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Wv系列抗振型渦街流量計在貿易結算中的應用分析
摘要：從傳統的孔板和渦街流量計的優缺點分析著手，介紹Wv系列抗振型渦街流量計在貿易結算中的應用優點，目前Wv系列抗振型渦街流量計已在化工和熱電企業中推廣和應用，得到化工和熱電企業青睞。
關鍵詞：Wv系列抗振型渦街流量計；突破 ；蒸汽貿易。
引言：
當前熱電行業的蒸汽貿易結算中，有不少企業采用的是傳統的差壓式流量計，（如孔板噴嘴等）進行蒸汽流量的計量，同時，有越來越多的企業認識到：傳統差壓式流量計量程比太小，也就是可準確測量的最大流量與最小流量之比太小，當用戶用量波動范圍超過流量計量程比時會呈現極大的測量誤差。也有采用更換孔板、差壓變送器來適應流量變化的方法，例如在冬/夏季分別采用不同的孔板及差壓變送器應對流量變化，但即使如此，孔板固有的3：1量程比范圍顯然難以滿足實際需求。
在進行小口徑管道中的蒸汽流量計量時，常出現大大高于大管道的大范圍流量波動，流量計的量程比限制問題更加突出，在選用孔板時，技術人員將面臨一個困難的抉擇：如照顧大流量的檢測，則必須舍棄小流量；如想避免小流量被漏計量，又會因差壓變送器輸出信號的限制，將超過量程的流量，無論多大全按照量程對應的流量來計量，從技術層面而言，傳統的孔板流量計明顯無法適用于流量波動范圍超出3：1的流量計量。
但由于孔板是很成熟、經典的流量儀表，穩定性、可靠性經數十年各行各業的驗證，各類新型的流量儀表在發展過程中曾表現出的各種問題，令人不免產生疑慮。
在貿易結算計量中，一旦產生一些如流量計故障、無流量有指示、流量變化而流量計顯示不變等問題，往往導致供需雙方直接的利益沖突產生激烈矛盾，而這些問題又恰好是孔板易于解決的：
對于故障，孔板流量計故障多發生于差壓變送器，而差壓變送器可在使用中無需停氣即可更換；
對于無流量有指示，通常可通過小流量截除方式得以解決，反正孔板測小流量也不準；
對于流量變化而指示不變的問題，在孔板量程比之內，基本上不會出現（蒸汽屬干凈流體，不會對差壓傳遞路線產生堵塞）只有在流量超出孔板流量計量程時，才會出現流量變化時，指示不變，對此，需方顯然是沒有意見的，基于上述優點，很多熱電企業依舊選擇孔板作為貿易結算計量之用。
隨著流量檢測儀表技術的發展，對于蒸汽計量儀表，有越來越多的選擇，其中，渦街流量計的大量程比優勢令對孔板狹窄量程比頭痛不已的技術人員看到一條新的思路，渦街流量計理論上可超過400：1的寬廣量程比，及結構的堅固可靠，對蒸汽高溫的適應能力，引起廣泛關注，越來越多的熱電企業在蒸汽計量中予以選用，特別是流量波動很大的小管徑上，大量選用。
渦街流量檢測原理自出現之日起，因其儀表系數恒定、量程比大、壓損低等方面的突出優勢，在各種流量檢測原理中獨樹一幟，被公認為更具發展前景的未來流量計之一，當前幾乎所有的儀表行業跨國公司在其他流量計種類方面或有缺失，但無一不向市場推出各具特色的渦街流量計產品，近20年以來，渦街流量計的市場占有率不斷提升，在一些大型石化企業，甚至成為占有率更高的流量計類型。
在采用渦街流量計進行蒸汽貿易結算計量時，有不少用戶感受到了與孔板流量計相比下的優勢，但也發現一些問題，其中，一些問題是采用渦街流量計測量氣體流量所共有的，例如零點穩定性、小流量檢測等。也有一些問題是在用于蒸汽貿易結算上特有的現象，如超高流量、極大的流量變化范圍帶來的問題。
（一） 零點不穩定，無流量而有計量指示，導致貿易結算糾紛；靈敏度低，甚至小流量的測量還不如孔板。
從渦街原理而言，是足以精確測量低至1m/s氣體流量的，但由于漩渦升力與流體密度成正比，同時與流速的平方成正比，換言之，流體密度越低，渦街信號越弱，而流速降低時，渦街信號更以平方關系急劇下降，例如；在相同條件之下，1m/s流速的氣體產生的漩渦力僅是20m/s流速時的1/400，如此微弱的信號很難不被干擾。
對于渦街流量計而言，干擾主要為電磁干擾及管道的機械振動干擾，其中電磁干擾比較容易解決，而振動干擾則因其侵入途徑、信號特征與渦街信號相同而難以去除。因此，為保證零點穩定，只能將幅度小于或等于干擾信號的流量與干擾一起除去。
當前多數市售國內產品，如將靈敏度加大到可以檢測1m/s空氣流速時，人在講話時的聲波振動自空氣傳送到流速計上就會令流量計產生指示，很顯然這是無法接受的。由于6m/s流速產生的信號與人手可感知振動導致的干擾大至相當，因此，將流量計設計調整成可測最小流速5m/s~ 6m/s,這樣可避免在管道振動強度不大于人手剛可感受到的程度時，產生錯誤的計量。這正是市場上國內產品氣體流量測量下限定在6m/s的根本原因。
然而，即便如此，當管道振動超過人手可感知的強度時，就必須進一步降低流量計的靈敏度，更多地舍棄流量的計量；當管道振動加大到與常用流量的信號相當時，為避免在無流量時有計量，將同時導致有流量時也無計量；相反，為保證有流量時有計量，就必將導致無流量時同樣有計量。
簡單來講，傳統的渦街流量計，在存在管道振動時，只能選擇將強度小于等于振動強度的流量信號舍棄，才能做到無流量時無計量，管道振動越強，舍棄的流量越大，如果管道內最大流量產生的信號仍不能超過振動的強度時，渦街流量計就完全不能使用。
綜合上述源于渦街流量計本質特性的分析，可以得知：渦街流量計的實際可測流量下限與其抗振動干擾能力密切相關，也就是：
振動干擾越弱，可以測量的小流量就越低。
抗振能力越強，可以測量的小流量就越低。
管道振動過強時，可導致渦街流量計完全不能使用。
綜上所述，只有提升抗振動干擾能力，才能擴展小流量測量范圍，正因為渦街流量計的這些特征，業內公認，抗振能力是決定渦街流量計性能的最主要因素。
為此我公司耗時3年，投入數百萬元進行全面改進研發，終獲重大突破，向市場推出的抗振型系列是通過權威部門進行抗振動干擾能力測試的渦街流量計產品，抗振能力不低于2.0g，遠超進口產品1.0g的抗振能力，由此獲得“抗振型”渦街流量計生產許可證，并由此獲得“抗振型渦街流量計行業標準”制定的立項批準。而我們的普通系列產品，經我公司對比實測也具有國內典型產品約30倍的抗振能力，因此，即使不考慮抗振型附加的振動干擾抑制措施，在同等應用條件之下，可測流量下限也將下延至同類產品的1/5以下。
同時，正因“抗振能力是衡量渦街流量計性能的最主要指標”這一觀點已成為眾所周知的共識，而渦街流量計抗振動干擾能力的提升，是公認的世界性難題，如得以徹底攻克，渦街流量計必將替代傳統差壓式流量計的市場地位。正因如此，近20年以來，幾乎國內所有產品均聲稱自己的產品是“抗振型”，但至今為止，仍無其他家企業交由權威部門進行抗振能力測試。
2007年我公司Wv全系列渦街流量計經江蘇省質量技術監督局委托上海工業自動化儀表研究所進行全性能測試，產品全部性能優于現行行業標準。特別是：在強達2g、0～110Hz的強大全向機械振動干擾下，所有滿管式流量計依舊保持優于1%精度，插入式流量計依舊保持優于1.5%精度。這是渦街流量計實際抗振能力首次在國內經權威部門嚴格測試，測試結果所表現出的強大抗振動干擾能力顛覆了傳統認知，專家紛至測試現場實際了解、驗證，高度評價：“前景無量！”
我公司產品正因擁有遠超同類產品的振動干擾抑制能力，令產品在應用于蒸汽流量測量時，可測量下限低至1m/s，遠超同類產品5m/s的測量下限，根據渦街原理，至少要將抗振能力提升至同類產品的25倍，才能實現這樣的小流量測量能力。而我們的抗振系列產品更將抗振能力提升至80~250倍，確保在靈敏檢測微小流量的同時，具備高度的零點穩定性。
對于熱電企業而言，直接帶來的優勢在于：
挽回低于5 m/s流速的小流量汽款損失。
零點穩定，杜絕因無流量有指示帶來的，與用氣方的糾紛。
在較強的振動（強度2.0g）之下，依舊保證大大優于進口產品的小流量測量能力。
（二） 蒸汽計量中，出人意料的超高流速及其伴生的相關問題
在近三年以來，經我們對十家以上的熱電用戶小口徑流量計進行的現場實時記錄分析，發現一個出人意料的現象：在小口徑蒸汽流量上，實際的流速遠超多數設計部門、熱電企業、儀表制造商估計的60m/s左右的上限。
通常認為，管道里的蒸汽流速不會超過60m/s，在選擇流量計時，量程達到60m/s就已足夠，而我們采用在線實時頻譜分析時發現：?80及其以下的管線，經常出現高于80m/s的高流速，其中有近一半的出現超過100m/s的高流速，更有甚者，流速高達180m/s。
由于孔板原理的限制，當流量超過其量程約19％后，就不能判斷超量程量的大小；而一般的渦街流量計在流速過高時，因劇烈的漏波現象，出現難于估算的誤差，因此也難于判斷超高流速的大小。我們盡可能排除影響因素，通過對傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
對于這樣的高流速，如采用孔板流量計測量，如量程為50m/s，即使與熱用戶達成協議：“超過量程的流量按量程150%計量”，也就是對于超過50m/s量程的流速，全部按75m/s收費，如果實際最高流速為150m/s，也會損失50%汽款。
包括孔板、渦街在內的大多數氣體流量計實際檢測的是工況體積流量，而在蒸汽貿易結算計量中，通常采用質量流量。為保證精度，需實時檢測蒸汽溫度及壓力，由此獲得準確的蒸汽密度值，再與流量計給出的體積流量相乘，獲得質量流量。當孔板超量程時，流量記錄曲線本應該呈現為平直直線，但在監控系統上，通常顯示記錄的是運算出的質量流量，即使孔板輸出的流量因超量程而保持不變，但由于壓力、溫度變化運算出變化的密度，質量流量也是跟隨變化的，流量曲線依舊呈現為變化的曲線，并不會表現為超量程應有的一條直線，操作人員由此難于辯識超量程問題。
我們在現場發現，不少蒸汽熱用戶已掌握了這一現象，在用氣時，有意將流量盡可能控制在最大流速與最小流速，令小流量低于儀表測量下限而不會被計量，令大流量大大高于儀表量程而計量偏小。
將我們的流量計與原先的孔板或渦街流量計用于同一Ф50mm的管道進行對比發現：熱用戶采用這樣的用氣方法，原先的流量計可以將實際7-8噸/天的用氣量計量為2噸/天左右，熱電廠損失巨大。
令人遺憾的是：在這些實例中，同時證明了――普通的渦街流量計未能表現出優于孔板的高流量測量能力。
（1） 傳統渦街流量計高流速檢測中的問題
a）高流速檢測中的問題之一：高流速的漏波現象，導致流量計示值大幅度偏低
因為渦街流量計產生的漩渦本身存在強弱波動，波動的程度與流場穩定度、渦街發生體結構密切相關。在技監部門的標定裝置上進行標定、檢驗時，流量計基本處于理想運行環境――流速恒定、流場無畸變，因此漩渦強度的波動較小，不出現“漏波”現象，可輕松通過精度檢驗。但在實際運行中，不可避免地存在流場畸變（通常因流量計上游直管段不足、近距離的上游存在阻礙物、安裝誤差等因素導致的流場畸變），流量也處于不斷變化之中，此時漩渦的穩定性必然遭受影響，表現為：漩渦強度出現波動，并且，流速越高，波動越大，當波動超過約30％時，將出現嚴重的“漏波”現象，直接導致精度大幅度下降，計量嚴重偏低。（下圖中，上部顯示：在漩渦強度出現較大幅度的波動時，傳感器輸出的信號波形。下部顯示：流量計輸出的脈沖流量信號。當信號小于觸發器閥值時，觸發器不產生脈沖，由此導致“漏波”現象，并最終導致計量值偏小約44.3％）
a.1 漏波原因之一：簡陋的放大器令信號波動加劇
由于渦街信號強度與流速平方成正比，例如：20倍的流速差異之下，渦街信號的幅度差異將高達400倍，為測得渦街頻率從而測得流速，必須有一個放大器將不同大小的渦街信號放大成相同的幅度，國內產品目前多數采用的是進口產品70年代的技術，也就是使用低通濾波限幅放大器實現這一功能，由此帶來兩個問題： l 因為渦街流量計產生的漩渦本身存在強弱波動，表現為傳感器輸出信號中的低頻干擾信號成分。而這種放大器是通過衰減高流速對應的高頻率信號幅度，放大低流速對應的低頻率信號，從而實現將整個測量范圍下，對應的流量信號幅度，調整到基本相同的功能。但由此令信號中低頻率成分大幅度增高，信號波動幅度大增，最終產生嚴重的“漏波”現象，直接導致計量嚴重偏低。我們應用戶要求，在現場實測發現，某國內著名品牌產品，在流速超過20m/s時，就開始出現：信號波動過大，導致漏波的現象，致致計量偏低40%以上。并且，隨流速加大，信號波動加劇，漏波更加嚴重，流速超過40m/s時，計量偏低90%以上。而進口渦街流量計最新產品普遍采用程控放大器、我公司產品采用獲發明專利的“恒定電平放大器”均避免采用對不同頻率信號采用不同放大倍率的方式，由此避免信號劣化，從而在電子信號處理環節上，保證高流量下信號的穩定性，消除因放大器性能導致的漏波。（下圖：將基本為理想工作狀態下，最佳的傳感器輸出信號，送入兩種放大器進行放大后，兩種放大器性能的比較測試記錄）
（傳統常用放大方式的測試記錄（流量由高到低），左側上部為傳感器輸出原始信號，下部為放大器輸出信號；右側分別為前者的展開視圖）
（非頻率均衡放大器的測試記錄（流量由高到低），左側上部為傳感器輸出原始信號，下部為放大器輸出信號；右側分別為前者的展開視圖）
波形記錄清晰顯示：傳統傳感器信號經傳統放大器放大后，出現過大的波動，將直接導致嚴重的“漏波”現象，流量計量嚴重偏低。而專利的（專利號：ZL 2006 1 0040971.4 渦街流量計渦街信號放大法）非頻率均衡放大器對傳感器信號相反表現出明顯的改善，由此杜絕“漏波”現象。
由于這種低通濾波放大器采用二極管進行限幅，而溫度變化對二極管限幅特性影響巨大，最終導致渦街流量計頻率檢測閥值隨溫度變化，表現為中午調好的流量計，晚上不正常，冬天調好的流量計，夏天不正常，對此，很多用戶有切身體會。
a.2 漏波原因之二---不合理的漩渦發生體產生的漩渦穩定性不良
渦街流量計中，用于產生漩渦的渦街發生體，核心指標在于所產生漩渦的穩定性。我們在對渦街發生體結構進行研究時發現，傳統的單發生體渦街，信號穩定性不佳，并且隨流速增加，問題愈加嚴重，為此，我們采用雙發生體結構，所產生的漩渦穩定性大幅度改善，配合“恒定電平放大器”及“鎖頻環”兩項信號處理方面的發明專利，大幅度改善漏波問題，從而將我們產品測量上限提升至前所未有的120～200m/s，配合低至1m/s的測量下限，確保完全覆蓋蒸汽流量范圍，從產品技術層面上大幅度挽回熱電企業因流量計產生的貿易結算損失。
實際運行證明，我公司經技監部門標定、確認精度的產品，在實際運行中，普遍呈現流量示值較原流量計增高的現象。而計量值的增高，部分來源于小流量的測量，更多的是，來源于高流量檢測時，“漏波”問題的解決。（下圖：我公司一臺DN40抗振型/雙發生體渦街流量計應用中，熱網監控系統24小時記錄，在此實例中，流量計測量下限1m/s，測量上限150m/s，零點穩定，與常規的渦街流量計及孔板比較，大幅度挽回熱電廠計量損失）
b）高流速檢測中的問題之二：傳感器斷裂
我們在用戶現場及多家計量測試部門了解到，國內的渦街流量計在測量高流速時，常出現傳感器斷裂的現象，計量測試部門大多拒絕對國產渦街流量計做超過60m/s的高流速檢定，以免損傷檢定裝置，這一問題在國內產品中普遍存在的原因在于；國內產品幾乎都使用相同結構的傳感器，而這種傳感器存在結構缺陷，在高流速時將因共振而斷裂，而這也是國內產品普遍流速上限在50m/s左右的主要原因之一，而進口產品及我公司產品則因極高的剛性，令共振頻率遠高于渦街頻率，從而杜絕共振現象，由此確保高流速檢測時的安全。
我公司產品在220℃/180m/s的超高流速蒸汽計量中，長期運行，傳感器性能穩定，半年后的返廠檢測結果：傳感器靈敏度、剛性與出廠狀態相比，未能測出明顯變化。
在本文中，有關不同產品的對比數據，源于我公司研發部門進行的測試，篇幅所限，難于完整列舉，讀者或有疑慮，歡迎指正，可致電我公司研發部門，也可登錄我公司網站技術論壇（http://www.ousichen.com/zhakanzixun.html），參與討論，我們也可提供進一步測試數據。