閥振蕩對渦街流量計的影響

直接作用式壓力調節閥在現場(chǎng)使用得很普遍。這種閥振蕩時(shí)不像例2那樣容易察覺(jué)，而且非常隱蔽，因此處理人員很容易被表象所蒙蔽。

該實(shí)例所述之事發(fā)生在上海的一幢88層大廈。大廈所屬鍋爐房經(jīng)分配器向洗衣房供汽。因蒸汽壓力太高，所以中間設置一個(gè)直接作用式減壓系統。流量計為渦街流量計。系統圖如圖6.13所示。

讀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(kāi)工，蒸汽流量在1.0~2.5t/h之間波動(dòng)。后半夜收工后，流量減為0.2t/h左右。典型的歷史曲線(xiàn)如圖6.14所示。

可是在2007年1月的一次停車(chē)小修之后，情況發(fā)生了變化。其中，開(kāi)工期間的流量變化范圍并無(wú)異樣，而停工期間的流量示值卻大幅度升高，甚至比開(kāi)工期間的最大流量還要大。典型的歷史曲線(xiàn)如圖6.15所示。因此，有關(guān)人員特地在收工期間進(jìn)行檢查。

先是檢杏渦街流量計的零點(diǎn)。然而，關(guān)掉切斷閥后，流量計指零。

其次懷疑渦街流量計損壞。將渦街流量計拆下放在流量標準裝置上校驗，一切正常，指標合格。

在停工期間，檢查人員靠近圖6.13中閥門(mén)V₅的位置聽(tīng)管道中流體流動(dòng)的聲音，噪聲很大，在場(chǎng)人員推算管內流速很高�？墒琼樦�(zhù)管路去查，沿途無(wú)任何泄漏，也無(wú)疏水器漏汽的跡象。

有人懷疑疏水器損壞，而在停車(chē)期間流量太小，飽和蒸汽帶入減壓系統的凝結水有可能在圖6.13中的V₅前積累，使得蒸汽通過(guò)水層時(shí)出現鼓泡，導致流量脈動(dòng)�？墒�，打開(kāi)閥門(mén)V₇，并無(wú)積水的證據。

在一籌莫展的情況下，開(kāi)始懷疑減壓閥，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(méi)有懷疑的必要。

于是，通過(guò)閥門(mén)V₃對出口壓力進(jìn)行控制，而將閥l習V₂逐步關(guān)小，直至關(guān)死o

待切換完畢，流量示值跌到0.2t/h以下，從而真相大白。后來(lái)，維修人員更換了減壓閥的金屬膜片，最終處理了故障。

這一故障的教訓如下。

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

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

c.減壓閥是否振蕩，通常觀(guān)察它是否存在明顯的振動(dòng)，閥芯存在明顯的抖動(dòng)，是否發(fā)出振蕩叫聲；但即使無(wú)振動(dòng)、無(wú)抖動(dòng)也無(wú)叫聲，也不能作出不振蕩的判斷。

檢驗減壓閥是否振蕩并對渦街流量計產(chǎn)生干擾，最可靠和簡(jiǎn)單的辦法是跳開(kāi)減壓閥，改由旁通閥控制。

d.減壓閥振蕩(或僅在某一開(kāi)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(dòng)脈動(dòng)，干擾渦街流量傳感器的工作。

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

例6 T形管道引起的脈動(dòng)及其克服

橫河公司在其旋渦流量計選型資料中介紹，由圖6.16所示的T形管道而引起的脈動(dòng)壓力，要對旋渦流量計產(chǎn)生干擾。當圖中的閥門(mén)V₁關(guān)閉時(shí)，流體循B方向流動(dòng)，對流量計A來(lái)說(shuō)，流量為0，但由于該脈動(dòng)壓力被流量計中的傳感器檢測到，以致流量計產(chǎn)生"假流量"輸出，出現所謂的"無(wú)中生有"現象。該公司建議將V₁的位置換到V'1位置，這時(shí)，V'1關(guān)閉，能將脈動(dòng)壓力完全阻斷，從而消除"無(wú)中生有"現象。而V'1保持一定開(kāi)度時(shí)， 由于V'1的節流作用，對脈動(dòng)壓力有一定的衰減效果。當然，流量計的安裝位置如有可能，應盡量向下游移，遠離脈動(dòng)源，上述衰減作用會(huì )更顯著(zhù)。

總之，脈動(dòng)流體對流量測量?jì)x表的影響是個(gè)十分復雜的問(wèn)題，有時(shí)只感到流量示值誤差大，并未察覺(jué)是流動(dòng)脈動(dòng)的影響，也未察覺(jué)脈動(dòng)的存在。上述幾例屬于比較簡(jiǎn)單的情況，可通過(guò)阻尼或消除脈動(dòng)源，使問(wèn)題得到解決。另外還有一些問(wèn)題需要去研究和解決。