淺談能源計量與渦街流量計
吉林 延吉**廠 金正女
[摘要] 能源計量工作具有十分重要的意義，它是企業(yè)抓好能源管理、節(jié)能挖潛的基礎(chǔ)，也是企業(yè)提高經(jīng)濟效益的重要保證。而在眾多的能源計量器具中，渦街流量計又以其自身的特點越來越被廣泛地應(yīng)用，是其它流量計不可兼得的新型流量計，是流體流量計量的理想選擇。
[關(guān)鍵字] 能源計量 渦街流量計 理想選擇
在全社會都在關(guān)注能源，大力節(jié)約能源的今天，能源計量工作具有十分重要的意義，尤其是企業(yè)。而在眾多的能源計量器具中，渦街流量計又以其自身的特點被越來越廣泛地應(yīng)用，是流體計量的理想選擇。
一、能源計量的意義
能源是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的重要資源和動力。在市場競爭激烈的經(jīng)濟時代，企業(yè)求生存，求發(fā)展，必然要在提高經(jīng)濟效益上下功夫，不斷挖掘企業(yè)內(nèi)部的潛力，挖掘節(jié)能降耗的潛力。這就要求企業(yè)依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立和完善科學(xué)的能源管理系統(tǒng)，確定、實施從購入、轉(zhuǎn)換、分配到使用、節(jié)能等一系列實實在在的管理。這其中一個重要的前提條件就是計量手段，即配備滿足要求的能源計量器具。通過計量手段，用數(shù)據(jù)說話，用量化進行能源管理，實現(xiàn)企業(yè)各單位能源消耗的分級計量，全自動實時監(jiān)控、*佳分配和調(diào)度，進而應(yīng)用企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行（MES）系統(tǒng)等，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的資源共享，為各管理層和用戶提供便捷的能源信息。通過能源的計量檢測，找出高能耗的原因，杜絕“跑、冒、滴、漏”等浪費現(xiàn)象，真正依靠能源計量指導(dǎo)生產(chǎn)，降低成本，改善環(huán)境，增加效益，提高企業(yè)競爭力?？梢哉f，有能源消耗就必須有能源計量，沒有能源計量，企業(yè)相關(guān)用能指標(biāo)和評價體系就無法構(gòu)建，統(tǒng)計的真實性、節(jié)能的效果就難以確定，現(xiàn)代科學(xué)的管理手段就無法實現(xiàn)，能源消耗也就是一蹋糊涂。所以，沒有能源計量，能源管理就沒有保證，也就無從談起。
我廠抓能源計量工作已經(jīng)20多年，通過配齊能源計量器具，加強能源計量器具的科學(xué)管理及煤、水、電、汽、氣能源計量的監(jiān)督管理，不僅為我廠內(nèi)部經(jīng)營核算提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，而且將過去原煤以賣方提供的數(shù)據(jù)結(jié)算，改為以我廠檢斤數(shù)據(jù)結(jié)算，監(jiān)督了水、電量繳費的結(jié)算數(shù)據(jù)，為及時追繳不合理的收費提供了依據(jù)。截止目前，我廠追回多繳的電費70多萬元，水費10萬多元，產(chǎn)品綜合能耗在同行業(yè)位居中上水平。
事實證明，能源計量工作是企業(yè)抓好能源管理、節(jié)能挖潛的基礎(chǔ)，也是企業(yè)提高經(jīng)濟效益的重要保證。
二、渦街流量計的選用緣由
1．企業(yè)狀況決定
一般企業(yè)消耗的能源主要有原煤、電、水、蒸汽、壓縮空氣、油等，其中原煤可用汽車衡、皮帶秤等計量，電量用電量變送器或電表計量，而水、蒸汽、壓縮空氣、油均屬液體、汽（氣）體的流量測量范疇，也是各級核算的主要能源。因此流體的流量測量是我們選擇流量計的基本點。
企業(yè)講效益，就要計較點滴，在計量器具的配備上，既要充分考慮盡可能選用同種或少種類的計量器具，還要考慮維護量小或盡可能免維護，計量性能穩(wěn)定可靠，性能價格比合理等問題，以減少配備投資費用，運行后的備件費用，降低運行成本。
而渦街流量計既可以測量水、油這樣的液體介質(zhì)，又可以測量蒸汽、壓縮空氣這樣的氣體介質(zhì)，滿足企業(yè)的需求。
2．它屬于新型流量計
50年代，工業(yè)上使用的流量計主要有孔板、皮托管、浮子流量計三種。被測介質(zhì)的范圍較窄，測量準(zhǔn)確度也只滿足低水平的生產(chǎn)需要。隨著國際經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，流量儀表隨之迅速發(fā)展起來。為滿足不同種類流體特性，不同流動狀態(tài)下的檢測需要，近30年來，先后出現(xiàn)了速度式、容積式、動量式，電磁、超聲波等幾十種新型流量計，為流量計量開拓了新的領(lǐng)域。而渦街流量計正是這個時期的產(chǎn)物，尤其80年代起得到迅猛的發(fā)展。它以其自身的許多優(yōu)點，在現(xiàn)代流量測量中得到廣泛應(yīng)用，是其它流量計不可兼得的新型流量計。替代傳統(tǒng)的節(jié)流裝置與差壓變送器組成的流量測量儀表已成為發(fā)展的一種趨勢。
3．“卡門渦街”原理的應(yīng)用
渦街流量計是測量管道中介質(zhì)的平均流速的一種流體振蕩式流量測量儀表。其測量原理是根據(jù)“卡門渦街”原理，在流動的流體中插入一個斷面為非流線型的柱狀物體時，從柱狀物體兩側(cè)會交替產(chǎn)生兩列有規(guī)則的渦街。這種渦列被稱為卡門渦街。旋渦釋放的頻率f(Hz)與流體的平均流動速度及柱狀物的寬度有關(guān)，可用下式表示：
f = St×v/d
式中 f —旋渦分離的頻率
St—系數(shù)（斯特勞哈爾數(shù)）
v — 流體流速
d—柱體迎流面寬度
“卡門渦街”原理圖
由上式可見，渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。
斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線
斯特勞哈爾數(shù)是渦街流量計的重要系數(shù)，由斯特勞哈爾數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系曲線可以看出，低雷諾數(shù)時斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)的變化而變化。在曲線的St≈0.17的平直部分，旋渦的釋放頻率與流速成正比，所以檢出頻率f就可求得平均流速，進而求出體積流量。
K= N/Q
式中K—儀表系數(shù)（脈沖/m3），廠家出廠時給出標(biāo)定值。
N —脈沖個數(shù)
Q —體積總量（m3）
由于旋渦在柱體后部兩側(cè)產(chǎn)生壓力脈動，安裝在柱體后部外尾流中的探頭體將感受到一個交變力，埋設(shè)在探頭內(nèi)部的壓電晶體檢測元件受到這一交變力的作用而產(chǎn)生交變的電荷，交變電荷信號經(jīng)檢測放大器處理后輸出電壓頻率信號，并按不同的需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出，滿足用戶的要求。
4．渦街流量計的特點
渦街流量計“卡門渦街”原理的應(yīng)用，決定其具有以下特點：
①適用范圍廣?？捎糜诠I(yè)管道中流體介質(zhì)的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)的測量；
②結(jié)構(gòu)簡單而牢固，檢測傳感器不直接接觸被測介質(zhì)，無可動機械部件，因此性能穩(wěn)定，可靠性高，使用壽命長，運行、維護費較低；
③法蘭、夾持式連接，安裝簡單、方便，維護量??；
④輸出是與流量成正比的電壓脈沖信號，無零點漂移；
⑤測量范圍寬，量程比可達1：10—1：20；
⑥壓力損失?。s為孔板流量計的1/4～1/2），具有節(jié)能意義；
⑦在一定的雷諾數(shù)（ReD≥2×104）范圍內(nèi)，因輸出信號頻率不受流體密度、壓力、溫度、粘度等物理性質(zhì)和組份變化的影響，儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān),測量流體體積流量時無需補償，調(diào)換配件后一般無需重新標(biāo)定儀表系數(shù)。因此測量精度高，儀表常數(shù)能長期穩(wěn)定；
⑧輸出信號既有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號，也有數(shù)字脈沖信號，因此容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，通用性強。
三、選用渦街流量計需注意的幾個要點
任何流量計的選用，都必須以合適的選擇為前提，才能保證其計量性能滿足用戶的要求。因此，選用渦街流量計時，必須注意以下幾個要點：
1．確定被測介質(zhì)的流動狀態(tài)。包括液體、氣體、飽和蒸汽、過熱蒸汽。對不同流動狀態(tài)、的流體要采用不同型號的渦街流量計。
測量飽和蒸汽或過熱蒸汽的質(zhì)量流量時應(yīng)考慮溫度或壓力補償?shù)膯栴}。因為質(zhì)量流量的大小與蒸汽的密度有關(guān)，而蒸汽的密度又直接受蒸汽的壓力及溫度影響，隨著蒸汽壓力及溫度的變化而變化。如果不能跟蹤這種變化，勢必造成計量誤差。因此，在蒸汽計量過程中，一般都是通過壓力及溫度傳感器跟蹤蒸汽壓力及溫度變化來達到密度補償目的。
飽和蒸汽的密度變化與其壓力或溫度成正比關(guān)系，因而通過單獨測量壓力或測量溫度就可以對飽和蒸汽進行密度補償；過熱蒸汽的密度與其壓力、溫度成函數(shù)關(guān)系，而不是正比關(guān)系，因此其密度的補償必須同時測量其壓力和溫度。
2．確定被測流體的流量的范圍（*大、*小及常用瞬時流量）、測量精度要求等。所選流量計的正常流量*好在正常測量范圍的1/2～2/3處，準(zhǔn)確度應(yīng)高于被測量準(zhǔn)確度的三分之一。
3．確定被測介質(zhì)的工作壓力（*高、常用、*低）。工作壓力一般為：0.25、0.6、1.0、1.6、2.5MPa。
4．確定被測介質(zhì)的溫度（*高、常用、*低）。針對不同溫度選擇不同型號的渦街流量計。對于高溫高壓的蒸汽計量必須考慮所選儀表耐高溫、高壓及穩(wěn)定性、可靠性、密封性等要求。一般情況，普通型的-20—150℃，中溫型的-40—250℃，高溫型的100—350℃。
5．確定信號輸出形式。一般有脈沖信號、標(biāo)準(zhǔn)4—20mA電流信號、三線制、二線制，接口要求。
6．確定工作電源。12V（DC）、24V（DC）。
7．確定使用環(huán)境條件。一般流量計的使用環(huán)境溫度為-25—55℃，濕度≤85%RH。除此之外，應(yīng)考慮現(xiàn)場是否存在振動和干擾，是否易燃易爆，是否受高溫輻射，是否有水侵泡，是否有腐蝕性介質(zhì)侵入等狀況。
8．確定流量計公稱通徑。在弄清介質(zhì)管道通徑的基礎(chǔ)上，特別注意測量時的流速問題，一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為4～5m／s。要保證管道內(nèi)的流體*小流量滿足雷諾數(shù)ReD≥2×104的要求，即避免流量低于流量計可**計量的*小流量。一般，在滿足工藝流量的條件下，應(yīng)考慮管道變徑的問題，選擇盡可能小的口徑，以提高測量精度。
渦街流量計的公稱通徑一般為15、20、25、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300（mm）以上。
9. 安裝的直管段。保證流量計安裝管道上有足夠的前后直管段長度。一般其前后安裝直管段要求分別約為20D和5D。
渦街流量計雖可以安裝在各種方位的管道上，但考慮到安裝、檢修和儀表支架方便等情況，一般應(yīng)盡可能安裝在水平管道上。
四、結(jié)束語
現(xiàn)在，我廠水、蒸汽、壓縮空氣的計量采用的就是渦街流量計，它與計算機構(gòu)成系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集至計算機，實現(xiàn)瞬時和累積量的顯示、報表等，為企業(yè)的能源核算提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。渦街流量計運行十多年來其故障率低，計量穩(wěn)定，量值可靠，安裝、運行、維護費用低，易于管理，一直受到企業(yè)的青睞。而且，在我企業(yè)正在進行的易地搬遷工程中，渦街流量計仍是優(yōu)選。
因此，我認為渦街流量計是一種性價比合理的理想流體測量流量計，值得選用。