蒸汽带水对涡街流量计的影响

这里所说的影响，主要是指对测量精确度的影响。从3.1节的分析可知，干蒸汽在长距离输送过程中，会因热量损失而出现部分凝结，导致蒸汽干度降低，变成湿蒸汽。

没有过热器的锅炉，则在锅炉出口的蒸汽中就带有少量的水。

人们用干度X来描述温蒸汽中气相与湿蒸汽总量的质量比，也用湿度Y来定义湿蒸汽中水滴与湿蒸汽总量的质量比。

当x=100%， y=0时，蒸汽为干蒸汽；当X<100%， y>O时，蒸汽为湿蒸汽。湿蒸汽中的水滴是液相，而湿蒸汽的干部分是气相，显然，湿蒸汽属两相流体。

目前使用的流量计都是在单相流动状态下评定其测量性能，还没有以单相流标定的流量计用来测量两相流时系统变化的评定标准。但是，两相流是客观存在的，它对流量测量的影响也是无法避免的。

1 蒸汽湿度对涡街流量计测量结果的影晌

蒸汽的湿度Y~5%时，蒸汽的形态虽然属于两相流，但因其所夹带的微小水滴数量不多，所以能均匀地悬浮在气相中，与大雾天小水滴悬浮在空气中的情况相似。这时的水滴均匀分布在气相中，不对涡街流量计的正常工作构成威胁，仪表仍能输出与体积流量成正比的脉冲信号，只是由于水滴在湿蒸汽中所占的体积比可忽略不汁，故可认为涡街流量计的输出完全由湿蒸汽的干部分所引起，所以，此输出中漏计了湿蒸汽的液相部分。如果测量目的为湿蒸汽的质量流量，则测量结果偏低的数值与Y相等。

2 蒸汽严重带水对涡街流量计测量结果的影响

蒸汽的干度在小于95%后若进一步降低，除了悬浮在气相中的约5%(质量比)的水滴外，过量的水滴在蒸汽中的分布将失去均匀性，它们在圆形截面管道中的流动状况更加复杂。

（1)在水平管道中的流动

水平管中气液两相流动结构同气液两相体积比及流动速度有关。在蒸汽管道中，由于凝结水在湿蒸汽中的体积比毕竟很小，所以常表现为分层流动，其结构如图3.91(c)所示，这使得从水平管道底部引出的疏水设施能收到很好的疏水效果。

当流速特别高的时候，也会表现为环状流动，即管壁上有液膜，管道中心部分为带液滴的气核。由于水平流动时重力的影响，下部液膜要比上部管壁的厚，如图3.91(f)所示。

(2)在垂直上升管道中的流动

实验研究证明时，在垂直上升管道中，气液两相流动的基本结构有细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构、带纤维的环状流动结构和环状流动结构。但是由于凝结水在湿蒸汽中的体积比较小，所以过量的水在上升管道中的流动常表现为环状流结构，如图3.89(c)和( e)所示，但当带水量特别大的情况下，也会表现为带纤维的环状流动结构，如图3.89(d)所示。其中，纤维状流体其实是连成条的凝结水。

(3)在垂直下降管道中的流动

在垂直下降管道中，气液两相流动的结构与作垂直上升流动时的结构很相似，如图3.90(e)和(f)所示，但有所不同，不仅流动方向相反，而且在平均流速相同的情况下，垂直下降管道中液体的流速比垂直上升管道中液体的流速快得多。

这种环状流动结构，人们在凝结水疏水现场很容易得到证实。

凝结水疏水器一般均并联安装一只旁通阀，疏水器的出口往往配有一段垂直向下的短管，如果将疏水器关闭，改用走旁通疏水，则会观察到气液混合物从垂直管道口中流出的表现，液体有明显的附壁现象，但同时，气体从管中央喷出时也夹带有一些液滴。

上面只是粗略地分析带水的蒸汽在管道中流动时的表象，而且知道不同的流动结构同流体的流速和带水量有关，而要进一步弄清楚这方面的数量关系却是困难的。但是，这些粗略的分析对涡街流量计的一个特有的现象——"漏脉冲"能提供一定的帮助。

3 涡街流量计的"漏脉冲"现象

人们很早就发现蒸汽带水较多时，涡街流量计会出现"漏脉冲"现象。即在蒸汽流速平稳的情况下，涡街流量计应有与流速成正比的稳定的脉冲输出，但是有时却发现仪表的输出脉冲莫名其妙地少了，从记录到的输出脉冲在二维坐标上的分布情况也能清楚看出，应当近似均匀分布的脉冲却在某一处少一个脉冲，严重的时候，是少了很多脉冲，最严重的时候是完全没有脉冲。这可能同分布不均匀的体积较大的液滴撞击旋涡发生体上，抑制了涡列的形成有关。

①关于"漏脉冲"现象的实例之一

上海某家药业公司组建全厂蒸汽计量网的项目中，碰到了一个令人费解的故障，这个故障发生在一个测量过热蒸汽流量的系统中。这个系统的管道连接如图9.4所示。

该工厂的锅炉房除了向全厂供应中压过热蒸汽外，还经减温减压系统向全厂供应0.4MPa(g)、160℃低压过热蒸汽。FIQ303就是对这路蒸汽进行计量的仪表。

该套仪表与其他多台分表组成的低压蒸汽计量网，在投运后的半年内一直运行正常，总表示值与各分表之和也基本相符。这一情况在年度停车大检修之后发生了变化，原来进出平衡的计量数据出现了负的管损，根据低压蒸汽网的数据平衡关系和锅炉的能量平衡关系作出了FIQ303指示偏低的判断。

在检查了各台仪表之后，发现各台仪表均正常。于是请涡街流量计制造厂上门服务，经检查发现这台DN350的涡街流量计有"漏脉冲"现象存在，在正常的流量范围内，记录到数次如图9.5所示的输出波形；

根据制造厂的经验，这种情况的存在可能是蒸汽带水引起的。

能源科工程师否定了涡街流量计安装处蒸汽带水的可能性，理由是减温减压系统都有自动调节来保证其运行参数，于是一时没有结论。又过一个星期，事态有了进一步的发展。从FC 6000型流量演算器中的海量存储器查阅到的历史数据表明，该路流量示值逐渐减小，甚 至有时减小到零，而这时全厂生产照常进行，蒸汽一点不少用。

进一步的检查焦点主要集中在蒸汽是否带水方面。能源科主要强调减温减压系统出口处的温度、压力参数。经查减温器出口温度、压力显示正确。但是根据FC 6000型仪表显示的温度、压力数据分析，涡街流量计安装处的蒸汽的确已进入饱和状态，于是要求打开疏水器验证。能源科人员坚持认为疏水器不可能排出水，但为了说服仪表人员，还是同意打开疏水器的切断阀(图9.4中的V2)试一试。

疏水阀打开后，大量凝结水喷出， 20min也未排光，于是真相大白。

经查在减温器出口到流量计之间只有一根装有阀V₁的管道与外界相通，这根管道里有水，大检修之后， V₁阀可能有泄漏，导致冷水入侵。

这一事情的最后处理方法是在穿越马路前的管道最低处增设一个疏水器，从而使流量计恢复正常测量。

②关于"漏脉冲"现象的实例之二

上海某热力公司新增一个热源厂。该厂生产的是饱和蒸汽，锅炉投运后对一个远在2km处的用户供汽。其管网如图9.6所示。

热力公司怀疑流量计不准，因为锅炉房出口的流量计FIQ01稳定显示2.5t/h左右的流量，而用户端流量计FIQ02显示时有时无，流量最大时也只有0.75 t/h。

经了解热力公司为了减少热量损失，将沿途的31只疏水器全部关掉，显然流经FIQ02仪表处的蒸汽中含有大量凝结水。建议将靠近用户表计处的几只疏水器打开，排掉管道中的凝结水。这样做了之后，流量计示值在1t/h以下较稳定，至于该示值同FIQ01显示的2.5t/h之间的差值，应该是2km长的管道热损耗引起的，热力公司接受了这一结论。

③关于"漏脉冲"现象的实例之三

某热力公司有一个间歇用汽的用户，其系统如图9.7所示，白天用汽，夜间停用。热力公司反映，该用户的表计在每天上午开工后，在开始的一段时间，如果阀门开得小，则显示正常；阀门逐渐开大后，示值反而减小，直到热管完毕，仪表显示才能恢复正常。

经现场察看，发现从蒸汽母管到用户表计之间有一段长约百米的管道，用户夜间停止用汽后，管道内仍有蒸汽。由于管道散热，一夜之间在管道底部积了很多凝结水，在阀门开度小的时候，管道上方的蒸汽流经涡街流量计，表计显示正常；阀门开度增大后，管内流体流速增大，凝结水被带走，流经涡街流量计时，导致严重的"漏脉冲"；但当管道中的凝结水被全部带到流量计的下游后，与旋涡发生体接触的全部为蒸汽，仪表显示又恢复正常。

 4 对策

(1) X>95%情况下的对策

在X>95%的情况下，涡街流量计输出的脉冲数仅仅是湿蒸汽的干部分流量，因此，如果想将湿蒸汽流量全部测量出来，只需补入涡街流量计少计的部分。

①脉冲输出的涡街流量计中的补偿方法

脉冲输出涡街流量计测量饱和蒸汽流量，是根据其输出的旋涡频率计算出体积流量qv

式中 qv——体积流量， m³/h；

f——涡街流量计输出频率， P/S

K_t——工作状态下涡街流量计流量系数， P/L。

然后由蒸汽压力(或温度)查临界饱和状态密度表得到Ps，并在流量演算器中相乘得质量流量qms，即

qms =qvρs (9.4)

从定义知，蒸汽的干度X为气态部分的流量qms与其总流量之比，即

将式(9.4)代入此式得

所以

因为X=l-y，所以

式中 qms——蒸汽干部分质量流量， kg/h；

qm——蒸汽(干湿两部分)总流量， kg/h；

qv——蒸汽体积流量， m³/h；

ρs——蒸汽干部分密度， kg/ m³；

X——蒸汽干度；

Y——蒸汽温度。

将式(9.6)与式(9.4)相比，湿蒸汽质量流量测量只需将临界饱和状态蒸汽密度除以蒸汽干度即可实现。

具体实施时，在流量演算器中设置一个窗口，由用户根据实际情况人工写入温度值y，仪表运行后就可自动进行温度补偿^[4]。

②模拟输出涡街流量计测量温蒸汽质量流量的原理

模拟输出涡街流量计测量饱和蒸汽质量流量， O~lOO%输出对应O~qmmax是建立在蒸汽密度为设计密度ρd基础上的，因此，质量流量测量上限实际上是对应一个体积流量qv max，即

式中 qvmax——体积流量测量上限， m³/h；

qmmax ——质量流量测量上限， kg/h；

ρd——设计状态蒸汽密度， kg/m³。

其实qmmax还对应一个频率上限fmax，从式（9.3）可知：

式中 fmax——测量上限对应的脉冲频率， P/S。

涡街流量计制造厂在仪表出厂前的流量标定中，按用户提供的常用压力(或常用温度)数据查临界饱和状态蒸汽密度表得到Pd，并按式(9.9)计算fmax。而实际使用时，在相同的压力(温度)条件下，湿蒸汽密度要比ρd大，因此需进行密度补偿，补偿公式为

式中 ρf——工作状态蒸汽密度， kg/m³；

A_i——经无量纲处理的模拟输入信号， 0~100%。

当蒸汽为干度等于100%的饱和蒸汽时，ρf由蒸汽压力(或温度)查饱和蒸汽密度表得到；当蒸汽为湿蒸汽时，ρf=ρfw，ρf可用下式计算：

式中 ρf——湿蒸汽平均密度， kg/m³；

ρsf——工作状态下气相部分密度， kg/m³。

在流量演算器的一个指定窗口中写入湿度值y，仪表运行后，就可自动进行湿度补偿。

(2) X≤95%情况下的对策

①对策

上面所述X>95%情况下的补偿，如果不做，仅仅是悬浮在蒸汽中的均匀分布的小水滴计不出，但是在X<95%的情况下，如果不采取任何措施，测量结果就有可能大幅度偏低，甚至没有输出。

在X<95%的情况下，采取措施的目的是使流量计实现正常测量。采取的措施是在流量计前充分疏水。

疏水是否充分的标志是蒸汽管中是否排得出凝结水。如图9.8所示的配置中，如果只有极少前水排出，则表明管道内己无分层流动的水。

②疏水点的合理布置

疏水点的合理布置对充分疏水有关键性的作用。在图9.9(a)所示的实例中，凝结水的捕捉口太细，与蒸汽一起高速流动的凝结水可能会有一部分不被捕捉口所收集，而流到下游。

③湿度Y值估算

从上面的分析可知，湿蒸汽对流量测量结果的影响都与温度Y有关，所以要进行温度补偿须有当前的湿度值。

要用实测的方法得到Y目前还有困难，所以实施中还只能根据蒸汽的状况由人工估计。

估计方法如下：

a.当设置在蒸汽管底部的疏水阀能排出水的情况下， X<95%；

b.当上述疏水阀排不出水，而蒸汽的幅度、压力的关系由流量显示表已经判定蒸汽为饱和蒸汽时， 95%<X<100%；

c.当疏水阀中有较多的水排出时，干度比95%低得多。

(3)设备的安全

在图9.7所示的实例中，还可能存在设备损坏的危险性。因为系统启动时，高速流动的蒸汽夹带着凝结水冲向涡街流量计的旋涡发生体，由于水的密度大，所以冲击力惊人，极易导致旋涡发生体损坏。

解决的办法是：在开阀前先将凝结水排放掉，而且开阀的速度应足够缓慢，避免撞击。